中文摘要：

燃料电池发电系统的净输出功率以及发电效率与系统的空压机压力、电堆温度、加湿泵流量等各种运行状态之间存在着非线性的关系。不仅在功率曲线上存在着一个唯一的最大净功率点，当考虑自身子系统能耗后，效率曲线上也存在着一个唯一的最大效率点。合适的最大功率点和最大效率点组合方式就构成了燃料电池发电系统最优控制的目标。发电系统的运行条件会随时发生各种变化，这些变化又会非线性的影响最大点的轨迹。为了保证发电系统高性能、高可靠性地长期稳定运行在最优状态，本课题将首次探讨采用极值搜索控制器来跟踪最优点的变化轨迹。本课题将首先着力于建立包括各个子系统在内的燃料电池发电系统模型，做到既简单实用又能够充分反应系统的静态和动态特征。然后在建模的基础上应用先进控制技术，采用鲁棒、自适应控制理论研究、设计合适的极值搜索算法来实时估计最大点的位置，并由控制器保证燃料电池发电系统能够运行在这个设定值上。

结论摘要：

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有环境友好、燃料利用效率高、工作温度低、比能高、启动速度快等优点，适用于交通工具、分散电站等领域。但是成本高、寿命短等缺点严重制约着它的大规模应用。为了能够进可能发挥系统潜力，本课题研究了PEMFC发电系统的最优控制。 首先建立了系统机理模型，采用理想气体状态方程、质量守恒定理、能量守恒定理、热力学公式、动力学公式、电功率转换关系，建立了电堆本体、阳极的氢气供气系统、阴极的氧气供气系统、空压机系统、电源转换系统等的数学模型。最后以模块化的灵活建模方法在MATLAB/Simulink中逐级构建了燃料电池发电系统模型，不仅结构清晰条理，而且方便修改系统的结构设计和参数设置，从而使模型具有了普遍适用性。 为了更有效的测试控制算法，在理论模型的基础上使用计算机控制可编程电源模拟PEMFC电堆，建立了燃料电池的半实物仿真测试平台。利用高精度可编程电源模拟燃料电池，对可控负载供电。使用Lab windows/CVI设计仿真平台的控制软件，控制可编程电源电源按照已知理论模型运行，仿真出电池的工作状态。最后用电子负载对仿真平台进行了测试，说明本仿真平台完成了所需功能。 最后，研究了最优控制算法。本课题首先研究了发电系统整体上的最大功率输出问题，为了能使发电系统和外部负载匹配，针对对电源变换器研究了研究了最大功率点跟踪（MPPT）算法，自适应搜索未知且处于变化之中的最大功率点。但是为了保障电堆的正常工作，燃料电池发电系统中还需要各种辅助系统。然后为了提高发电效率，研究了最大效率点跟踪（NMPPT）算法，能够在考虑到以空压机为主的辅助系统功耗损失的情况下，提高系统净输出功率。仿真研究表明本课题提出的控制策略具有很强的鲁棒性，在快速大幅度变化的操作状态下也能够保持满意的响应速度和稳定性。