機車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)最優(yōu)效率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種機車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)最優(yōu)效率控制方法，通過建立三維曲面模型，分析基于電堆運行溫度、空氣過量系數(shù)和負載電流之間的系統(tǒng)效率最優(yōu)化運行特征，獲得電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)的約束運行邊界條件，并建立在線辨識系統(tǒng)和基于高速群體智能優(yōu)化算法的優(yōu)化系統(tǒng)，獲得最優(yōu)控制變量，在此基礎上，采用基于α階動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)的多工況逆控制和基于改進隱式廣義預測自校正的預測逆控制，實現(xiàn)系統(tǒng)效率的最優(yōu)化控制。本發(fā)明方法能夠解決傳統(tǒng)PEMFC系統(tǒng)效率控制方法過于依賴精確的系統(tǒng)數(shù)學模型、實際應用中易受擾動、噪聲及不確定性影響的局限性等問題，提高系統(tǒng)可靠性，實現(xiàn)機車PEMFC系統(tǒng)最優(yōu)效率運行。
【專利說明】機車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)最優(yōu)效率控制方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及大功率機車用質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)效率控制【技術(shù)領域】。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池技術(shù)是一種清潔能源技術(shù)，具有高效、環(huán)保等特點，被稱為是21世紀最有前途的“綠色能源”技術(shù)，已受到世界各國的高度重視，在我國屬國家能源領域的重點研發(fā)技術(shù)，特別是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)除了具有燃料電池共有的污染低、燃料利用率高等優(yōu)點外，還具有功率密度高、工作溫度低、啟動快、積木性強等優(yōu)點，在便攜式動力源、混合動力車輛及中小型分布式發(fā)電系統(tǒng)領域得到了高度重視。
[0003]軌道交通是一個能耗大戶，在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，電氣化鐵路對電力系統(tǒng)和空間環(huán)境造成了一定的電磁污染，而目前鐵路的各種工程作業(yè)車、地鐵檢修車、施工車、地鐵調(diào)車以及某些特殊用途(如山洞、礦山等民用及軍用)的牽引機車還廣泛采用內(nèi)燃機車，對空氣造成了產(chǎn)生嚴重污染，特別是在一些相對密閉的空間里(如地鐵、山洞等)，空氣污染情況更為嚴重。因此，為促進我國和諧鐵路建設和軌道交通的可持續(xù)發(fā)展，研發(fā)新一代環(huán)保、高效的新能源機車具有顯著的社會效益和巨大的潛在經(jīng)濟效益。目前在國內(nèi)，西南交通大學成功研制了國內(nèi)首臺150kW質(zhì)子交換膜燃料電池電動機車，并于2013年I月進行了運行試驗。
[0004]在大功率機車PEMFC系統(tǒng)中空氣供應子系統(tǒng)的動態(tài)特性相對緩慢，若空氣流量調(diào)節(jié)不當，會引起“氧饑餓”和“氧飽和”現(xiàn)象，影響系統(tǒng)凈功率輸出，增加寄生功耗，降低系統(tǒng)效率。同時，PEMFC的電堆溫度受到環(huán)境溫度、負載電流等因素的影響，若控制不當會降低系統(tǒng)效率。因此，通過研究系統(tǒng)效率與空氣過量系數(shù)、電堆溫度及負載電流之間的耦合關(guān)系，采取有效的控制策略維持系統(tǒng)最優(yōu)效率，對于改善機車PEMFC系統(tǒng)性能、維持系統(tǒng)穩(wěn)定、延長系統(tǒng)使用壽命具有重要的意義。
[0005]目前，針對機車PEMFC系統(tǒng)效率控制問題的研究成果相對較少。已提出的系統(tǒng)控制方法大部分都是將電堆輸出電壓、氣體分壓力及流量作為研究對象，而且所采用的控制方法大多是基于工作點近似線性化設計，只針對非線性系統(tǒng)的部分固有性質(zhì)，也沒有充分地考慮機車PEMFC系統(tǒng)在實際工作過程中受到外界干擾以及不確定性的影響，如忽略了環(huán)境噪聲和非線性特性所引起的系統(tǒng)參數(shù)攝動，導致所設計的控制系統(tǒng)過于依賴精確的系統(tǒng)數(shù)學模型，難于滿足在存在干擾、量測噪聲及不確定性條件下的跟蹤能力和抑制擾動能力要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上不足，本發(fā)明旨在提供一種機車質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)最優(yōu)效率控制方法，實現(xiàn)系統(tǒng)在存在外界干擾、噪聲及不確定性情況下，提高系統(tǒng)效率。[0007]機車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)最優(yōu)效率控制方法，包含如下主要手步驟:
[0008]I)首先根據(jù)150kW Ballard HD6系統(tǒng)的試驗測試數(shù)據(jù)，建立三維曲面模型，分析基于電堆運行溫度、空氣過量系數(shù)和負載電流之間的機車PEMFC系統(tǒng)效率最優(yōu)化運行特征。然后根據(jù)分析結(jié)果，獲得電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)的約束運行邊界條件；
[0009]2)根據(jù)不同運行工況，建立基于在線數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和在線參數(shù)估計子系統(tǒng)的機車PEMFC系統(tǒng)在線辨識系統(tǒng)。其中在線數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)在不同工況下，實現(xiàn)時變系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)處理和存儲；在線參數(shù)估計子系統(tǒng)根據(jù)在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)估計，建立參數(shù)化辨識系統(tǒng)，為后續(xù)的效率優(yōu)化提供基礎。式(I)所示為系統(tǒng)效率計算方程，其中Htl為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的系統(tǒng)效率，λ ^為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的空氣過量系數(shù)，Ttl為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的電堆運行溫度，識為待辨識參數(shù)，Inet為系統(tǒng)凈輸出電流；
[0010]
= /ι(Λ? TQi φ, Inet)(I)
[0011]3)建立基于高速群體智能優(yōu)化算法的優(yōu)化系統(tǒng)。設計目標函數(shù)F，如式(2)所示，其中L為HD6最優(yōu)參考效率，X= [λ ^Ttl]為控制變量，Q和R為罰因子矩陣；
[0012]F = f2(x, n0, nr,Q,R) (2)
[0013]根據(jù)式(I)和(2)，在k時刻求解如式(3)所示的最小化問題，獲得最優(yōu)控制變量X*；
[0014]X*(k) = min F(X(k), n0(k)) (3)
[0015]其中，最優(yōu)控制變量的約束邊界條件為λ/η ( A0(k) ( λ ；ax,T0min^ T0 (k) ( T0-；`
[0016]4)基于最優(yōu)效率策略的機車PEMFC系統(tǒng)多工況預測逆控制，實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)化，包括以下手段:
[0017]A、基于α階動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)的多工況逆控制方法，將整個工作區(qū)間根據(jù)最優(yōu)效率的運行特征約束范圍，劃分為不同的子空間，構(gòu)造全局運行區(qū)間內(nèi)的多工況α階動態(tài)逆系統(tǒng)，再與原不同工況子系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)，實現(xiàn)機車PEMFC系統(tǒng)的全局運行區(qū)間動態(tài)解耦，并按照大、中、小三個工況區(qū)間對全局運行空間進行分層。式(4)中，V1和V2是改進隱式廣義預測自校正預測控制器的輸出變量，U1和U2是α階動態(tài)逆系統(tǒng)的輸出變量，即空氣壓縮機系統(tǒng)機端控制電壓和散熱器風機控制電壓；
[0018](U1, U2) = Ψ (ν1； V2, Inet) (4)
[0019]B、基于改進隱式廣義預測自校正的逆控制，采用滾動優(yōu)化，反復在線對控制目標函數(shù)在每個時刻進行優(yōu)化，并根據(jù)并列預測器參數(shù)矩陣，設計最優(yōu)控制律。然后，通過采集在某運行工況下的系統(tǒng)凈輸出電流、空氣過量系數(shù)、電堆運行溫度，建立在線辨識系統(tǒng)，計算系統(tǒng)效率％ ;再由優(yōu)化系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制變量X%與實際采集到的電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)一起作為改進隱式廣義預測自校正控制器的輸入量；然后通過反饋校正，修正預測的不確定性，提高系統(tǒng)魯棒性；最后，獲得改進隱式廣義預測自校正控制器的輸出控制量，該控制量通過α階動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)后，實現(xiàn)對后續(xù)空氣壓縮機系統(tǒng)機端電壓和散熱器風機電壓的多工況逆控制。
[0020]采用本發(fā)明的大功率機車PEMFC最優(yōu)效率控制系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點:[0021](I)本發(fā)明根據(jù)大功率機車PEMFC系統(tǒng)效率的運行特征，通過三維曲面模型分析，獲得電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)的最優(yōu)化運行邊界條件，再在建立在線辨識系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)的基礎上，獲得最優(yōu)控制變量，進而實現(xiàn)大功率機車PEMFC系統(tǒng)最優(yōu)效率的優(yōu)化求解，為基于最優(yōu)效率策略的控制系統(tǒng)設計奠定基礎。
[0022](2)本發(fā)明針對傳統(tǒng)PEMFC效率控制方法過于依賴精確的系統(tǒng)數(shù)學模型、實際應用中易受擾動、噪聲及不確定性等因素影響的局限性，提出一種基于最優(yōu)效率策略的大功率機車PEMFC系統(tǒng)多工況預測逆控制方法，通過基于α階動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)的多工況逆控制方法和基于改進隱式廣義預測自校正的預測逆控制方法的結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)在存在干擾、噪聲及不確定性情況下，對系統(tǒng)效率的最優(yōu)化控制。
[0023]【專利附圖】

【附圖說明】如下:
[0024]圖1為機車PEMFC系統(tǒng)效率的總控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為基于最優(yōu)效率策略的多工況預測逆控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明方法的過程流程圖。
[0027]圖4a為凈輸出電流Inet在300s內(nèi)從100A到300A的大范圍內(nèi)進行連續(xù)階躍擾動變化曲線圖。圖4b為在第一種過程控制仿真實驗(標稱條件)中的系統(tǒng)效率響應曲線。圖4c為在第二種過程控制仿真實驗(含擾動和噪聲條件)中的系統(tǒng)效率響應曲線。
【具體實施方式】
[0028]本發(fā)明的具體實施過程詳述如下。
[0029]首先，分析機車PEMFC系統(tǒng)最優(yōu)效率的運行特征和確定約束運行邊界條件。根據(jù)150kff Ballard HD6系統(tǒng)的試驗測試數(shù)據(jù)，建立三維曲面模型，分析基于電堆運行溫度、空氣過量系數(shù)和負載電流之間的系統(tǒng)效率最優(yōu)化運行特征。然后根據(jù)分析結(jié)果，獲得電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)的約束運行邊界條件[λ_，λ?χ]和[Τ-，Τ_]。
[0030]然后，根據(jù)不同運行工況條件，建立機車PEMFC系統(tǒng)的在線辨識系統(tǒng)。由于實際運行中存在不可測擾動，要實現(xiàn)機車PEMFC系統(tǒng)的最優(yōu)效率跟蹤，必須建立高效、可靠的在線辨識系統(tǒng)。該系統(tǒng)由在線數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和在線參數(shù)估計子系統(tǒng)組成。
[0031]其中，在線數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)在不同工況下，實現(xiàn)時變系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)處理和存儲。本發(fā)明采用模糊C-均值聚類算法，剔除噪聲數(shù)據(jù)和重復數(shù)據(jù)，加快后續(xù)在線參數(shù)估計系統(tǒng)的計算速度；在線參數(shù)估計子系統(tǒng)根據(jù)在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)估計，建立參數(shù)化辨識系統(tǒng)，為后續(xù)的效率優(yōu)化奠定基礎。式(I)所示為系統(tǒng)效率計算方程，其中Htl為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的系統(tǒng)效率，λ ^為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的空氣過量系數(shù)，Ttl為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的電堆運行溫度，識為待辨識參數(shù)，Inet為系統(tǒng)凈輸出電流。
[0032]
【權(quán)利要求】
1.機車質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)最優(yōu)效率控制方法，包含如下主要步驟: 1)首先根據(jù)150kwBallard HD6系統(tǒng)的試驗測試數(shù)據(jù)，建立三維曲面模型，分析基于電堆運行溫度、空氣過量系數(shù)和負載電流之間的機車質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC系統(tǒng)效率最優(yōu)化運行特征；然后根據(jù)分析結(jié)果，獲得電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)的約束運行邊界條件； 2)根據(jù)不同運行工況，建立基于在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和在線參數(shù)估計子系統(tǒng)的機車PEMFC系統(tǒng)在線辨識系統(tǒng)；該在線數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)在不同工況下，實現(xiàn)時變系統(tǒng)的冗余數(shù)據(jù)處理和存儲；在線參數(shù)估計子系統(tǒng)根據(jù)在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)估計，建立參數(shù)化辨識系統(tǒng)；式(I)所示為系統(tǒng)效率計算方程，其中Htl為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的系統(tǒng)效率，λ ^為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的空氣過量系數(shù)，T0為在線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)處理后的電堆運行溫度，爐為待辨識參數(shù)，Inet為系統(tǒng)凈輸出電流；"丨=?、，Ψ，L)⑴ 3)建立基于高速群體智能優(yōu)化算法的優(yōu)化系統(tǒng)；設計目標函數(shù)F，如式(2)所示，其中Jlr為HD6最優(yōu)參考效率，Χ=[λ0, T0]為控制變量，Q和R為罰因子矩陣； F = f2(X, n0, nr,Q,R) (2) 根據(jù)式(I)和(2)，在k時刻求解如式(3)所示的最小化問題，獲得最優(yōu)控制變量X* ； X*(k) = min F(X(k), n0(k)) (3) 其中，最優(yōu)控制變量的約束邊界條件為λ廣≤A0(k) ^ λ -,T0min^ T0(k) ^ T0max ； 4)基于最優(yōu)效率策略的機車PEMFC系統(tǒng)多工況預測逆控制，實現(xiàn)系統(tǒng)效率最優(yōu)化，包括以下手段: A、基于α階動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)的多工況逆控制方法，將整個工作區(qū)間根據(jù)最優(yōu)效率的運行特征約束范圍，劃分為不同的子空間，構(gòu)造全局運行區(qū)間內(nèi)的多工況α階動態(tài)逆系統(tǒng)，再與原不同工況子系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)，實現(xiàn)機車PEMFC系統(tǒng)的全局運行區(qū)間動態(tài)解耦，并按照大、中、小三個工況區(qū)間對全局運行空間進行分層；式(4)中，V1和V2是改進隱式廣義預測自校正預測控制器的輸出變量，U1和U2是α階動態(tài)逆系統(tǒng)的輸出變量，即空氣壓縮機系統(tǒng)機端控制電壓和散熱器風機控制電壓；
(U1, U2) = Ψ (V1, V2, Inet) (4) B、基于改進隱式廣義預測自校正的逆控制，采用滾動優(yōu)化，反復在線對控制目標函數(shù)在每個時刻進行優(yōu)化，并根據(jù)并列預測器參數(shù)矩陣，設計最優(yōu)控制律；然后，通過采集在某運行工況下的系統(tǒng)凈輸出電流、空氣過量系數(shù)、電堆運行溫度，建立在線辨識系統(tǒng)，計算系統(tǒng)效率％ ;再由優(yōu)化系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制變量X%與實際采集到的電堆運行溫度和空氣過量系數(shù)一起作為改進隱式廣義預測自校正控制器的輸入量；然后通過反饋校正，修正預測的不確定性，提高系統(tǒng)魯棒性；最后，獲得改進隱式廣義預測自校正控制器的輸出控制量，該控制量通過α階動態(tài)偽線性復合系統(tǒng)后，實現(xiàn)對后續(xù)空氣壓縮機系統(tǒng)機端電壓和散熱器風機電壓的多工況逆控制。
【文檔編號】G06F17/50GK103700871SQ201310676416
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月7日
【發(fā)明者】李奇, 陳維榮, 劉志祥, 戴朝華, 張雪霞, 郭愛, 劉述奎 申請人:西南交通大學, 成都瑞頂特科技實業(yè)有限