基于分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu)sofc系統(tǒng)熱電協(xié)同控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu)SOFC系統(tǒng)熱電協(xié)同控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燃料電池它是把氫和氧反應(yīng)生成水放出的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。其基本原理 相當(dāng)于電解反應(yīng)的逆向反應(yīng)。燃料(H2和CO等)及氧化劑(02)在電池的陰極和陽極上借助氧 化劑作用，電離成離子，由于離子能通過在二電極中間的電介質(zhì)在電極間迀移，在陰電極、 陽電極間形成電壓。在電極同外部負(fù)載構(gòu)成回路時(shí)就可向外供電。
[0003] 燃料電池種類不少，根據(jù)使用的電解質(zhì)不同，主要有磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳 酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧氣物燃料電池(S0FC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。
[0004] 燃料電池具有無污染、高效率、適用廣、無噪聲和能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。它的發(fā)電效 率可達(dá)40%以上，熱電聯(lián)產(chǎn)的效率也達(dá)到80%以上。多數(shù)燃料電池正處于開發(fā)研制中，雖然 磷酸燃料電池(PAFC)等技術(shù)成熟并已經(jīng)推向市場，但仍較昂貴。鑒于燃料電池的獨(dú)到優(yōu)點(diǎn)， 隨著該項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，必將在未來燃?xì)獠膳袠I(yè)起到越來越重要的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種控制精準(zhǔn)、靈活、穩(wěn)定，能大大的提速切換 過程、克服SOFC系統(tǒng)大慣性的時(shí)滯特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載切換的基于分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu) SOFC系統(tǒng)熱電協(xié)同控制方法。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:基于分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu)SOFC系統(tǒng)熱電 協(xié)同控制方法，包括以下步驟：
[0007] Sl、采集SOFC系統(tǒng)不同輸入?yún)?shù)組合下的系統(tǒng)狀態(tài)及輸出參數(shù)，通過系統(tǒng)辨識(shí)的 方法得到全負(fù)載區(qū)間穩(wěn)態(tài)功率與溫度、效率響應(yīng)特性、旁路閥開度BP對效率優(yōu)化的影響函 數(shù)和指定負(fù)載切換區(qū)間及延時(shí)條件下的效率優(yōu)化函數(shù)；
[0008] S2、基于所述全負(fù)載區(qū)間穩(wěn)態(tài)功率與溫度、效率響應(yīng)特性、旁路閥開度BP對效率優(yōu) 化的影響函數(shù)和指定負(fù)載切換區(qū)間及延時(shí)條件下的效率優(yōu)化函數(shù)獲取系統(tǒng)的局部最優(yōu)穩(wěn) 態(tài)操作函數(shù)、拓展形成穩(wěn)態(tài)下全局優(yōu)化函數(shù)和不同切換負(fù)載區(qū)間不同延時(shí)條件下的功率跟 蹤函數(shù)；
[0009] S3、根據(jù)所述最優(yōu)穩(wěn)態(tài)操作函數(shù)、拓展形成穩(wěn)態(tài)下全局優(yōu)化函數(shù)和指定負(fù)載切換 區(qū)間及延時(shí)條件下的效率優(yōu)化函數(shù)計(jì)算得出滑模區(qū)間；
[0010] S4、根據(jù)所述滑模區(qū)間、全負(fù)載區(qū)間穩(wěn)態(tài)功率與效率相應(yīng)特性、指定負(fù)載切換區(qū)間 及延時(shí)條件下的效率優(yōu)化函數(shù)和不同切換負(fù)載區(qū)間不同延時(shí)條件下的改進(jìn)優(yōu)化函數(shù)計(jì)算 得出系列趨近律函數(shù)；
[0011] S5、通過分?jǐn)?shù)階優(yōu)化法對所述系列趨近律函數(shù)消除抖震，通過計(jì)算求解出趨近律。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是，燃料利用率FU是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)影響系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵指 標(biāo)，且目前的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系統(tǒng)效率;空氣過量比AR為輸入空氣 與參與反應(yīng)的空氣流量之間的直接關(guān)系表達(dá)，有利于在系統(tǒng)控制分析中實(shí)現(xiàn)協(xié)同聯(lián)動(dòng)。
[0013] 此外，面向負(fù)載跟蹤，針對不同功率的穩(wěn)態(tài)輸出需求，可以快速獲取最優(yōu)操作點(diǎn) (Is，BP，AR，F(xiàn)U)，使其在保障系統(tǒng)熱特性安全前提下滿足負(fù)載需求，并能實(shí)現(xiàn)在需求功率輸 出下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大效率。
[0014] 在面向負(fù)載跟蹤全過程觀測器設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步與系統(tǒng)過程的響應(yīng)速度進(jìn)行綜合匹 配分析，設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)發(fā)電全過程需求的電堆內(nèi)部溫度觀測器，以提高動(dòng)靜態(tài)控制策略 及整體控制架構(gòu)的精確性與穩(wěn)定性。
[0015] 向分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu)SOFC熱電管控架構(gòu)進(jìn)行映射，此優(yōu)化穩(wěn)態(tài)操作策略集可將目 標(biāo)滑模面拓展為滑模區(qū)間，從而將為以安全、快速、低抖震抵達(dá)滑模面為目標(biāo)的趨近律（即 動(dòng)態(tài)切換策略)設(shè)計(jì)，考慮不同氣體延時(shí)前提下，提供更大的靈活性與品質(zhì)保證。
[0016] 在功率跟蹤過程中，功率變化導(dǎo)致系統(tǒng)溫度變化的過程需要一段時(shí)間才表現(xiàn)出 來，所以，只要在進(jìn)行快速功率跟蹤的同時(shí)，施加能夠抑制功率波動(dòng)帶來的溫度變化的控制 量即可實(shí)現(xiàn)溫度約束管控的目的。而本項(xiàng)目分析獲得的優(yōu)化操作集（^，^^!^，^^能夠保 證效率優(yōu)化的情況下抑制特定功率下的溫度約束；同時(shí)，擬采用的包括兩個(gè)階段的組合切 換策略將可大大的提速切換過程、克服SOFC系統(tǒng)大慣性的時(shí)滯特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載切換
[0017] 進(jìn)一步，所述步驟Sl中，通過運(yùn)行電堆的分布式節(jié)點(diǎn)模型獲取電堆內(nèi)部溫度分布 參數(shù)。
[0018] 采用上述進(jìn)一步的有益效果是，基于已有指定穩(wěn)態(tài)下的電堆內(nèi)部溫度梯度觀測方 法、進(jìn)行熱電特性響應(yīng)時(shí)間尺度、氣固熱特性響應(yīng)時(shí)間尺度兩層分解，實(shí)現(xiàn)負(fù)載跟蹤全過程 中的溫度梯度觀測的實(shí)時(shí)性，從而原理上保障動(dòng)靜態(tài)控制策略及分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu)控制架 構(gòu)的物理可實(shí)現(xiàn)性。在面向負(fù)載跟蹤全過程觀測器設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步與系統(tǒng)過程的響應(yīng)速度 進(jìn)行綜合匹配分析，以提高動(dòng)靜態(tài)控制策略及整體控制架構(gòu)的精確性與穩(wěn)定性。
[0019] 進(jìn)一步，所述電堆的維數(shù)為一維。
[0020] 采用上述進(jìn)一步的有益效果是，一維化是為了簡化實(shí)際電堆模型，這個(gè)簡化的過 程保證了所需要參數(shù)是準(zhǔn)確的，例如電堆內(nèi)的溫度，溫度梯度等。
[0021 ]進(jìn)一步，所述步驟Sl中局部最優(yōu)穩(wěn)態(tài)操作函數(shù)的確定方法，包括以下步驟：
[0022]固定工作電流Is和旁路閥開度BP，得到以燃料利用率FU為橫坐標(biāo)、以空氣過量比 AR為縱坐標(biāo)的輸出性能圖譜；
[0023]對于所述輸出性能圖譜，固定工作電流Is，得到不同旁路閥開度下以燃料利用率 為橫坐標(biāo)、以空氣過量比為縱坐標(biāo)的輸出性能圖譜；
[0024]遍歷不同工作電流I s的值，獲取任一操作點(diǎn)（I s，BP，AR，F(xiàn)U)下的系統(tǒng)輸出性能； [0025]面向負(fù)載跟蹤，針對任意功率的穩(wěn)態(tài)輸出需求，確定與該需求對應(yīng)的最優(yōu)穩(wěn)態(tài)操 作函數(shù)。
[0026]采用上述進(jìn)一步的有益效果是，由于實(shí)際系統(tǒng)物理實(shí)現(xiàn)過程中，包括溫度、功率、 效率等熱電特性均與電流直接相關(guān)，本發(fā)明中基于模型的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)分析將均基于電流分 析模式展開。面向SOFC熱電管控需求，為實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電堆內(nèi)部溫度分布，需要通入過量空氣； 為實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載需求，需調(diào)節(jié)燃料利用率;為快速調(diào)節(jié)電堆內(nèi)部溫度，且優(yōu)化控制系統(tǒng)發(fā)電 效率，需實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)旁路冷空氣的輸出量，即調(diào)節(jié)旁路閥開度BP。燃料利用率FU是行業(yè)內(nèi)公認(rèn) 影響系統(tǒng)發(fā)電效率的關(guān)鍵指標(biāo)，且目前該領(lǐng)域的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系 統(tǒng)效率;空氣過量比AR為輸入空氣與參與反應(yīng)的空氣流量之間的直接關(guān)系表達(dá)，有利于在 系統(tǒng)控制分析中實(shí)現(xiàn)協(xié)同聯(lián)動(dòng)。本發(fā)明采用電流控制模式，選取空氣過量比(AR)、燃料利用 率(FU)，旁路閥開度(BP)、電流(Is)為組合調(diào)節(jié)量。
[0027] 進(jìn)一步，所述步驟Sl中電堆內(nèi)部溫度分布參數(shù)是通過電堆內(nèi)部溫度梯度觀測器來 獲取的，所述電堆內(nèi)部溫度梯度觀測器的構(gòu)建包括以下步驟：
[0028] 建立基于線性化狀態(tài)空間方程涉及降維龍伯格觀測器；
[0029] 假定電化學(xué)反應(yīng)是瞬間完成的，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)后，模型為：
個(gè)節(jié)點(diǎn)的固體層溫度和空氣層溫度，y為第五個(gè)節(jié)點(diǎn)的固體層溫度和空氣層溫度；
[0030]
[0031] ，xl為前四
[0032]
[0033] 對以上模型，設(shè)計(jì)如下形式的觀測器：
[0034；
⑵
[0035] 其中X1和夕分別是xdPy的估計(jì)；L是待求增益，V是估計(jì)值與實(shí)際值之間的誤差， V =夕-少A為輔I人的_及燃料·：流量:和陰極燃料·：流量：，W為電堆的輔I出電、流；
[0036] 為求解增益L，先將模型進(jìn)行線性化成如下形式：
[0037]
(3)
[0038]對比非線性模型，驗(yàn)證線性化后模型的準(zhǔn)確度。然后，根據(jù)SOFC氣、固體間熱傳遞 響應(yīng)速度差異很大的特性，對模型進(jìn)行如下分解：
[0039] 氣體熱傳遞模型：
[0040]
(4)
[0041] 固體熱傳遞模型：
[0042]
(5)
[0043] 對以上的氣體熱傳遞模型和固體熱傳遞模型，分別用線性理論設(shè)計(jì)觀測器，求解 出各自對應(yīng)的觀測器增益LdPL2。然后，我們用如下方法構(gòu)造出非線性觀測器增益矩陣L:
[0044] C6)
[0045」 其中：
[0046] [Li(l,l) Li(2,l) Li(3,l) Li(4,l)]T = Li
[0047] [L2(IJ) L2(2，l) L2(3，l) L2(4，1)]t = L2。
[0048] 采用上述進(jìn)一步的有益效果是，_S0FC的電特性由電化學(xué)反應(yīng)決定，響應(yīng)速度在毫 秒級；SOFC的熱特性由電堆之間的熱傳遞決定，響應(yīng)速度在秒甚至分鐘級。另，由于氣體和 固體熱傳遞系數(shù)的差異，氣、固體之間熱傳遞響應(yīng)速度也存在時(shí)間量級上的差距。針對不同 負(fù)載變換時(shí)的切換策略，需要在已有電堆內(nèi)部觀測器設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上、進(jìn)行與負(fù)載跟蹤過 程中時(shí)間尺度相匹配的觀測器設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)已有的"全可測最小維狀態(tài)空間"方法，可以
確定出低成本、快速、高精度的觀測變量選擇方案 然后，基于該變量 組合，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全負(fù)載跟蹤過程電堆溫度分布快速觀測的需要，擬基于線性化狀態(tài) 空間方程設(shè)計(jì)降維龍伯格觀測器。
[0049] 與直接進(jìn)行系統(tǒng)極點(diǎn)配置求解L相比，該構(gòu)造方法有效的避免了因氣體和固體熱 傳遞響應(yīng)速度的數(shù)量級不同；且該方法可以擴(kuò)展在不同的操作點(diǎn)進(jìn)行，獲取在該工作點(diǎn)的 觀測器。
[0050] 進(jìn)一步，所述步驟S4中，計(jì)算得出系列趨近律函數(shù)的具體方法是：
[0051 ]根據(jù)所述效率優(yōu)化函數(shù)得到系統(tǒng)全局的系列最優(yōu)滑模面；
[0052] 根據(jù)不同滑模面之間的功率區(qū)間的功率與溫度、效率特性確定趨近率函數(shù)；
[0053] 根據(jù)功率的最優(yōu)切換函數(shù)確定趨近率函數(shù)的分?jǐn)?shù)階階次減少抖震；
[0054] 用改進(jìn)的恒權(quán)重計(jì)算方法求解趨近率，獲得系統(tǒng)功率跟蹤切換過程中的系統(tǒng)輸入 參數(shù)。
[0055] 所述全局的最優(yōu)函數(shù)是局部最優(yōu)穩(wěn)態(tài)操作函數(shù)遍歷不同電流的值得到，即由每一 個(gè)電流對應(yīng)的局部最優(yōu)函數(shù)組成全局最優(yōu)函數(shù)。
[0056] 采用上述進(jìn)一步的有益效果是，通過這種方法可以得到SOFC系統(tǒng)在所有允許輸入 參數(shù)下的輸出參數(shù)，方便計(jì)算得出滑模區(qū)間。
[0057]進(jìn)一步，所述SOFC系統(tǒng)不同輸入?yún)?shù)組合下的系統(tǒng)狀態(tài)及輸出參數(shù)包括：電堆內(nèi) 部溫度分布參數(shù)、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)功率。
[0058]采用上述進(jìn)一步的有益效果是，SOFC系統(tǒng)安全運(yùn)行必須保證電堆內(nèi)部溫度分布均 勻且不超過溫度約束，較大的溫度梯度或者較高的溫度將會(huì)對SOFC電堆造成嚴(yán)重的不可逆 轉(zhuǎn)的損害，影響SOFC系統(tǒng)壽命和運(yùn)行安全。為了讓SOFC系統(tǒng)安全，高效，長時(shí)間的運(yùn)行，通過 分?jǐn)?shù)階滑模變結(jié)構(gòu)熱電協(xié)