李 集 諶 力

（1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.海軍指揮學(xué)院，南京 210016）

武器的高科技發(fā)展對(duì)地下指揮所、武器洞庫(kù)、人防工程等地下工程的內(nèi)部能源供給系統(tǒng)構(gòu)成極大威脅，高科技尖端武器能極大地削弱地下工程功能作用的有效發(fā)揮，甚至破壞或推毀地下工程。地下工程電力能源供給普遍采用單一集中式柴油發(fā)電站，其高溫?zé)煔馀欧艠O易暴露目標(biāo)，難免遭受高科技尖端武器精確制導(dǎo)打擊，致使地下工程電力供給系統(tǒng)徹底癱瘓或損毀。即使地下工程電力能源供給系統(tǒng)在精確制導(dǎo)武器攻擊之下尚未癱瘓，也會(huì)在巨大爆炸沖擊波的沖擊下極可能引起地下發(fā)電機(jī)電壓驟然下降，引發(fā)柴油機(jī)突然熄火或致柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)損毀，嚴(yán)重影響地下工程的電力能源供給。因此，目前的柴油機(jī)發(fā)電站很難適應(yīng)未來(lái)高科技戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)地下工程的有效防護(hù)和電力能源供給保障以及內(nèi)部環(huán)境的戰(zhàn)時(shí)安全性要求，必須改革創(chuàng)新和轉(zhuǎn)變發(fā)展方式。

1 地下工程供能需求及PEMFC 氫能發(fā)電機(jī)特點(diǎn)

地下工程內(nèi)部能源供給系統(tǒng)必須滿足五方面要求：一是安全性與穩(wěn)定性。內(nèi)部能源燃料的獲得、儲(chǔ)運(yùn)及能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都必須符合安全性與穩(wěn)定性要求；二是低污染、低排放、低能耗、低噪聲及偽裝性能優(yōu)良。低污染、低排放、低能耗、低噪音可有效防止工程目標(biāo)暴露和反空中偵察；三是滿足地下工程對(duì)供電、供熱、制冷、除濕等多種綜合服務(wù)要求；四是運(yùn)行調(diào)節(jié)能力強(qiáng)?？呻S著內(nèi)部設(shè)備功能及運(yùn)行狀況的變化而調(diào)節(jié)[1]；五是注重經(jīng)濟(jì)性。既要考慮整個(gè)能源工程的整體效益，又要考慮能源工程總成本的經(jīng)濟(jì)性，雖然國(guó)防工程是允許在成本方面適度放寬，但工程的經(jīng)濟(jì)性仍須注重。

PEMFC 氫能發(fā)電機(jī)具備不受“卡諾”循環(huán)限制、能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈無(wú)污染、噪聲低、模塊化結(jié)構(gòu)、比功率高、積木性強(qiáng)等特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，完全能夠適應(yīng)地下工程內(nèi)部能源供給系統(tǒng)的上述五方面的要求。PEMFC 氫能發(fā)電機(jī)既可以克服柴油發(fā)電機(jī)組不易偽裝的缺點(diǎn)，又可以提高地下工程的偽裝性能和戰(zhàn)時(shí)生存能力，還可以按照防護(hù)分區(qū)的劃分和根據(jù)防護(hù)功能的需要設(shè)置多電源分布式發(fā)電（Distributed Generation，DG）系統(tǒng)[2]。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)將越來(lái)越實(shí)用?，F(xiàn)在的大容量電力供給系統(tǒng)本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蜇?fù)荷需求的變化而頻繁改變。隨著電網(wǎng)負(fù)載的不斷增加，當(dāng)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷達(dá)到自身極限時(shí)，即使是很小的擾動(dòng)也會(huì)引發(fā)整個(gè)電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)崩潰[3]。為保證PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要每個(gè)PEMFC 電堆安全運(yùn)行。因此，只有實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、壓力及濕度等PEMFC運(yùn)行參數(shù)，為電網(wǎng)管理員提供準(zhǔn)確可靠的安全評(píng)估信息，從而確保PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與操作狀態(tài)安全穩(wěn)定。

2 PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)

圖1 PEMFC 工作原理圖[2]

PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)是燃料電池電堆及與其匹配的運(yùn)行支持系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)電裝置。其核心是電堆，外圍或輔助系統(tǒng)包含燃料（氫氣）循環(huán)系統(tǒng)、氧氣（或空氣）給進(jìn)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)（或者空冷系統(tǒng)）、氣體增濕系統(tǒng)、電能變換系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和負(fù)載等系統(tǒng)單元組成。PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程是反應(yīng)氣體氫氣和氧氣分別通過(guò)調(diào)壓閥、加濕器（加濕、升溫）后進(jìn)入電堆，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電，經(jīng)穩(wěn)壓、變換后供給負(fù)載。PEMFC 電堆在一定的工作條件下可產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的直流電[1]。例如，電堆運(yùn)行溫度大約在80℃，質(zhì)子交換膜還需保持一定的濕度，避免陽(yáng)極失水和陰極“淹水”?？梢?jiàn)，供氣系統(tǒng)、水熱管理等系統(tǒng)單元是PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要環(huán)節(jié)，需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，確保PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)整體性能良好。

3 溫度、氣壓、濕度對(duì)PEMFC 電堆性能影響分析

PEMFC 的控制是一個(gè)多輸入多輸出的系統(tǒng)，運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)彼此以及性能都有極大的影響。文獻(xiàn)[4]的正交實(shí)驗(yàn)表明：溫度、壓力、濕度以及溫度與濕度之間的耦合作用對(duì)PEMFC 堆電效率的影響顯著，溫度與壓力及壓力與濕度之間的耦合作用的影響可以忽略；在影響程度上，溫度的影響大。為此著重分析溫度、壓力和濕度的影響特性。

3.1 分析溫度影響特性

溫度的影響主要從兩方面考慮，一是氣體的擴(kuò)散能力；二是膜電阻[5]。低溫時(shí)，升高電池工作溫度，會(huì)加速氫電化學(xué)氧化，增加質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)，減少膜的歐姆極化，加快反應(yīng)氣體向催化劑層的擴(kuò)散，加速質(zhì)子從陽(yáng)極向陰極的運(yùn)動(dòng)以及生成水的排出，從而提高能量的轉(zhuǎn)換效率。但隨溫度進(jìn)一步升高，反應(yīng)氣體的相對(duì)濕度減少，加速膜干涸，膜電阻升高，影響逐漸減弱，甚至降低電池性能。電池堆工作溫度如果過(guò)高就會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的水分加速流失、水蒸氣分壓加大，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)膜收縮破裂。相反，電池堆的內(nèi)部溫度過(guò)低時(shí)，反應(yīng)生成的水不能以氣態(tài)形式排出，易引發(fā)電極“淹水”現(xiàn)象，電堆內(nèi)傳質(zhì)受限和電化學(xué)反應(yīng)速度降低[6]。實(shí)驗(yàn)研究[7]表明保持PEMFC 的操作溫度在70～90℃之間可使其輸出性能達(dá)到最佳。而且眾多實(shí)驗(yàn)及模擬計(jì)算結(jié)果建議，PEMFC 內(nèi)部正常溫度應(yīng)維持在65～85℃，運(yùn)行溫度一般不宜超過(guò)100℃。

3.2 分析壓力影響特性

根據(jù)Nernst 方程，壓力增加，開(kāi)環(huán)電路電壓升高。因此，壓力增加，性能的提高可解釋為：壓力增加會(huì)使反應(yīng)氣體擴(kuò)散性增加，從而降低物質(zhì)傳輸阻力下降[8]。當(dāng)電堆的其他運(yùn)行條件不變時(shí)，氣體工作壓力的升高，能極大降低濃差極化，有利于電極反應(yīng)進(jìn)行，提高電池內(nèi)部溫度，提升PEMFC 電堆電效率[6，9]。但是繼續(xù)增加氣體工作壓力，性能提升卻不斷降低。而且提高反應(yīng)氣體壓力，不僅增加電堆密封難度和空壓機(jī)能耗，降低PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)的效率，還影響膜的壽命降低系統(tǒng)工作安全性。在實(shí)際操作中為保持膜的性能和電池的良好輸出特性，一般控制氣體的壓力在0.2～0.3MPa[10]。為了保持質(zhì)子交換膜一定的濕度以及生成水的排放，電堆的壓力控制要求陰極壓力比陽(yáng)極壓力略高（但須在0.05MPa 以內(nèi)）且調(diào)節(jié)兩極壓力時(shí)要同升降。定期排出生成物水、部分惰性氣體等“有害”氣體，會(huì)導(dǎo)致PEMFC 反應(yīng)氣體的壓力產(chǎn)生波動(dòng)，對(duì)輸出性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[11]。由上述特性可知，對(duì)進(jìn)入電堆的氣體壓力的控制精度要求高，不太適應(yīng)過(guò)于頻繁的大幅度改變陰陽(yáng)兩極氣體壓力。

3.3 分析濕度影響特性

質(zhì)子必須和水結(jié)合才能到達(dá)陰極。因此，質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電性取決于膜中的含水量，即電堆的濕度。PEMFC 的輸出電壓隨著陰極氣體濕度的增加而增加[12]。但是氣體濕度過(guò)高，易形成液態(tài)水，降低氧氣通過(guò)氣體擴(kuò)散層的速度，而以空氣作為氧化劑的PEMFC 該負(fù)面影響尤為嚴(yán)重。甚至因電堆濕度過(guò)大而導(dǎo)致電極被水淹，令電池失效。此外，電池工作在高溫低壓的情況下，水分以水蒸氣的形式存在于電池內(nèi)部，無(wú)形中稀釋了反應(yīng)氣體，降低了電池的發(fā)電效率。如果電堆的濕度較低，此時(shí)反應(yīng)氣體的濃度相對(duì)增大，有利于氣體的傳質(zhì)，但是濕度過(guò)低會(huì)造成質(zhì)子交換膜脫水，降低膜的導(dǎo)電率，內(nèi)部阻抗也隨之增加，膜脫水嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致電池?fù)p壞。文獻(xiàn)[12]得出結(jié)論：一是燃料電池的進(jìn)氣均需要加濕，以保證電解質(zhì)膜的濕潤(rùn)，使其具有很好的導(dǎo)電能力。二是陰極進(jìn)氣加濕在75%左右電池性能可以達(dá)到最佳。三是陽(yáng)極進(jìn)氣干燥對(duì)電池的性能影響較大。

4 建立穩(wěn)態(tài)安全評(píng)估BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

地下工程中，PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)存在常停常用情況，為保持PEMFC 長(zhǎng)期處于安全穩(wěn)定工作狀態(tài)，應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PEMFC 性能控制參數(shù)發(fā)揮其潛能，使額定輸出功率能實(shí)時(shí)滿足負(fù)載需求。實(shí)施智能控制時(shí)，分布式發(fā)電系統(tǒng)需要一個(gè)快速、準(zhǔn)確的在線安全評(píng)價(jià)方法對(duì)多個(gè)PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)分析安全情況，預(yù)警電網(wǎng)管理員采取必要預(yù)防措施。BP 網(wǎng)絡(luò)是一種多層前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的任意非線性映射。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可塑性強(qiáng)，在分類、函數(shù)逼近、預(yù)測(cè)等方面都有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，適于解決復(fù)雜的非線性問(wèn)題[14]?？紤]PEMFC 輸出性能評(píng)價(jià)通常是電池輸出伏安特性曲線的感官判斷，而且每個(gè)PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)的非控制參數(shù)可能存在不一致情形，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可針對(duì)每個(gè)發(fā)電系統(tǒng)學(xué)習(xí)分析其伏安特性。利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近伏安特性曲線，辨識(shí)PEMFC 的溫度、壓力和濕度是否處于適宜取值范圍，即處于穩(wěn)態(tài)。

文獻(xiàn)[11]通過(guò)仿真得出：

情形1：質(zhì)子交換膜燃料電池輸出性能隨著可控制影響參數(shù)的增大而提升，輸出性能提升的幅度與可控制參數(shù)的增加幅度呈非線性關(guān)系。膜的厚度對(duì)電池輸出性能的影響最大，而氫氣的壓力對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池輸出性能的影響最小。

情形2：將PEMFC 的電流密度大小分為低電流密度區(qū)域（0～0.1A/cm2）、中電流密度區(qū)域（0.1～1.1 A/cm2）和高電流密度區(qū)域（l.1～ A/cm2）。（1）在低電流密度區(qū)域，PEMFC 的輸出性能主要受到活化極化導(dǎo)致的影響。此時(shí)增加氣體的反應(yīng)面積、提升反應(yīng)氣體的壓強(qiáng)、提高電池的操作溫度、降低反應(yīng)氣體的濕度等都將有利于降低活化極化而提升電池的輸出性能。（2）在中電流密度區(qū)域，主要為歐姆損失導(dǎo)致PEMFC 輸出性能的降低。在此電流密度區(qū)域內(nèi)減少反應(yīng)氣體的反應(yīng)面積、減少質(zhì)子交換膜的厚度、提高反應(yīng)氣體的壓力、提高電池的操作溫度等均會(huì)降低電池內(nèi)阻而減少電阻極化，從而有利于提升電池的輸出性能。（3）在高電流密度區(qū)域，PEMFC 的輸出性能主要受到濃差極化導(dǎo)致的影響。較高的反應(yīng)氣體濕度、較高的電池運(yùn)行溫度、較薄的質(zhì)子交換膜厚度、較大的反應(yīng)膜面積等都有利于提升電池的輸出性能。此時(shí)提高反應(yīng)氣體壓力對(duì)電池輸出性能的提升不明顯。

如圖2所示，結(jié)合上述結(jié)論建立一個(gè)穩(wěn)態(tài)安全評(píng)估BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型由兩個(gè)平行的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合構(gòu)成：網(wǎng)絡(luò)圖BP-1 用于判斷溫度適宜狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)圖BP-2 用于判斷濕度適宜狀態(tài)。

圖2 穩(wěn)態(tài)安全評(píng)估BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

因此，網(wǎng)絡(luò)圖BP-1 所選特征量是電流密度、電池溫度、氫氣入口壓力、氧氣入口壓力和輸出電壓；網(wǎng)絡(luò)圖BP-2 所選特征量是電流密度、輸出電壓和陰極氣體濕度（陽(yáng)極易缺水，一般是100%加濕）。特征量歸一化后的數(shù)值作為輸入值，Oi(1≤i≤4)是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練輸出結(jié)果，在輸出層為限制輸出0/1神經(jīng)元激活函數(shù)，故選擇S 型函數(shù)。為保證精度隱藏層選取兩層，隱藏層節(jié)點(diǎn)數(shù)Ln由經(jīng)驗(yàn)公式(n+m)1/2+β決定（β取值：1～10），經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，第一隱藏層取7 個(gè)節(jié)點(diǎn)，第二隱藏層取9 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

綜合上述分析、結(jié)論以及控制的滯后性，在犧牲一定性能的前提下，設(shè)定如下：①當(dāng)電流密度的穩(wěn)態(tài)取值處在區(qū)間(250,900)，單位A/cm2，則O1，O4輸出為1，否則為0；②當(dāng)溫度的穩(wěn)態(tài)取值處在區(qū)間(65,80)，單位℃，則O2輸出為1，否則為0；③當(dāng)相對(duì)濕度的穩(wěn)態(tài)取值處在區(qū)間[70%,90%]，則O3輸出為1，否則為0。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)預(yù)警PEMFC 狀態(tài)是否穩(wěn)定。

針對(duì)評(píng)估狀態(tài)，給出建議控制策略，見(jiàn)表1和表2。

網(wǎng)絡(luò)圖 BP-1 所用的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)18 組與測(cè)試樣本數(shù)據(jù)12 組來(lái)自文獻(xiàn)[13]，網(wǎng)絡(luò)圖BP-2 所用的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)50 組與測(cè)試樣本數(shù)據(jù)45 組來(lái)自文獻(xiàn)[12]。對(duì)所有樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

5 仿真結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)圖BP-1 仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

網(wǎng)絡(luò)圖BP-2 仿真結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表1

表2

表3

表4

表5

基于收斂性與計(jì)算精度考慮，通過(guò)Matlab 建立采用LM（Levenberg-Marquardt）算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的穩(wěn)態(tài)安全評(píng)估BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，網(wǎng)絡(luò)圖BP-1 的辨識(shí)準(zhǔn)確率為83.3%，網(wǎng)絡(luò)圖BP-2 的辨識(shí)準(zhǔn)確率為91.1%，基本滿足預(yù)警需求。由兩個(gè)BP 網(wǎng)的精度存在差距可知訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)越多，BP 網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)精度就越高。

6 結(jié)論

本文采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案對(duì)PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)進(jìn)行預(yù)警，適宜實(shí)際在線操作，穩(wěn)態(tài)辨識(shí)精度有利于保持PEMFC 電堆的性能，能滿足分布式電力系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的需要。說(shuō)明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于在線穩(wěn)態(tài)檢測(cè)是完全可行的，并且能夠很好節(jié)約人力資源。在使用過(guò)程中仍可根據(jù)所采集數(shù)據(jù)對(duì)樣本數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化，提升辨識(shí)精度。而且智能電網(wǎng)[15]是優(yōu)化現(xiàn)代大容量電力系統(tǒng)的和提高電力輸送系統(tǒng)的可靠性，以滿足未來(lái)增長(zhǎng)的電力需求的一個(gè)重要概念。推廣應(yīng)用“智能”電網(wǎng)的潛在動(dòng)力是為獲取更容易理解的電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，從而提高控制、響應(yīng)能力，形成一個(gè)具備更加準(zhǔn)確預(yù)期的傳輸電網(wǎng)[16]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在PEMFC 分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，將推動(dòng)智能電網(wǎng)應(yīng)用的普及。

當(dāng)然，本文所述方法尚存兩個(gè)辨識(shí)問(wèn)題：一是目前只考慮影響穩(wěn)態(tài)的主要運(yùn)行參數(shù)，對(duì)其他運(yùn)行參數(shù)尚欠缺綜合分析，在受到其他參數(shù)干擾時(shí)，安全穩(wěn)態(tài)辨識(shí)精度可能會(huì)受到影響，可能會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)的情況。此外，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不可避免地存在局部極小問(wèn)題；二是所獲取的樣本數(shù)據(jù)數(shù)量及樣本間距都需要進(jìn)一步提升，運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量精度與實(shí)時(shí)性仍需做深入的改進(jìn)。

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