PEM燃料电池独立系统的模糊PID控制外文翻译资料

 2022-10-27 10:10

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摘要：燃料电池（FC）系统作为替代能源用于独立应用是合适的候选。但是，它产生的未经调节电压是唯一不适用于独立应用的。本文提出了基于模糊PID（FPID）控制器的独立应用的控制方式。文章旨在设计和控制一种由DC/DC转换器和DC/AC逆变器组成的合适的功率调节器。此外，针对单相逆变器，还完成了基于模糊PID控制器串级结构的分析，两个反馈控制回路也包括在内，测量电感电流和电容电压并通过反馈各自传递至内环和外环。而为了评估所提出的控制器鲁棒性，功率调节器承受阶跃载荷作为干扰。最后，结果表明该控制器有良好的鲁棒性和瞬态响应。

关键词：独立系统；PEM燃料电池；模糊PID；功率调节器

1引言

在过去的几十年里，生产电力的传统方法，譬如燃烧化石燃料，造成了破坏性的环境影响。举例来说，它使得温室气体排放量增加进而导致全球变暖。现如今，燃料电池技术被认为是其他能源的一种合适替代品。质子交换膜燃料电池（PEMFC）与其他种类燃料电池相比具有许多的优点：低温、高功率密度及快速响应特性。然而，PEMFC的高成本、低可靠性和寿命短等缺点仍然限制了它们在实际生产实践中的广泛应用。大量的燃料电池系统安装在世界各地的发电站中，用于医院、宾馆、写字楼、学校、甚至机场候机楼的供电。就提供静态功率而言，PEM燃料电池属于一种良好的能量来源，但是他们不能快速响应负载的变化。燃料电池的主要缺点就是负载电流的变化和极端负载变动引起的电压波动和功率问题。而这个问题可以通过使用合适的功率转换器和控制策略解决。

燃料电池拥有众多的应用，例如用于独立和并网。为了使其有效应用，还需要功率变换器来处理燃料电池的初始输出功率。调节器的目的就是去调整燃料电池的电功率来匹配应用的电力需求。近年来，针对PEMFC系统应用提出了一些控制策略，诸如反馈线性化，滑模控制等。为了评估独立应用PEMFC系统的关键状态，还提出了一些观测器策略，比如Host观测器。对于所有以上的方法，燃料电池是作为独立应用来进行控制和研究的。

功率变换器可能具有一个DC/DC转换器去提升直流输出电压，或者DC/DC转换器和DC/AC单相逆变器。DC/DC变换器用于需要平均的输出电压的应用。它的输出值可以比输入电压值更高或者更低。

固定式燃料电池系统的单相逆变器已经应用于世界各地，广泛应用于针对临界负载的备用发电机组，比如在医院，宾馆，写字楼，学校，发电厂，甚至机场候机楼及通信系统中的计算机和生命支撑系统。以往的关于逆变器控制的研究总结如下所列：

在2012年，刘等人为了改善小型风力发电系统能量转换的可靠性和效率，针对其中的具有高频环节的单相正弦逆变器，提出并设计了一种模糊自整定PID控制器。

在早先的研究中，还有许多产生较低总谐波失真（THD）及快速动态响应的纯正弦输出电压控制技术。起始阶段，先是提出了一种用于单相逆变器的PID常规控制器。然后大量的针对离散时间且使用微控制器的低成本方法，比如滑膜控制和基于无差拍的控制，得以设计来增加逆变器的系统功能。此外，还有各种已经发表的适用于逆变器控制系统的方法，包括神经网络和模糊逻辑。

应用离散方法，比如滑膜、滑膜控制和基于无差拍的控制，处理缺乏确定性的情况，但是问题又会在硬件操作过程中发生。

然而，早期的研究已经对DC/DC转换器进行了测试，从中可以注意到，ON-OFF过程允许他们有功率转换器。因为ON-OFF是功率变换器唯一可接受的操作模式，因此，从离散控制的观点来看，滑模是一种用于监测电流和电压的方便工具。在功率转换器中，因高开关频率引起热损失的控制领域颤振现象是滑模控制实现的主要障碍。另一种控制方法，即无差拍控制可用于数字系统。一些学者采取这种方法作为扩展滑模在离散时间系统中应用的方式。

现在，常规的的PI和PID方法广泛使用于世界范围内接近90%的工业控制环节中，促进了该方法的贯彻。不过，传统PID控制器对于包含时滞、显著振荡、参数不确定性和干扰等现象的复杂控制过程往往是无能为力的。采用常规PI和PID控制器的必要条件是调节参数及附加其它功能，包括抗饱和、前馈控制和设定值滤波。

模糊控制是一种智能、经济的非线性控制。PID和模糊控制策略的组合意味着PID控制也将拥有非线性的特征。通过弥补PID增益不能做到很好的地方，模糊控制策略更能提高传统PID控制的性能。在参数不确定和受到干扰的系统运行过程中，模糊自组织控制器可以实时调整PID增益，改进过程的输出响应并作为自适应PID进行控制。

本次研究的目的是建立一个独立的应用模型，它由作为主要能量来源的PEMFC，DC/DC升压转换器和电压源DC/AC逆变器组成。PEMFC的输出电压是未经调节的直流电压，它将随着负载变化而波动。在无负载时，燃料电池的输出电压是最高的，随着电流的增加，输出电压逐渐减小。将燃料电池构建为主要的且不经调节的150V直流输入源。DC/DC升压变换器用于调节PEM燃料电池系统的输出电压至215伏。 它由一个完成升压功能的模糊PID反馈控制器控制。DC/DC升压转换器的输出电压被馈送到逆变器的直流侧，以便产生用于电网连接的直流电流和电压。

单相逆变器的控制结构由两个环路组成并将其布置成级联结构。该控制结构包括两个环路，电感电流作为内环，输出电压作为外部反馈环路，从而形成级联控制器。控制规则以电流模式模糊PID控制器的设计为依据。

模糊PID控制策略经设计用于本次研究中的DC/DC转换器和DC/AC变换器两个系统。模糊PID控制是一种智能、非线性和鲁棒控制，通过在线实时调整PID增益来改善传统PID的性能。模糊自组织控制器（模糊PID）是一种鲁棒控制器，在伴随有参数变化和负载扰动的系统运行过程中，改善了过程输出响应。而且所提出的模糊PID控制器能够随着负载的变化自动改变，和的增益。

本文提出了一种由作为主要能量源的燃料电池和电压源逆变器组成的独立系统，其使用模糊PID控制器来产生高品质的正弦输出电压，并且还提出了一种利用模糊PID控制器的控制策略，适用于DC/DC升压转换器。所提出的单相逆变器适用于住宅发电，特别是用于独立的应用。这种控制技术也具有很强的鲁棒性，出色的动态和静态特性。

本文组织结构如下：“PEM燃料电池动态模型”部分提出了PEM的动态模型。“功率变换器（PCU）”部分介绍了功率变换器（PCU）的结构。DC/DC转换器的设计和控制方法是在“DC / DC升压转换器”部分中阐述的。AC/DC逆变器的设计和控制在章节“单相逆变器DC/AC”中呈现。“模糊逻辑控制”部分提出了模糊控制的设计与实现。用来验证设计的仿真结果于“仿真”部分展示说明。最后，总结部分提出了一些结论。

2 PEM燃料电池动态模型

在文献[19-21]中提出的PEMFC的模型经修改后用于本次研究。当前的PEMFC的模型根据输出电压和氧气、氢气及水蒸气分压之间的关系建立。是氢气的摩尔流量（mol/s）。通过气阀的氢气摩尔流量和它的分压之间的关系表示如下：

其中和分别代表阳极阀系数和氢气摩尔质量。氢气摩尔流量的三个重要的因素：氢气输入流量，氢气输出流量及反应掉的氢气流量[20,21]。这些因素之间的关系如下式：

其中，是阳极侧的体积。文献[19,20]根据基本的电化学关系给出了氢气反应流量和燃料电池电流之间的关系式：

其中是建模常数。通过对方程（1）和（3）进行拉普拉斯变换，给出了氢气分压的域关系式如下 [19,20]：

其中

类似地，氧气分压和水分压也可以计算出来。PEM燃料电池在反应生成液态水时的理想标准电势是1.229 V（25和1大气压）。而因为在燃料电池系统中存在不可逆的电压损失，燃料电池的实际电势随平衡电势的降低而下降。在实际燃料电池中有一些因素会导致不可逆损失。这些通常被称为极化过电压的损失有三个来源，活化极化、欧姆极化和浓差极化[5,22,23]。这些损失导致燃料电池电压低于理想电势：

热力学电势E根据Nernst方程的展开式定义为：

活化过电压、内阻和浓度的参数方程如下。

活化过电压

这种损失是由发生在电极表面上的反应减慢而引起的。

欧姆过电压

这类电压降是直线前进运动阻碍电子流通过电极和各种互连的材料。

浓度差过电压

这类电压降是由于在电极表面上作为燃料的反应物的浓度变化造成的结果。

综合考虑热力学，质量传递动力学和欧姆电阻的作用，确定电池的输出电压为[5,22-24]：

燃料电池堆由多个电池串联，以增加燃料电池的输出电压。在以下式子中，是串联电池的数目。燃料电池堆的电压描述为：

PEM燃料电池的具体特性如表1所示。在本次研究中所使用的PEMFC模型参数如表2。图1表示PEMFC的模型，将其建立为一个可变电压源，然后集成到整个系统模型中。

表1 PEMFC特定参数

表2 燃料电池系统模型参数

图1 PEM燃料电池系统动态模型

3 功率调节器（PCU）

功率调节器为不同应用将初始功率转换成可用功率。调节系统提供与应用匹配的经过调整的直流电压或者交流电压。

燃料电池的输出直流电压未经调节，那么对于实际应用而言就要进行改善。功率调节器控制频率并保持谐波在可接受的水平。调节系统将初始功率转换成可用的功率，适合于任一应用。整体结构将包括一个升压器，紧接着一个DC/AC逆变器，系统逆变器作为DC/DC升压转换器的负载。燃料电池电压的输出值原先是不受控制的直流电压，通过升压转换器将其转换为一个受控的直流电压，滤波后得到的电压连接到DC/AC逆变器上。

在PCU中，升压转换器与逆变器和FC连接。为了与负载协调一致，PCU将需要从燃料电池牵引电流。具有良好清晰脉动的负载电流由频率、电感大小和占空比来确定。此外，逆变器与FC及系统电网连接，建立了具有合适频率相位和幅度的电压/电流网络。

图2表示了含有DC/DC升压转换器和DC/AC逆变器的PCU的结构。在图2中有中间阶段，包括滤波器，它的作用是谐波抑制DC/DC转换器和DC/AC 逆变器的输出中不需要的电流和电压。从逆变器获得的功率被注入到电网中，逆变器充当一个电网接口。在DC/DC转换器之后系统可以用作为固定系统（独立）。

图2 功率调节器结构

PCU各环节

FC的输出电压是一个未稳压的直流电压，其随着负载的变化而变化。然后升压转换器将其变为可控的直流电压。经过对变换器所得电压滤波之后，才能说从变换器获得的DC/AC功率可被送入到电网中。此时逆变器充当电网接口。在图3中，功率调节器与控制策略相结合，有两个独立的控制回路来控制DC/DC转换器和DC/AC逆变器。

图3 含控制策略PCU方框图

PCU控制策略

如图4所示，系统中有两个独立的模糊PID回路分别用于DC/DC转换器控制和DC/AC逆变器控制。脉宽调制技术应用在升压转换器中，与此同时正弦脉宽调制技术应用在逆变器中。在DC/DC转换器中第一个模糊PID控制器用来生成FC未调节电压，而第二个模糊自适应PID控制器用于DC/AC逆变器。

图4 DC/DC转换器控制和DC/AC逆变器控制策略

4 DC/DC升压转换器

观察极化曲线可以看出，电流增加，FC电压将会减小，所以未经调节的端电压不能直接连接到DC总线上，也不能使用于固定式应用（独立）和住宅的DC/AC逆变器。因此，在转换器的设计中，燃料电池堆用于线性工作区域（由于内部元件的电阻），因为在非线性区域使用燃料电池会破坏电解质膜组件（MEA），即不能在非线性燃料电池的领域中使用。图5表示一个DC/DC升压转换器的闭环系统。在具有高频开关占空比的升压转换器中，未调节电压转换为期望整定电压，并且将降低电压值大小和节能成本。

图5 含反馈的DC/DC升压转换器结构

DC/DC升压转换器的模糊逻辑控制策略

DC/DC升压转换器的控制框图如图6。升压转换器的电压和直流参考电压进行比较，产生误差信号和误差变化。误差和误差变化作为输入回馈给模糊逻辑控制器（FLC）。FLC PID根据输入的信号和模糊推理机中的规则库产生控制信号。FLPID将会改变占空比以达到DC/DC转换器输出所需的电压。占空比的改变与脉冲宽度调制（PWM）改变一致，其脉冲由PWM发生器馈送到在DC/DC转换器电路中的开关。图7表示升压转换器的控制回路的框图。在图7中PWM发生器框图用红线标记，而在图8中表示了PWM发生器模块的细节。

图6 升压转换器控制方案

图7 升压控制回路方框图

图8 PWM模块细节

5 单相DC/AC逆变器

在电力设备诸如不间断电源（UPS）、感应电机驱动器及自动电压调节器（AVR）中，逆变器对于将直流电转换成交流

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