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质子交换膜燃料电池热管理系统动态建模与控制策略研究

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质子交换膜燃料电池热管理系统动态建模与控制策略研究

作者：赵安电子科技大学

学位级别：硕士

氢能作为我国能源转型过程中的重要新能源载体,具有来源广泛、高效灵活、低碳环保等诸多优势,可以同时满足新时代下资源、环境和可持续发展的多元化需求,是最具发展潜力的清洁能源之一。在氢能产业链用氢端的关键环节,质子交换膜燃料电... 详细信息

氢能作为我国能源转型过程中的重要新能源载体,具有来源广泛、高效灵活、低碳环保等诸多优势,可以同时满足新时代下资源、环境和可持续发展的多元化需求,是最具发展潜力的清洁能源之一。在氢能产业链用氢端的关键环节,质子交换膜燃料电池由于高能量转换效率、高功率密度、排放清洁等特点,近年来发展迅猛,广泛应用于交通、发电、工业、便携式能源等多个领域。质子交换膜燃料电池作为一种重要的低温燃料电池,其热力学行为及内部过程的热管理对于系统的性能、寿命以及可靠性至关重要。此外,燃料电池热力学行为在电堆内部,电堆与周围环境之间以及电堆与热管理系统之间存在多重耦合关系,且温度的动态响应存在大滞后效应,这为质子交换膜燃料电池的精准动态热管理带来重要技术挑战。本文将基于燃料电池电堆、辅助部件及系统各层级的物理过程,构建一套燃料电池系统热力学机理动态模型,并通过燃料电池系统多工况实验设计进行多角度验证;在此基础上,结合粒子群优化以及神经网络方法,设计出一套燃料电池热管理动态复合控制策略,为燃料电池系统的温度精准调控提供技术基础与理论参考。本文的主要工作如下:1.从燃料电池热管理冷却方式、热管理系统模型以及热管理控制策略综述了燃料电池热管理的研究现状,阐述了本文实验所用的燃料电池实验系统以及热管理系统结构,设计多种工况下的实验对燃料电池电压输出特性、温度分布特性以及热管理系统温度动态特性进行研究。2.结合燃料电池机理方程以及热管理系统各辅助部件热力学方程建立了一套燃料电池系统动态模型,并结合实验测试结果进行了多角度验证。在该模型基础上设计基于燃料电池工况的仿真实验,研究不同工况条件下的电堆与系统热力学行为及其关键影响因素。3.基于所建立的燃料电池热力学模型,设计了面向燃料电池进出口温差参数的前馈控制策略,将其与电堆的工作温度参数在控制上进行解耦,设计了基于粒子群寻优算法优化的PID控制策略,实现了热管理系统温度的精确动态调控,并提出基于神经网络的控制参数预测模型,大幅提高基于模型的预测器运行效率,为热管理系统控制器的在线应用提供基础。

关键词：质子交换膜燃料电池热管理系统热力学机理模型粒子群算法复合PID控制策略

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机载静止变流机电磁兼容性研究

机载静止变流机电磁兼容性研究

作者：柯雄飞中国民航大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术高频化的不断推进,机载静止变流机面临的电磁干扰问题日益严重。电磁干扰问题不仅会增加设备的研发时间和设计成本,更严重的是可能会危及设备的安全运行。本文以机载静止变流机为研究对象,对机载静止变流机电磁干扰产... 详细信息

随着电力电子技术高频化的不断推进,机载静止变流机面临的电磁干扰问题日益严重。电磁干扰问题不仅会增加设备的研发时间和设计成本,更严重的是可能会危及设备的安全运行。本文以机载静止变流机为研究对象,对机载静止变流机电磁干扰产生的机理和传播路径进行了深入分析,并针对当前技术存在的问题提出了相应的解决方法。本文关于机载静止变流机传导干扰的主要研究工作如下:首先,探讨了机载静止变流机的原理,深入研究了电磁干扰产生的机理及其传播路径。同时,采用阻抗分析、参数拟合等方法,建立了机载静止变流机有源和无源器件的电磁兼容高频模型,为预测和抑制电磁干扰提供了理论支持。其次,研究了现有的电磁干扰抑制方法。利用插入损耗法设计了机载静止变流机的共模和差模滤波器。分析了随机脉宽调制工作原理,将其应用于机载静止变流机,提出了基于梅森素数选择预设载波随机开关频率调制策略,同时将该策略与无源滤波器结合,提出了一种新的电磁干扰抑制方案。最后,在Pspice-Simulink联合仿真平台上建立了机载静止变流机联合仿真模型。通过仿真实验验证随机脉宽调制结合无源滤波器方案的有效性。该方案不仅具有良好的电磁干扰抑制效果,同时还可减小无源滤波器的体积。此外,电磁干扰预测的联合仿真平台还可以应用于其他电磁兼容设计领域中,为预设计提供分析基础,从而降低电磁兼容设计和测试成本,具有广泛的工程应用前景。

关键词：机载静止变流机传导电磁干扰电磁兼容电磁干扰预测技术联合仿真

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基于神经网络的四旋翼飞行器姿态控制研究

基于神经网络的四旋翼飞行器姿态控制研究

作者：李霞中国民航大学

学位级别：硕士

四旋翼飞行器的控制性能好坏对飞行安全具有重要意义。由于被控对象复杂且飞行过程中容易受到各种干扰,四旋翼飞行器难以建立精确的模型,因此如何设计合理有效的控制方法显得尤为重要。神经网络具备良好的学习能力和计算能力,能够实现... 详细信息

四旋翼飞行器的控制性能好坏对飞行安全具有重要意义。由于被控对象复杂且飞行过程中容易受到各种干扰,四旋翼飞行器难以建立精确的模型,因此如何设计合理有效的控制方法显得尤为重要。神经网络具备良好的学习能力和计算能力,能够实现较好的控制效果,但软件实现方式速度慢限制了其发展应用。FPGA硬件实现具有运行速度快,功耗较低,使用灵活等优势。本文主要从神经网络控制的算法优化和FPGA硬件加速展开研究,实现飞行姿态的稳态跟踪控制。针对四旋翼飞行器难以建立精确模型的问题,设计了一种基于粒子群-遗传算法优化的模糊神经网络PID控制器。为了获得理想的控制参数,采用模糊神经网络自适应调整PID的控制参数。利用粒子群-遗传算法优化模糊神经网络各参数的初始值,并使用梯度下降法进行参数调整。仿真结果表明,该控制器输出具有较好的动态性能,稳态误差小,调节时间短,抗干扰能力强。针对神经网络串行实现运行速度慢,无法满足复杂系统实时控制的问题,设计了一种FPGA并行实现的BP神经网络PID控制器。为了方便设计及节省资源,利用Cordic IP核和除法IP核相结合实现非线性激活函数,使用16位定点数完成数据运算。通过Vivado完成了俯仰、滚转及偏航通道的控制仿真和综合优化。仿真结果表明,该设计实现显著提高了神经网络控制的运行速度和计算性能。为了验证基于FPGA实现BP神经网络PID控制的有效性和可行性,利用软硬件协同设计方法实现FPGA的板级验证实验,并将输出数据通过以太网传输至Matlab中进行分析。实验结果表明,本设计在实际控制应用中具有一定的可行性。相较于串行实现方式,FPGA并行实现的运算速度快,功耗低。该控制系统的响应速度得到显著提高,满足飞行姿态的实时控制要求。

关键词：四旋翼飞行器 BP神经网络模糊神经网络 PID FPGA

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燃料电池高分辨分区检测装置开发与应用研究

燃料电池高分辨分区检测装置开发与应用研究

作者：蒙奎电子科技大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)因其高效、清洁、低噪等优势,在交通领域具有广阔的前景。为了适应大功率需求,车用燃料电池堆活性反应面积普遍在150-500cm,运行过程中反应流体分布及水热分布的不一致性... 详细信息

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)因其高效、清洁、低噪等优势,在交通领域具有广阔的前景。为了适应大功率需求,车用燃料电池堆活性反应面积普遍在150-500cm,运行过程中反应流体分布及水热分布的不一致性严重影响了电池堆内部性能的均一性,不仅限制了电池堆的性能输出,而且加剧了电池堆的局部性能老化与寿命衰减。目前,国内外对燃料电池性能的研究大多集中于电池堆的整体电压性能,缺少不同位置的局部信息,无法获得电池堆内部真实反应分布情况,难以快速诊断电池堆性能限制及其寿命衰减的的具体原因。本文针对传统燃料电池堆检测方法存在的不足,研发了针对大面积车用燃料电池的高分辨率分区检测装置,并基于该分区检测方法,对车用燃料电池堆内部的电流分布进行多工况实时在线检测,分析不同工作参数对电堆性能的影响,探究了变载工况下电池堆的动态响应特性。本文的主要研究内容如下:首先,明确燃料电池在线分区检测装置的设计需求,以自研反应面积406cm的车用燃料电池水冷电堆为对象,设计研发出396分区的高分辨率内部电流在线检测装置,并针对检测系统的软硬件进行模块化设计,研究相应的检测原理及测量方案,为燃料电池堆的内部性能分布研究提供关键研究装备与技术。其次,基于各项设计参数对装置的有效性进行了理论分析与实验验证,研究了电池堆装配压力对检测装置有效性与误差的影响,并通过燃料电池典型工况实验验证了装置的嵌入对电池性能没有明显影响。然后,基于在线分区检测装置从电池堆内部电流分布与节电压两个角度研究了气体流量、工作温度、反应气体湿度等关键工作参数对车用燃料电池堆稳态性能的影响规律。最后,探究了不同变载工况对燃料电池内部性能分布的动态影响,分析电池堆性能动态响应的内在原因,从而给出车用燃料电池堆的变载优化策略。

关键词：车用燃料电池分区参数在线检测反应分布性能研究

基于数据驱动模型的车用燃料电池性能一致性研究

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基于数据驱动模型的车用燃料电池性能一致性研究

作者：苏杨淮电子科技大学

学位级别：硕士

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有效率高、环境友好、能量密度高等优点,被广泛应用于交通领域。车用燃料电池电堆通常由数百节燃料电池串联组成,其中电池间的电压一致性是衡量其性能与寿命的一项重要... 详细信息

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有效率高、环境友好、能量密度高等优点,被广泛应用于交通领域。车用燃料电池电堆通常由数百节燃料电池串联组成,其中电池间的电压一致性是衡量其性能与寿命的一项重要指标。在实时运行过程中,燃料电池存在局部性能过低与一致性偏差等问题,从而降低其可靠性与寿命,而基于模型的节电压一致性研究有利于工况参数的优化与性能的提升。但由于燃料电池电堆复杂的几何结构,采用机理模型对数百节燃料电池电压及一致性进行预测需要耗费大量的计算资源与时间。而人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)模型具有效率高、可在线应用等优点,因此,本文采用该模型对自主设计的、具有140节燃料电池的60 k W燃料电池电堆的稳态节电压一致性和动态节电压一致性展开研究,有利于其操作参数的优化与性能的评估。本文的主要研究工作如下:第一,机理上分析了影响燃料电池电压输出的关键操作条件,设计了车用燃料电池不同工况下的稳态与动态实验,获取了不同阴极出堆压力下以及不同负载电流下的实验数据,为稳态节电压一致性和动态节电压一致性研究提供数据集。第二,建立了稳态ANN模型,根据燃料电池电压输出模型选择影响燃料电池性能与一致性的关键工况参数作为稳态ANN模型的输入特征,并对包括隐藏层层数与神经元数量在内的模型结构进行探讨。最终确定的稳态ANN模型结构具有六个输入特征、两层隐藏层以及140维输出,将其用于140节燃料电池稳态电压及一致性预测并与实验结果对比分析。同时对模型的泛化能力进行验证,并将该模型用于高负载电流下的140节电压和一致性预测。最后,为了提高模型的运算效率,采用平均分组的方式对模型进行输出降维,为模型用于在线预测提供理论基础。第三,对燃料电池动态特性进行了分析,并在稳态ANN模型已有输入特征的基础上增加负载电流变化量和反应物流量变化量以建立动态ANN模型,同时分析以上新增输入特征对于动态节电压预测的影响。将该动态ANN模型用于降载过程中140节动态节电压及一致性预测并与实验结果对比分析,并泛化应用于其他阴极出堆压力下与系统升载过程中的动态节电压及一致性预测。本文提出的ANN模型对燃料电池电压及一致性的高效预测有利于准确评价燃料电池性能、健康状态和可靠性。

关键词：车用燃料电池系统数据驱动模型节电压一致性性能预测

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机场光伏变换储能站控制策略研究

机场光伏变换储能站控制策略研究

作者：姜建中国民航大学

学位级别：硕士

目前,机场主要依靠火力发电来为其用电设备供应电能,造成碳排放量增多,环境污染日益严重,为了改善这一局面,可将光伏发电技术应用到机场建设中,既可促进机场节能减排,减少环境污染,也能降低其运维成本,一定程度上对促进我国航空业持续... 详细信息

目前,机场主要依靠火力发电来为其用电设备供应电能,造成碳排放量增多,环境污染日益严重,为了改善这一局面,可将光伏发电技术应用到机场建设中,既可促进机场节能减排,减少环境污染,也能降低其运维成本,一定程度上对促进我国航空业持续、快速发展有深远意义。本文以机场离网光伏发电系统为研究对象,为提升光伏发电效率以及平抑光伏输出功率和负载功率波动,对光伏阵列最大功率点跟踪控制、蓄电池储能控制以及直流逆变控制进行了详细分析和研究。在最大功率点跟踪方面,首先建立光伏阵列在均匀光照和局部遮阴下的等效电路数学模型,在此基础上仿真分析了其处于不同工作状态下的输出特性,为之后最大功率点跟踪控制奠定了基础。针对传统光伏最大功率点跟踪控制算法不足,提出基于惯性权重递减和学习因子动态变化的粒子群优化算法对Boost变换器进行控制,用于提升光伏阵列输出最大功率点的跟踪精度,减小其震荡。在储能设计方面,对双向DC/DC变换器采用H桥型的拓扑结构,分析双向变换器工作原理并建立其数学模型,针对滑模控制抖振大的缺点,提出了一种将滑模控制与模型预测控制相结合的储能控制方法,通过合理控制双向DC/DC变换器工作模式来有效调节能量在直流母线和蓄电池间传输方向和大小,维持母线电压稳定。在逆变控制方面,建立了单相全桥逆变器数学模型,合理设计了滤波器参数,对功率管采用双极性正弦脉宽调制(Sine Pulse Width Modulation,SPWM)技术,针对传统PI控制对正弦量跟踪的不足,提出了一种电压有效值闭环逆变控制策略,用于提升输出电压稳态精度,减小波形失真度。最后在MATLAB环境中对所提控制策略进行仿真实验,结果验证了所提粒子群寻优的最大功率点跟踪控制策略、滑模预测储能控制策略以及电压有效值闭环逆变控制策略的正确性和有效性。

关键词：光伏发电系统最大功率点跟踪储能控制粒子群寻优算法滑模预测算法逆变控制

车用燃料电池加载过程动态建模与加载策略研究

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车用燃料电池加载过程动态建模与加载策略研究

作者：樊红伟电子科技大学

学位级别：硕士

燃料电池作为高能量密度、高效率、低排放的清洁电源,被认为是新能源汽车行业最具发展潜力的技术方向之一,一直受到业内广泛关注。近年来氢燃料汽车被大量投入市场运行,然而全功率及大功率燃料电池汽车的规模商业化应用,对燃料电池的功... 详细信息

燃料电池作为高能量密度、高效率、低排放的清洁电源,被认为是新能源汽车行业最具发展潜力的技术方向之一,一直受到业内广泛关注。近年来氢燃料汽车被大量投入市场运行,然而全功率及大功率燃料电池汽车的规模商业化应用,对燃料电池的功率动态响应能力提出了高技术要求。因此,如何提高燃料电池的动态响应速度,同时保证加载时燃料电池输出性能的稳定性和系统可靠性成为亟待解决的重要技术难题。目前,针对燃料电池加载特性的研究大多仅考虑单节电池或多节电堆的平均节电压,而忽略了加载过程中大功率燃料电池节电压的一致性,从而影响燃料电池加载过程的稳定性和系统可靠性,不当的加载策略甚至可能造成燃料电池的不可逆性能衰减。本文从燃料电池发动机加载实验和多维度等效电路耦合模型两方面研究车用燃料电池加载过程动态特性,尤其关注其节电压一致性的动态行为,并在此基础上设计了提升系统可靠性的复合型系统加载策略。本文具体的研究内容如下:第一,阐述了自主设计的60 k W车用燃料电池发动机系统、电堆结构及辅助子系统结构,提出了包括节电压下冲值和节电压一致性在内的加载特性多维度评价指标,设计了变工况条件下的系统加载实验,研究不同操作条件对燃料电池加载特性的影响,为模型的建立提供了实验基础。第二,结合实验测试结果和燃料电池机理方程,建立了基于等效电路的燃料电池耦合动态模型,利用Matlab/Simulink平台的仿真结果和实验结果验证了动态模型对加载特性模拟的准确性。该模型以零维RLC等效电路为基础,综合考虑了流道内部和电堆内部气体压力和流量分布、温度分布等不一致的情况,将动态模型从零维单电池模型扩展到描述电堆特性的准二维模型,有效地模拟了燃料电池加载瞬间节电压一致性的动态行为,为系统加载策略设计提供模型基础。第三,在燃料电池动态等效电路模型的基础上对燃料电池的加载策略进行了设计与优化。以电流加载幅度和加载间隔时间为基准控制参数,设计并比较了多种加载策略下燃料电池的动态特性,综合考虑燃料电池加载速度、性能一致性及系统可靠性,给出优化的高可靠复合型加载控制策略。

关键词：车用燃料电池系统动态等效电路模型节电压一致性复合加载策略