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随着全球范围内环境污染和能源枯竭的加剧,燃料电池作为一种极具发展前景的能源技术,特别是质子交换膜燃料电池(PEMFC),在分布式电站、电动汽车、轨道交通等领域取得了广泛应用。而针对轨道交通这种大功率应用场合,一套燃料电池系统的可靠性无法满足要求,必须采用多套燃料电池系统并联组成的燃料电池系统集群架构。由于每套子系统都有其对应的工作效率曲线,当负载动态变化时,需要对需求功率在每套子系统间进行协调分配,通过控制每套子系统的启动、停机和加减载动作,来保证系统集群在满足需求功率的条件下工作在较高效率的区间。为此,本文主要对30kW水冷型燃料电池系统测试平台的设计搭建,燃料电池系统效率的建模和实验验证,燃料电池系统集群的效率优化方法,燃料电池系统集群的加载载和启停策略进行了分析研究,主要研究内容及成果如下。在分析了PEMFC系统的架构和工作原理基础上,自主搭建了30kW水冷型燃料电池系统测试平台。给出了平台的搭建方案,并对PEMFC电堆集成模块、氢气供应系统、空气供应系统、冷却循环系统、DC/DC、电子负载、数据采集与控制器等主要辅机设备和功能单元进行选型。在硬件平台的基础上,基于PLC控制器和Labview软件编写了一套完整的系统控制程序和上位机可视化程序,并给出了程序控制和操作流程,为后续研究奠定基础。建立了适用于30kW系统测试平台的燃料电池系统效率半机理半经验模型,包含五个子模块:燃料电池热力学效率模型、燃料电池电堆功率模型、空压机功率模型、冷却水泵功率模型和散热风扇功率模型,并在30kW燃料电池系统平台基础上,将测试得到的不同操作条件下的实验数据与搭建的模型进行实验验证。针对燃料电池系统集群问题,在30kW燃料电池系统效率模型的基础上,搭建了包含有五套燃料电池组成的FCSC效率模型,并采用拉格朗日松弛算法、小干扰变载分析方法对FCSC效率进行优化。拉格朗日松弛方法是将复杂的约束条件通过拉格朗日乘子的形式附加到目标函数后,使原系统集群效率优化问题的求解难度大大降低;小干扰变载分析方法主要针对系统工况和外界条件时刻变化的情况下,通过系统参数实时辨识的形式实现对燃料电池集群系统的功率进行优化分配。最后,根据两种优化算法的仿真结果提出一种针对实际FCSC系统的加减载和启停控制策略,给出了针对系统启停机的启动点计算方法和系统集群加减载方式,相比于两种传统分配方式,保证了燃料电池系统集群在整个功率范围内均工作在较高效率区间。