引入自监督机制的燃料电池水管理系统健康状态检测方法

为保证质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)运行过程中的安全性和平稳性,该文提出一种引入自监督机制的燃料电池水管理系统健康状态检测方法。该方法的计算网络引入自监督机制挖掘数据特征,具体通过堆叠两层稀疏收缩自编码器(sparse contractive autoencoder,SCAE)实现功能。该自编码网络以逐层贪婪训练的方式完成参数初始化,避免因初值取值不佳使得网络参数训练陷入局部最优解。同时,改进的自编码网络也能有效避免模型过拟合,从而达到良好的特征提取效果。用Softmax分类器替换最后一个自编码器的输出层,然后运用Adadelta算法进行基于自适应学习率的自编码网络权值微调,从而完成系统识别网络的搭建。该算法根据梯度动态调节学习率大小,使得网络权值快速逼近符合数据特点的最佳取值。实验结果表明,该方法能快速准确地识别PEMFC正常、水淹和膜干3种状态,检测正确率高达98.5%,检测时间为3.24s。与线性判别分析-概率神经网络(linear discriminant analysis-probabilistic neural network,LDAPNN)、稀疏自编码器-支持向量机(sparse autoencodersupport vector machine,SAE-SVM)和主成分分析-向后传播神经网络(principal component analysis-backpropagation neural network,PCA-BPNN)方法相比,所提方法计算时间分别减少3.08、5.38和7.15s,准确率分别提高7.92、25.08和9.08%。普适性验证表明,该方法对于多节电池的健康状态检测同样适用。

PEMFC发电系统FFRLS在线辨识和实时最优温度广义预测控制方法

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发电系统是21世纪最有前景的发电技术之一。针对空冷型PEMFC发电系统工作温度对输出性能影响问题,该文通过理论分析和实验手段研究发电系统输出性能的最优特性。根据空冷型PEMFC发电系统温度控制对象所具有的非线性、迟滞、时变等特点,提出基于FFRLS在线辨识的PEMFC发电系统实时最优温度广义预测控制。其中,FFRLS在线辨识算法用于对非线性控制对象进行建模和在线校正。在搭建的空冷型PEMFC测控实验平台上,通过实验研究控制器参数对于系统性能的影响。阶跃响应实验结果表明:提出的控制方法能够在不同负载条件下实现对电堆最优温度进行实时跟踪。与常规PID控制比较,系统的超调量减少了约32.3%,发电系统输出功率更平稳,有利于发电系统的长期稳定运行,延长电堆的使用寿命。

基于灰色预测的空冷型PEMFC发电系统实时最优温度无模型自适应控制

空冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电系统的输出性能受工作温度、气体流速、尾气排放间隔等操作参数的影响,其中工作温度是影响输出性能的关键因素。针对空冷型PEMFC发电系统温度控制所具有的非线性、时滞、慢时变等复杂特性,提出基于灰色预测的无模型自适应控制方法实现实时最优温度控制。该方法将灰色预测的结果代替发电系统当前工作温度测量值。实验结果表明:所提方法能够在不同负载条件下实现对发电系统最优温度进行实时跟踪。与增量式PID控制相比,所提方法有效减小了系统的超调,使发电系统输出功率更平稳,有利于发电系统的长期稳定运行,延长电堆的使用寿命。且所提方法仅根据PEMFC输入输出数据在线对控制器进行调整,对PEMFC参数不敏感,可应用于类似空冷型PEMFC发电系统。

空冷型PEMFC发电系统实时最优温度自适应逆控制

针对空冷型PEMFC发电系统工作温度对输出性能影响问题,通过实验手段研究工作温度对系统输出性能的最优特性。由于空冷型PEMFC发电系统温度控制对象所具有的非线性、时变等特点,提出基于自适应逆控制的空冷型PEMFC发电系统实时最优温度控制。其中,递推最小二乘在线辨识算法用于对非线性控制对象进行建模和在线校正,最小均方算法用于在线调整逆控制器的参数。在搭建的空冷型PEMFC发电系统测控实验平台上对控制方法的性能进行验证。实验结果表明:提出的控制方法能够在不同负载条件下实现对电堆最优温度实时跟踪。而且,提出的控制方法对PEMFC参数不敏感,可以应用于类似的空冷型PEMFC发电系统。

基于扩张状态观测器的PEMFC发电系统串级滑模控制方法

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发电系统过氧比(oxygen excess ratio,OER)控制过程中存在强非线性、不确定性以及外部干扰,对系统的稳定高效运行提出挑战。提出一种基于扩张状态观测器(extended state observer, ESO)的串级滑模控制(cascade sliding mode control,CSMC)方法。该控制方法采用双环控制策略,控制内环为基于ESO的等速趋近律滑模算法,其中ESO用于实现系统总扰动的实时观测与反馈补偿;外环为在一定系统边界下快速收敛的Super-twisting滑模算法。最后,在RT-LAB半实物平台上,考虑扰动及参数摄动,对所提出的CSMC方法进行对比实验。实验结果表明,所提出的控制方法不仅具有更快的响应速度及更小超调量,而且能够更好地抑制外部扰动及内部不确定性的影响,表现出更强的抗扰能力和鲁棒性。

基于多阶滑模观测器的PEMFC发电系统输出净功率优化控制方法

为解决质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统空气压缩机寄生损耗与快速供给空气流量之间的关联耦合问题,并实现系统净功率提升及其波动率抑制,提出一种基于多阶滑模观测器(multi-order sliding mode observe,MOSMO)的净功率优化控制方法(net power optimization control method,NPOCM)。该方法是根据净功率、氧饱和度、负载电流的关联关系求解氧饱和度的最优运行轨迹,利用MOSMO和准连续高阶滑模(quasi-continuous higher order sliding mode,QCHOSM)实现对净功率的优化控制。其中MOSMO使用非线性高增益反馈的滑模算法使内部不可直接测变量在误差范围内迅速跟随系统实际值,实现氧饱和度的准确估计。QCHOSM算法通过对虚拟控制量(即实际控制量的导数或高阶导数)积分作用得到系统控制量在时间呈连续状态,有效减弱了不连续的高频控制切换项给被控对象带来的不利"抖振"现象,使氧饱和度响应速度快,超调小,加快氧饱和度的动态响应。最后,在RT-Lab半实物平台上进行对比试验验证,证明了所提出的NPOCM方法能够有效提高系统净功率和"削弱"系统抖振,且在抗扰动性、调节时间、超调量方面均具有较好的优越性。

基于最大净功率的PEMFC系统过氧比分层控制

水冷型质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)系统净输出功率与过氧比(oxygen excess ratio,OER)之间存在非线性、强耦合性的特点,因此,该文提出过氧比分层控制方法,用于PEMFC系统过氧比的寻优和控制。首先,基于离线+在线的过氧比寻优算法作为PEMFC最大净功率过氧比控制的上层控制,基于超螺旋滑模控制算法的反馈控制作为PEMFC最大净功率过氧比控制的下层控制,用以代替传统的PID反馈控制。利用李雅普诺夫函数,证明滑模控制作用下闭环系统的稳定性。搭建RT-LAB实时仿真平台,开展PEMFC系统实时仿真。结果表明,所提出的控制方法能够根据PEMFC系统净功率的实时变化而自动进行过氧比寻优控制,并在负载电流动态变化的情况下,满足净功率最大的性能指标要求,提高系统的运行效率。

基于PFDL的阴极开放式PEMFC系统无模型自适应预测控制

为使得阴极开放式质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)的运行保持最优输出性能,提出一种基于偏格式动态线性化的无模型自适应预测控制策略,实现电堆的性能优化。通过偏格式动态线性化的方法,将阴极开放式PEMFC这一非线性时变系统等价转换为动态线性化数据模型,继而实现对非线性控制对象的控制。在搭建的测控平台上进行实验,验证动态线性化数学模型的正确性以及控制策略的可靠性。通过与传统的PID控制策略对比,所提出的控制策略能够快速准确地使电堆输出较高的功率,证明了该控制策略具有优越性同时使得系统具有较好的动态性能,有利于质子交换膜燃料电池的长远稳定运行。

燃料电池系统在线辨识和实时最大效率滑模控制方法

为保证燃料电池系统在负载工况变化条件下仍能无扰动地运行在最大效率点,提出一种基于遗忘因子递推最小二乘(forgetting factor recursive least square,FFRLS)在线辨识和Super-Twisting滑模算法的燃料电池系统实时最大效率跟踪方法。该方法基于非线性曲线拟合原理,根据系统实时测量数据,在单位控制周期内实现对燃料电池最大效率点功率的实时估计。采用Super-Twisting滑模算法,保证燃料电池系统在负载工况变化情况下仍能运行在最大效率点。在搭建的测试平台上,开展了多指标性能测试与对比分析。实验结果表明,与扰动观测(perturb and observe,P&O)算法相比,所提出的方法优势更加明显。另外,针对燃料电池输出存在大扰动问题,与PID控制效果进行了对比实验。实验结果显示:Super-Twisting滑模控制变换器在输入电压大扰动下具有较强的鲁棒性,有利于燃料电池系统长期稳定运行。

基于安全运行区域约束的PEMFC发电系统效率优化控制方法

为解决质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)发电系统空压机损耗与空气供应量之间的强耦合问题,并实现系统高效率可靠运行,提出一种基于安全运行区域约束的PEMFC系统效率优化控制方法(efficiency optimization control,EOCM)。该方法通过分析空压机固有特性和系统运行的边界条件得到PEMFC系统安全运行区域,基于此区域约束进行系统效率特性分析,得到PEMFC系统的最优效率运行轨迹,采用扰动估计滑模控制(disturbance estimation sliding mode control,DE-SMC)实现对系统效率的优化控制。其中安全运行区域可以避免空压机出现喘振现象,使系统工作在安全稳定区域内。在搭建的半实物平台上进行测试验证,结果表明:安全运行区域约束可以有效抑制过氧比的波动,保证系统稳定输出。在不同工况下,提出的EOCM可以较好地提升系统效率,降低超调量和调节时间,在参数扰动下仍能快速跟踪到最优效率,并保证PEMFC系统高效率、可靠运行。

双馈感应电机实现电网谐波补偿策略

为实现对电网中非线性负载产生的谐波进行补偿,保证电力系统安全稳定运行,提出一种基于双馈感应电机DFIG(doubly-fed induction generator)的电网谐波补偿策略。采用多重参考系MRF(multiple reference frames)理论对电网中由非线性负载产生的谐波进行检测,并在建立的DFIG数学模型的基础上,对基于DFIG的电网谐波补偿策略进行理论分析。在Matlab/Simulink仿真环境下对提出的谐波补偿策略进行仿真验证。仿真结果表明,所提出的谐波补偿策略有效地实现对电网中的谐波进行补偿,提高了电力系统的安全稳定性。