氢燃料电池系统的跟踪控制在零排放渡口船只

文摘

一个多世纪以来,传统海洋船舶飞溅大气CO₂排放和有害粒子当由柴油发动机/发电机。燃料电池最近成为一个最有前途的零排放技术的船舶推进系统的电气化。在燃料细胞船舶电气化,整个船舶电力系统被视为直流电(DC)微型智能电网" (MG)和恒功率负载(cpl)。这种设置的挑战是如何稳定船舶电网的电压和电流。在本文中,我们提出一个新的修改往后退控制器稳定MG的电压和电流。最后,研究我们的建议的性能和效率,我们运行一个实验模拟使用dSPACE实时模拟器。

1。介绍

如今,空气排放(如二氧化碳(有限公司₂)和二氧化硫气体)正在改变世界各地的栖息地。大的部分燃烧这些空气排放源自不同的形式的燃料汽车、船只和飞机。根据国际海事组织(IMO),巨大的海洋运输系统流到海洋世界有限公司占全球的2%₂发射。不过,船只扮演了一个重要的角色在国际贸易体系,提供职业和运输以及支持离岸企业喜欢钓鱼(1- - - - - -4]。

尽管海洋船舶排放没有被认为是在《京都议定书》,第一世界国家已制定了严格的规则。例如,欧盟(EU)应用严格的规则来控制和监测二氧化硫排放只敏感的海洋区域,包含波罗的海地区和西欧。在上述区域,海洋船舶的燃料利用系统不应该包含硫0.1%以上。但是,大多数船舶燃料,这个值是1%以上。因此,发展替代可再生能源供应的重要性已成为海洋船舶推进的一个重要问题(5,6]。

最有前途的可再生能源技术之一,可以用于船用动力系统,燃料电池(FC)系统(7]。FCs,不同的储能设备,利用外部的氢气和氧气供应发电和工作只要氢气和氧气源持续(8,9]。FCs的主要优势,导致他们是最好的替代船用动力来源,是他们伟大的电力生产密度、效率、可靠性和耐久性(1]。一般来说,一个氢燃料电池氢和氧(或空气)转换成直流电源。在实践中,燃料电池在大多数固定和移动车辆应用程序与其他电力电子设备(如直流/直流提升转换器)来提高整个系统的性能和可靠性,也准确地调节输出电压的FC (10]。很少有成功的实现车辆FCs (7)和海洋应用程序(9,11,12在过去的几年里。大部分的现有结果FCs使用线性化表示和控制器(13]。为了提高性能,非线性控制方法,如模型预测(14],intelligent-based PID [15),和滑模控制10,16]。然而,与FC海洋电力系统,电力电子设备和负荷可以被视为一种移动直流微型智能电网"与恒功率负载(cpl)。换句话说,FC的特殊DC海上MG被认为是一个分布式发电,和船舶发动机和负载可以视为cpl,每当一个负载管理来保持恒定的输出功率。现在,通过考虑这个特殊的案例研究,需要一个健壮的和高性能的控制器稳定船舶电网的电压和电流,不进行上述方法。

到目前为止,提出了许多不同的方法来减少不利影响的cpl直流海上机动式(17- - - - - -25]。被动阻尼和主动阻尼是两种基本的方法来解决这个问题17]。在被动阻尼电阻,通过增加阻尼电阻的过滤器,可以减轻cpl的破坏性影响。尽管这种技术有一些优势(例如,它是简单而有效的,它产生一个巨大的损耗(10]。另一方面,主动阻尼适用修改后的控制回路,经营一个虚拟电阻(18]。一般来说,在主动阻尼的方法,积极注入电网减少产线的影响(19]。此外,该方法基于小信号模型的主动阻尼只能保证系统稳定操作点附近。在[17,26),提出了模型预测控制器控制变频器的开关函数,它源恒功率负载。然而,根据其计算负担,提出了实时控制方法不是有用的高阶工业应用(27]。在[28),通过控制占空比,新修改的非线性控制器基于滑模技术建议稳定巴克转换器,它源恒功率负载。该方法在14)可以很容易地稳定在任何操作整个系统范围的变化。然而,这种方法需要测量电容器的电流,这是非常昂贵,导致纹波滤波退化和输出阻抗增加29日]。然而,在这些方法中,假定直流源是理想和源电流独立于它的电压。这种假设不适用于海洋由FCs系统。

总之,这项工作研究氢燃料电池系统的自适应跟踪控制海上应用程序。海洋与燃料电池电力系统和电力电子设备可以被视为一个特殊的移动独立直流微型智能电网"与恒功率负载。因此,我们首先研究动态模型的一个特殊的直流MG cpl的船用动力系统通过考虑燃料电池汽车和船。接下来,我们提取整个系统数学模型,应用该控制技术。然后,我们开发一个逐步退焊法非线性控制方法来稳定船舶电网的电压和电流。从控制工程的角度来看,主要的困难,利用燃料细胞船用动力系统的同步控制器的总体结构的燃料电池不属于strict-feedback形式和虚拟控制的输入不是仿射。因此,在本文中,我们提出一种新颖的控制方法来实现直流MG电压和电流的跟踪问题。提出的控制是受传统后退控制器方法。最后,我们应用dSPACE实时仿真器系统探讨海洋应用程序性能和我们的方法的有效性。

2。独立直流海洋微型智能电网"动力学

一般来说,海洋电力系统与燃料电池(如船舶动力的主要来源),电力电子器件(如可再生能源系统的接口),并加载(如汽车和船导航系统)可以看作一种特殊的移动坐落直流微型智能电网"与恒功率负载。图1介绍了海上的一般概念与cpl直流毫克。

在海事系统,一艘恒速的情况下,船舶引擎应该生成一个恒转矩。因此,它应该得到恒功率。然而,在实践中,任何电压波动可能会改变船引擎的力量。这里,本文的概念的测井是利用船舶发动机消耗功率由直流/直流转换器,严格监管和直流总线电压变化不会影响船的速度。除了船引擎,这是假定CPL作为行为,电阻加载的船也通过直流总线连接。因此,燃料电池发电机必须满足测井和电阻负载。证明非线性CPL降解的稳定直流毫克,如果电压和/或电流的直流总线不同平衡系统的操作点,那么整个直流MG将不稳定,导致直流总线电压骤降和战利品CPL的行为。另一方面,燃料电池是一个反应迟缓发电机和直流MG上的任何小扰动不稳定。这个事实显示的必要性的主动控制直流母线电压和燃料电池动力,,保证闭环稳定性和性能。理论上保证稳定性,有必要得到状态方程表示的海上直流毫克。

现在,我们提取的数学模型坐落与cpl提取海洋直流毫克。完全,在本文的特例研究,燃料电池作为主要电源船舶减少化石燃料和空气排放的成本。此外,电力电子器件(如直流/直流提升转换器)是利用燃料电池连接,船引擎,并加载到直流总线链接。图2显示了独立的直流线路图的海洋MG燃料电池和一等兵在这工作,船舶发动机被认为是恒功率负载海洋船舶的速度进行严格的系统通过直流/直流转换器。案例研究基于图的数学模型2可以编写如下(10,30.]:

如图2,质子交换膜燃料电池已应用于本研究将化学能解放的电化学反应中氢和氧电能(31日]。

详细的定义和系统参数的值可以在[10]。的名义值提供了系统的参数表1。控制输入 , ,和有关直流/直流转换器连接到燃料电池和燃料电池的注入氢气和氧气流。这些控制输入将被设计通过应用同步控制部分将对此进行说明3。

3所示。修改控制器往后退

在本节中,我们提出设计往后退的过程控制器。介绍了两个需要引用以来,逐步退焊法设计过程分为两个部分。主要控制目标是操纵稳定电压的DC / DC提高变换器的直流总线对其期望值 。然后用于生成控制信号脉冲宽度调制(PWM)门信号转换器32]。此外,二级目标是操纵燃料电池发电机提供电力负荷。假设直流/直流转换器是理想,不消耗功率,因此,生成的权力应该等于电源的需求。在这里,因为只有CPL被认为是,总电力需求将净CPL瞬时功率之和。不失一般性,考虑一个CPL功率和一个电阻负载 。因此,当前应该跟踪文献[32] ,在哪里 和燃料电池的电压和直流/直流转换器的输入,计算如下(10]:

动态(1)的目标跟踪 。定义错误和变量变化结果

让我们选择控制输入作为 动态(9)将

在接下来的部分,我们的目标是设计的控制输入和这样跟踪 。让 虚拟控制输入(2),和 。因此,

选择 提供了

花时间导数的李雅普诺夫的候选人 随着(13)的结果

在下一阶段,动态的错误是计算 在哪里 。现在,我们定义和 。因此,

让我们写

因此,(16)将改写如下:

花时间的导数 结果

在最后阶段,我们计算动力学 如下:

让控制输入

因此,动态(20.)和(21)简化如下:

花时间的导数 结果

最后,通过考虑李雅普诺夫的候选人 ,我们获得

自从李雅普诺夫函数的导数是负定,误差渐近稳定和美国和跟踪所需的引用。证明已经完成。

备注1(困难的设计提出的控制器)。这项工作提出了一个新颖的往后退控制律提出了船用动力系统(1)- (7)。这些动力学不以传统的形式strict-feedback形式的虚拟输入和不仿射(2)和总体动态组成三个控制输入。所以,传统后退设计过程(32不适用。然而,在这篇文章中,这样的困难是由(i)定义跟踪误差作为一个虚拟输入的非线性函数,整个设计过程(2)分裂成两个部分,和(3)引入一个额外的时变参考当前燃料电池的基于非线性直流MG的属性。这些都是该方法的主要特点在现有反推技术。的整体示意图提出反推控制器来调节直流MG在图给出3。同时,推导的详细算法控制输入 , ,和给出了算法1。

4所示。Model-in-the-Loop结果

在本节中,展示的适用性和较低的计算时间提出非线性控制器,我们执行一个model-in-the-loop (MiL)实时仿真33]。MiL仿真如图4dSPACE 1202委员会已经被选为快速原型的解决方案。解算器是欧拉方法和采样频率10 kHz。的MiL应用建议的技术做了一个实时模拟器(RTS)在控制器和网格系统都是嵌入在一个即时战略游戏。船的负荷端转换器紧调节电压引擎。因此,船引擎是恒定的消费力量和整体转换器和负载作为一等兵这种控制作用依赖于该控制行动 , ,和 。然而,负荷端转换器监管行动,该控制律设计的dSPACE模拟器。

MiL仿真进行了系统参数表1和产线电压参考 。注意,在实践中,参数 , ,和不确定参数,但是在控制器法,其名义值给定的表吗1被认为是。

此外,该往后退控制器的控制设计参数设置为 。

此外,显示建议的方法的性能改进,滑模控制器设计相同的案例研究(10被认为是。在[10),除了燃料电池,超级电容器也连接到直流总线通过巴克/提高转换器。此外,只考虑电阻负载。然而,应用滑模方法(10]认为案例研究中,巴克/提高转换器的PWM输入信号为零,直流母线电压的动态更新涉及CPL的行为。滑模控制器的参数,并给出了其实现方式(10]。

数据5(一个)- - - - - -5 (c)显示电流、电压,产生电力的燃料电池,分别对建议的方法和滑模控制器(10]。

作为一个可以看到数据5(一个)- - - - - -5 (c),该方法会导致一个更光滑的燃料电池电流和电压,功率波动比(10]。这些波动的主要来源是燃料电池参数的不确定性。因为该滑模方法使用名义值和被认为是燃料电池动力严重非线性,功率和电压波动是不可避免的。

图6阐述了直流母线的电压这两种方法。图6揭示了可靠的海洋直流毫克。原因是电压的直流总线(即。,the CPL voltage) is regulated to its desired reference better and more accurate than that of [10]。例如,直流总线电压的基础上,提出几乎在控制器收敛于它的参考和波动幅度小于 。然而,滑模方法(10)导致对直流母线电压的波动。

然而,从图7,得出结论,仍然有一些振荡在直流电压,特别是,当CPL的功率变化迅速 。原因是燃料电池发电机是一个反应迟缓单位和需要时间精确地调节它的力量。因为没有其他快速响应单位如电池或超级电容器,CPL的注入功率和电阻负载不是常数等于电源的需求。因此,电阻负载收到非常数的功率和电压是时间改变了。

电阻负载的功率收到如图7。我们可以看到数据5 (c)和7,该方法提供了一个平滑的能量比滑模方法(10]。此外,该方法的10电阻性负载)注入更多额外的权力。电阻负载功率的理想值 ,直流电压却要保持在 。更高的注入功率不仅会降低系统的性能,而且会导致更多的氢气和氧气消耗。因此,氢和氧的压缩坦克将清空速度比建议的方法。然而,请注意,电力盈余(供给不足)和电压振荡可以补偿通过连接电池或超级电容器直流总线。然而,在这篇文章中,这样的补偿不考虑,只试图提出一种新的非线性控制方法提高氢燃料电池的瞬态和稳态的监管。

此外,显示该方法的稳态性能和滑模控制(10),表2提供。我们可以看到在桌子上2的稳态误差,建议的方法是多这是改进的滑模方法(10]。

5。结论

本研究的目的是稳定一个特殊DC海洋毫克,不确定时变负载的直流电压和驱动总线跟踪所需的电压。这一目标,一个额外的参考当前定义的氢燃料电池和控制器通过考虑两个往后退控制器设计过程进行并行操作。实现控制器,首先,一些非线性误差动态定义,以促进稳定的non-strict-feedback模型系统。然后,一步一步获得的虚拟控制信号,通过构造合适的控制李雅普诺夫函数(CLF)并提供稳定性条件,直到获得所需的控制信号。为了说明提出的控制器的有效性,较先进的方法滑模控制器。实时仿真结果证明了提出的控制器跟踪的能力所需的电压突然总线的负载功率的连续变化。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的能源技术开发和示范项目(EUDP)授予(64018 - 0721),“氢氟烃:氢燃料电池和电池混合动力技术对海洋应用程序”。

引用

1. j·汉,肯尼迪。贝纳和t .唐”,一个燃料电池的能源管理系统/电池混合动力船,”能量,7卷,不。5,2799 - 2820年,2014页。视图:谷歌学术搜索
2. M.-H。Khooban t . Dragicevic f . Blaabjerg, m . Delimar”舰载微型电网:负荷频率控制方法,”IEEE可持续能源,9卷,不。2、843 - 852年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. m·h·Khooban和m . Gheisarnejad坐落微型智能电网"频率法规潮汐能的集成单位:实时实现,”IEEE电路和系统II:表达内裤,1 - 11,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m . Gheisarnejad M.-H。Khooban, t . Dragicevic“未来5 g网络基础二级负荷频率控制在海上微型电网,“IEEE新兴和选定的主题在电力电子杂志》上,p . 2019。视图:谷歌学术搜索
5. a . Miola b Ciuffo、大肠Giovine和m .马拉”调节空气:船舶排放的艺术状态的方法、技术和政策选择,“出版物办公室欧盟布鲁塞尔,比利时,2010年,参考报告。视图:谷歌学术搜索
6. l . k . c .谢霆锋威尔金斯,n . McGlashan b .城市和r . Martinez-Botas“固体氧化物燃料电池/燃气轮机trigeneration系统对于海洋应用程序,”能源杂志,卷196,不。6,3149 - 3162年,2011页。视图:谷歌学术搜索
7. j . t . Pukrushpan h .彭,a·g·Stefanopoulou”Control-oriented汽车燃料电池系统建模和分析,“杂志的动态系统、测量和控制,卷126,不。1,p。2004。视图:谷歌学术搜索
8. m . Gheisarnejad j . Boudjadar M.-H。Khooban”,一种新的自适应二型fuzzy-based深强化学习控制:燃料电池气传感器控制,”IEEE传感器杂志,19卷,不。20日,第9089 - 9081页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. 王s Bahrebar f . Blaabjerg h . et al .,“小说二型模糊逻辑提高质子交换膜燃料电池的风险分析在船舶电力系统应用程序中,“能量p . 721,卷。11日,2018年。视图:谷歌学术搜索
10. r . Ashok和y Shtessel”控制的燃料细胞电力系统使用自适应滑模控制和观测技术,”富兰克林研究所杂志》上,卷352,不。11日,第4934 - 4911页,2015年。视图:谷歌学术搜索
11. f·李,y元,x, r . Malekian和z,”研究的数值模拟泄漏和扩散氢燃料电池,”可再生能源和可持续能源的评论卷,97年,第185 - 177页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. l . van Biert m . Godjevac k .维瑟和p . v .阿拉,“燃料电池系统的回顾对于海事应用程序,”能源杂志卷,327年,第364 - 345页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. p . Thounthong s Rael, b . Davat”控制策略的分布式发电系统的燃料电池和超级电容器协会,”IEEE工业电子产品,54卷,不。6,3225 - 3233年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. 巴斯克斯,j·罗德里格斯,m·里维拉l . g . Franquelo和m . Norambuena”模型预测控制电力转换器和驱动器:进展和趋势,“IEEE工业电子产品,卷64,不。2、935 - 947年,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. c . Damour m .胡麻,c . Lebreton j . Deseure和b . Grondin-Perez”神经模型的实时实现自调整PID策略在PEM燃料电池氧化学计量控制,”国际期刊的氢能源,39卷,不。24日,第12825 - 12819页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. s . m . Rakhtala a . r . Noei r . Ghaderi和e . Usai”限定时间高阶滑模状态观测器的设计:PEM燃料电池系统的实用的见解,“《过程控制,24卷,不。1,第224 - 203页,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. n . Vafamand m . h . Khooban t . Dragicevic f . Blaabjerg,“网络模糊预测控制权力的缓冲区直流微型电网动态稳定,”IEEE工业电子产品,卷66,不。2、1356 - 1362年,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. l .叮,Q.-L。汉族,l . y . Wang和e .辛迪“分布式合作最优控制的直流微型电网通信延迟,”IEEE工业信息,14卷,不。9日,第3935 - 3924页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. m·a .凯丹m . h . Asemani a·卡亚蒂安et al .,“改善非线性直流微型电网的稳定:容积卡尔曼滤波方法,”IEEE行业应用,54卷,不。5,5104 - 5112年,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. n . Vafamand m . h . Khooban t . Dragicevic f . Blaabjerg和j . Boudjadar”不确定性的鲁棒非脆弱模糊控制直流微型电网喂养恒功率负载,”IEEE电力电子,34卷,2019年。视图:谷歌学术搜索
21. e·侯赛因”解决微型电网不稳定问题引起的恒功率负载使用能量存储系统,“大学密尔沃基分校,密尔沃基,WI,美国,2016年,论文和学位论文。视图:谷歌学术搜索
22. n . Vafamand a·卡亚蒂安和m . h . Khooban“稳定和暂态性能改进的直流毫克cpl:非线性积分控制方法,”专业生成、传输和分配,13卷,不。14日,第3176 - 3169页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. 陆j .吴邦国委员长和y”,自适应反推滑模控制与恒功率负载,提高转换器”IEEE访问7卷,第50807 - 50797页,2019年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. n . Vafamand s Yousefizadeh m . h . Khooban j . d . Bendtsen和t . Dragicevic“适应性TS fuzzy-based MPC直流微型电网的动态测井:非线性功率观察者的方法,”IEEE系统杂志13卷,1 - 8,2018页。视图:谷歌学术搜索
25. h . Farsizadeh m . Gheisarnejad m . Mosayebi m . Rafiei和m . h . Khooban”一个智能和快速CPL控制器直流/直流转换器喂养在直流微型智能电网","IEEE电路和系统II:表达内裤,p . 2019。视图:谷歌学术搜索
26. t . Dragicevic“动态稳定荷载点与预测控制直流微型电网的转换器,”IEEE电力电子,33卷,p。2018。视图:谷歌学术搜索
27. j . r . Cheng f·福布斯,w . s . Yip,“货币政策委员会是协调方法解决工作问题,”《过程控制,17卷,不。5,429 - 438年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. y赵、w·乔和d·哈,”巴克DC / DC转换器的滑模控制器负载比与恒功率负载,”IEEE行业应用,50卷,不。2、1448 - 1458年,2014页。视图:谷歌学术搜索
29. a . m .拉希米和a . Emadi“主动阻尼在DC / DC电力电子转换器:一种新颖的方法来克服恒功率负载的问题,“IEEE工业电子产品卷,56号5,1428 - 1439年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. j . t . Pukrushpan a . g . Stefanopoulou和h .彭燃料电池动力系统的控制,激飞伦敦,伦敦,英国,2004年。
31. w . k . Na和b .郭台铭对PEM燃料电池Feedback-linearization-based非线性控制,”IEEE能量转换,23卷,不。1,第190 - 179页,2008。视图:谷歌学术搜索
32. s . Yousefizadeh j . d . Bendtsen n . Vafamand m . h . Khooban t . Dragicevic和f . Blaabjerg”跟踪控制的直流微型智能电网"喂养不确定加载更多的电动飞机:自适应反推方法,”IEEE工业电子产品,卷66,不。7,5644 - 5652年,2018页。视图:谷歌学术搜索
33. m . Gheisarnejad p . Karimaghaee j . Boudjadar M.-H。Khooban”实时移动无线传感器智能电网频率调节的实验平台,“IEEE传感器杂志,1 - 11,2019页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2019年穆罕默德·哈桑Khooban et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。