基于智能方法的熔融碳酸鹽燃料電池-微型燃氣輪機聯合發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、燃料電池是21世紀最重要的一種發(fā)電技術之一。它利用燃料的電化學反應來獲得電能，從而突破了常規(guī)以燃料燃燒的熱能進行發(fā)電的方式所必須受到的卡諾循環(huán)效率的限制，因此可以獲得更高的發(fā)電效率。根據燃料電池的工作溫度，通?？梢詫⑵浞譃椤案邷厝剂想姵亍焙汀暗蜏厝剂想姵亍?。由于高溫燃料電池的排氣溫度較高，可以和微型燃氣輪機聯合組成一個協(xié)同工作的發(fā)電系統(tǒng)，這就是一種重要的新技術一“聯合發(fā)電系統(tǒng)”，其總體發(fā)電效率可以達到60～70％，因此被視為分布式發(fā)電裝

2、置的最佳形式。 目前國內外對高溫燃料電池/微型燃氣輪機聯合發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在兩方面：一是研發(fā)電池部件所需的新材料、研發(fā)適合與燃料電池配合的微型燃氣輪機，并對聯合發(fā)電系統(tǒng)的結構和裝配工藝進行優(yōu)化或改進；二是根據反應機理建立聯合發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，基于所建立的模型研究各項操作參數對整體系統(tǒng)性能的影響，以確定系統(tǒng)的最優(yōu)參數，為系統(tǒng)實際運行提供指導。但關于聯合發(fā)電系統(tǒng)的可控模型和控制算法的研究很少，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行、提高系統(tǒng)發(fā)

3、電性能、最終實現商業(yè)化，解決聯合發(fā)電系統(tǒng)有關控制方面的問題勢在必行。 本課題是上海交通大學燃料電池研究所正在進行的“863工程”項目“10kW級天然氣熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)研究”、國家自然科學基金項目“燃料電池-燃氣輪機混合動力系統(tǒng)非線性對象的協(xié)調控制”課題的一部分。首先，根據反應機理和守恒定律分別建立了微型燃氣輪機和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)的仿真模型，并基于模型分析了在額定工況和部分工況下各操作參數和系統(tǒng)結構對聯合發(fā)

4、電系統(tǒng)性能的影響?；谛阅芊治鲈O計了聯合發(fā)電系統(tǒng)的控制方案，首先針對聯合發(fā)電系統(tǒng)的重要溫度參數分別設計了三種智能非線性控制器，并根據仿真結果對其進行了性能對比和分析。然后采用了基于實驗數據建模的兩種方法對聯合發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率特性進行建模，即徑向基函數(RBF)神經網絡和最小二乘支持向量機(LS-SVM)建模方法?；诮⒌膬煞N模型分別設計了模糊神經網絡控制器和基于改進型遺傳算法優(yōu)化的非線性預測控制器，并進行了仿真和比較。本論文的主要工

5、作包括： 1、建立了微型燃氣輪機的仿真模型。深入研究了微型燃氣輪機各個組成部件的工作機理，在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境里，采用模塊化的建模方法，根據理想氣體狀態(tài)方程、質量守恒、能量守恒定律、熱動力學公式和電功率的轉換關系分別建立了微型燃氣輪機的核心部件的模型，并將部件模型組合得到了整個微型燃氣輪機的仿真模型；基于該模型進行了微型燃氣輪機的額定工況和變工況性能的研究，分析了影響微型燃氣輪機性能的主要參數。 2、

6、建立了MCFC電堆的仿真模型。同樣是在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境里，首先根據MCFC內部的電化學反應機理、質量和能量守恒定律、理想氣體狀態(tài)方程等建立了MCFC在氣流方向上的一維仿真模型，基于該模型分析了影響MCFC發(fā)電性能的重要參數；然后將該模型和已建立的微型燃氣輪機模型相結合組成了聯合發(fā)電系統(tǒng)的模型，基于該模型對聯合發(fā)電系統(tǒng)的運行進行了仿真，分析了系統(tǒng)結構和各個重要參數對系統(tǒng)性能的影響，為后繼的控制系統(tǒng)設計打下了基礎。

7、 3、基于所建立的聯合發(fā)電系統(tǒng)模型和性能分析的結果，設計了以簡單適用為目標的聯合發(fā)電系統(tǒng)的多回路控制方案，并針對溫度參數這一重要被控對象分別設計了三種控制器，對三者的控制效果差異進行了分析。首先采用了工業(yè)上廣泛使用的模糊控制器；然后設計了E1man神經網絡自校正控制器，該控制器使用一種動態(tài)遞歸神經網絡-改進型E1man神經網絡作為控制對象的辨識器，通過自校正算法得到控制量，仿真中取得了較好的效果；最后設計了將兩者的優(yōu)點集于一體的模糊

8、神經網絡控制器，對三種控制器進行仿真的結果顯示三者均能夠將溫度參數穩(wěn)定控制到設定的最優(yōu)值，其中模糊神經網絡控制器取得了最好的性能，對控制效果的差異進行了分析。 4、著重進行了聯合發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率控制方案設計，不同于前面使用的SIMULINK仿真模型，采用了基于控制對象輸入輸出數據建模的方法。首先采用了RBF神經網絡對聯合發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率特性進行建模，仿真結果顯示RBF神經網絡具有較好的辨識數據的能力；然后又使用了最小二乘支持