燃料电池电力系统控制

國立成功大學航空太空工程學系碩士論文燃料電池電力系統控制ElectricalPowerControlofFuelCellSystems研究生：唐伯煒Student:Po-WeiTang指導教授：陳介力Advisor:Chieh-LiChenDepartmentofAeronauticsandAstronauticsNationalChengKungUniversityTainan,Taiwan,R.O.C.DissertationforMasterofScienceJune2009中華民國九十八年六月I摘要利用燃料電池之特性方程式，模擬出不同參數條件下之特性曲線圖，並由燃料電池的特性曲線，可看出為非線性系統，而控制非線性系統的方式有很多種，對於同樣一個系統，若是設計的目標不同，所選用的控制方法也會不同。本文定義目標函數為VPS∂∂=，藉由控制直流對直流升壓式轉換器之開關比，在不需給予任何參考電壓值之情況下，使系統輸出最大功率，經由模擬在不同的操作條件下，系統運作仍保有穩定性與強健性。本文利用極值搜索控制和所使用控制器做比較，在同樣不需要給予任何參考值的情況下，使用相同之系統參數，觀察其追蹤最大功率點之性能，再利用系統參數之變異，比較兩種控制方法的相異之處，並且利用系統參數上的變化，觀察兩種控制法則對系統之強健性。IIAbstractDuetothenonlinearcharacteristicoffuelcells,itisveryimportanttoimplementamaximumpowerpointtrackingcontrollerforpracticalapplications.Inthisdissertation,thecontrollerisappliedtomanipulatethedutycycleofDC-DCboostconverter.Basedonthemodelsoffuelcellandconverter,thenumericalstudiesofmaximumpowerpointtrackingcontrollerforfuelcellareillustrated.Theresultsdemonstratethestabilityoftheproposedcontrolsystemanditsrobustnesstooperationalenvironmentchangesandloadvariations.Differenttotheexistingapproaches,nodesiredreferencevoltagevalueisrequiredinthisproposedmethod.III誌謝在碩士生涯中，感謝指導教授陳介力老師兩年來的教導，無論是在課業、人生經歷或生活哲學上，都樂意與我們分享，並且給予專業的意見。休閒上，更是身體力行的帶著我們體驗單車世界和園藝生活，不僅讓我在學業上的研究有所成果，待人處事上也有一番新的見解，使我受益匪淺，在此對老師獻上最誠摯的感謝。感謝口試委員董必正老師、王國禎老師、黃漢邦老師和陳永平老師所提出的寶貴意見，並且給予專業的建議，使得本論文更加完善。感謝學長凱笙和崇瑋在控制領域上的教導，讓我可以更快的投入研究之中，感謝學長東晉在程式方面的大力協助與細心解說，感謝學長敦瀚、瑋翔在課業上的幫助，減輕修課的壓力，也感謝學長崇禮、兆仲、浩偉、彥法、文傑、育宏、建偉和彥智在生活上的幫助，同學玉琦在做論文時的砥礪與加油，學弟妹家緯、薇文、國鑫和榮茂為研究室注入的活力與歡樂，讓我可以在開心的環境下做研究。在這氣氛融洽、學風嚴謹的研究室下學習，不僅讓我得到了很多學術上的專業知識，也讓我獲得了許多開心的感覺，是我最寶貴的學生回憶。感謝我的父母和家人在求學期間給予的鼓勵與支持，讓我可以專心於課業上，以及女友雁棨的扶持與包容，讓我可以有信心的完成碩士生涯，最後感謝所有關心我的好友們，謝謝大家。IV目錄摘要........................................................................................................................IAbstract.................................................................................................................II誌謝.....................................................................................................................III目錄.....................................................................................................................IV表目錄.................................................................................................................VI圖目錄...............................................................................................................VII符號表.................................................................................................................IX第一章緒論......................................................................................................11.1前言......................................................................................................11.2文獻回顧..............................................................................................21.3本文架構..............................................................................................4第二章燃料電池電力系統介紹.......................................................................52.1燃料電池早期發展..............................................................................52.2燃料電池基本原理..............................................................................52.3燃料電池種類......................................................................................72.4質子交換膜燃料電池構造..................................................................92.5質子交換膜燃料電池數學模型........................................................102.6電力控制系統架構............................................................................18第三章控制器設計........................................................................................223.1最大功率點追蹤控制器設計............................................................223.1.1最大功率點追蹤介紹.............................................................223.1.2最大功率點追蹤控制器設計.................................................24V第四章最大功率點追蹤模擬與討論............................................................294.1加入控制之模擬結果.........................................................................294.2本文控制器與極值搜索控制之比較................................................384.2.1極值搜索控制介紹.................................................................384.2.2本文控制與極值搜索控制之模擬比較.................................39第五章結論與未來展望.................................................................................535.1結論....................................................................................................535.2未來展望............................................................................................54參考文獻.............................................................................................................55自述.....................................................................................................................57VI表目錄表2.1燃料電池之種類與差異.........................................................................8表2.2系統參數...............................................................................................13表4.1系統固定參數..........................................