基于分数阶滑模变结构sofc系统热电协同控制方法

基于分数阶滑模变结构sofc系统热电协同控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于分数阶滑模变结构SOFC系统热电协同控制方法。
【背景技术】
[0002] 燃料电池它是把氢和氧反应生成水放出的化学能转换成电能的装置。其基本原理 相当于电解反应的逆向反应。燃料(H2和CO等)及氧化剂(02)在电池的阴极和阳极上借助氧 化剂作用，电离成离子，由于离子能通过在二电极中间的电介质在电极间迀移，在阴电极、 阳电极间形成电压。在电极同外部负载构成回路时就可向外供电。
[0003] 燃料电池种类不少，根据使用的电解质不同，主要有磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳 酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧气物燃料电池(S0FC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。
[0004] 燃料电池具有无污染、高效率、适用广、无噪声和能连续运转等优点。它的发电效 率可达40%以上，热电联产的效率也达到80%以上。多数燃料电池正处于开发研制中，虽然 磷酸燃料电池(PAFC)等技术成熟并已经推向市场，但仍较昂贵。鉴于燃料电池的独到优点， 随着该项技术商业化进程的推进，必将在未来燃气采暖行业起到越来越重要的作用。

【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种控制精准、灵活、稳定，能大大的提速切换 过程、克服SOFC系统大惯性的时滞特点，实现快速的负载切换的基于分数阶滑模变结构 SOFC系统热电协同控制方法。
[0006] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下:基于分数阶滑模变结构SOFC系统热电 协同控制方法，包括以下步骤：
[0007] Sl、采集SOFC系统不同输入参数组合下的系统状态及输出参数，通过系统辨识的 方法得到全负载区间稳态功率与温度、效率响应特性、旁路阀开度BP对效率优化的影响函 数和指定负载切换区间及延时条件下的效率优化函数；
[0008] S2、基于所述全负载区间稳态功率与温度、效率响应特性、旁路阀开度BP对效率优 化的影响函数和指定负载切换区间及延时条件下的效率优化函数获取系统的局部最优稳 态操作函数、拓展形成稳态下全局优化函数和不同切换负载区间不同延时条件下的功率跟 踪函数；
[0009] S3、根据所述最优稳态操作函数、拓展形成稳态下全局优化函数和指定负载切换 区间及延时条件下的效率优化函数计算得出滑模区间；
[0010] S4、根据所述滑模区间、全负载区间稳态功率与效率相应特性、指定负载切换区间 及延时条件下的效率优化函数和不同切换负载区间不同延时条件下的改进优化函数计算 得出系列趋近律函数；
[0011] S5、通过分数阶优化法对所述系列趋近律函数消除抖震，通过计算求解出趋近律。
[0012] 本发明的有益效果是，燃料利用率FU是行业内公认影响系统发电效率的关键指 标，且目前的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系统效率;空气过量比AR为输入空气 与参与反应的空气流量之间的直接关系表达，有利于在系统控制分析中实现协同联动。
[0013] 此外，面向负载跟踪，针对不同功率的稳态输出需求，可以快速获取最优操作点 (Is，BP，AR，FU)，使其在保障系统热特性安全前提下满足负载需求，并能实现在需求功率输 出下实现系统最大效率。
[0014] 在面向负载跟踪全过程观测器设计中，进一步与系统过程的响应速度进行综合匹 配分析，设计出满足系统发电全过程需求的电堆内部温度观测器，以提高动静态控制策略 及整体控制架构的精确性与稳定性。
[0015] 向分数阶滑模变结构SOFC热电管控架构进行映射，此优化稳态操作策略集可将目 标滑模面拓展为滑模区间，从而将为以安全、快速、低抖震抵达滑模面为目标的趋近律（即 动态切换策略)设计，考虑不同气体延时前提下，提供更大的灵活性与品质保证。
[0016] 在功率跟踪过程中，功率变化导致系统温度变化的过程需要一段时间才表现出 来，所以，只要在进行快速功率跟踪的同时，施加能够抑制功率波动带来的温度变化的控制 量即可实现温度约束管控的目的。而本项目分析获得的优化操作集（^，^^!^，^^能够保 证效率优化的情况下抑制特定功率下的温度约束；同时，拟采用的包括两个阶段的组合切 换策略将可大大的提速切换过程、克服SOFC系统大惯性的时滞特点，实现快速的负载切换
[0017] 进一步，所述步骤Sl中，通过运行电堆的分布式节点模型获取电堆内部温度分布 参数。
[0018] 采用上述进一步的有益效果是，基于已有指定稳态下的电堆内部温度梯度观测方 法、进行热电特性响应时间尺度、气固热特性响应时间尺度两层分解，实现负载跟踪全过程 中的温度梯度观测的实时性，从而原理上保障动静态控制策略及分数阶滑模变结构控制架 构的物理可实现性。在面向负载跟踪全过程观测器设计中，进一步与系统过程的响应速度 进行综合匹配分析，以提高动静态控制策略及整体控制架构的精确性与稳定性。
[0019] 进一步，所述电堆的维数为一维。
[0020] 采用上述进一步的有益效果是，一维化是为了简化实际电堆模型，这个简化的过 程保证了所需要参数是准确的，例如电堆内的温度，温度梯度等。
[0021 ]进一步，所述步骤Sl中局部最优稳态操作函数的确定方法，包括以下步骤：
[0022]固定工作电流Is和旁路阀开度BP，得到以燃料利用率FU为横坐标、以空气过量比 AR为纵坐标的输出性能图谱；
[0023]对于所述输出性能图谱，固定工作电流Is，得到不同旁路阀开度下以燃料利用率 为横坐标、以空气过量比为纵坐标的输出性能图谱；
[0024]遍历不同工作电流I s的值，获取任一操作点（I s，BP，AR，FU)下的系统输出性能； [0025]面向负载跟踪，针对任意功率的稳态输出需求，确定与该需求对应的最优稳态操 作函数。
[0026]采用上述进一步的有益效果是，由于实际系统物理实现过程中，包括温度、功率、 效率等热电特性均与电流直接相关，本发明中基于模型的稳态与动态分析将均基于电流分 析模式展开。面向SOFC热电管控需求，为实时调节电堆内部温度分布，需要通入过量空气； 为实时跟踪负载需求，需调节燃料利用率;为快速调节电堆内部温度，且优化控制系统发电 效率，需实时调节旁路冷空气的输出量，即调节旁路阀开度BP。燃料利用率FU是行业内公认 影响系统发电效率的关键指标，且目前该领域的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系 统效率;空气过量比AR为输入空气与参与反应的空气流量之间的直接关系表达，有利于在 系统控制分析中实现协同联动。本发明采用电流控制模式，选取空气过量比(AR)、燃料利用 率(FU)，旁路阀开度(BP)、电流(Is)为组合调节量。
[0027] 进一步，所述步骤Sl中电堆内部温度分布参数是通过电堆内部温度梯度观测器来 获取的，所述电堆内部温度梯度观测器的构建包括以下步骤：
[0028] 建立基于线性化状态空间方程涉及降维龙伯格观测器；
[0029] 假定电化学反应是瞬间完成的，进行准静态假设后，模型为：
个节点的固体层温度和空气层温度，y为第五个节点的固体层温度和空气层温度；
[0030]
[0031] ，xl为前四
[0032]
[0033] 对以上模型，设计如下形式的观测器：
[0034；
⑵
[0035] 其中X1和夕分别是xdPy的估计；L是待求增益，V是估计值与实际值之间的误差， V =夕-少A为辅I人的_及燃料·：流量:和阴极燃料·：流量：，W为电堆的辅I出电、流；
[0036] 为求解增益L，先将模型进行线性化成如下形式：
[0037]
(3)
[0038]对比非线性模型，验证线性化后模型的准确度。然后，根据SOFC气、固体间热传递 响应速度差异很大的特性，对模型进行如下分解：
[0039] 气体热传递模型：
[0040]
(4)
[0041] 固体热传递模型：
[0042]
(5)
[0043] 对以上的气体热传递模型和固体热传递模型，分别用线性理论设计观测器，求解 出各自对应的观测器增益LdPL2。然后，我们用如下方法构造出非线性观测器增益矩阵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] 采用上述进一步的有益效果是，_S0FC的电特性由电化学反应决定，响应速度在毫 秒级；SOFC的热特性由电堆之间的热传递决定，响应速度在秒甚至分钟级。另，由于气体和 固体热传递系数的差异，气、固体之间热传递响应速度也存在时间量级上的差距。针对不同 负载变换时的切换策略，需要在已有电堆内部观测器设计方法基础上、进行与负载跟踪过 程中时间尺度相匹配的观测器设计优化。根据已有的"全可测最小维状态空间"方法，可以
确定出低成本、快速、高精度的观测变量选择方案 然后，基于该变量 组合，为了进一步实现全负载跟踪过程电堆温度分布快速观测的需要，拟基于线性化状态 空间方程设计降维龙伯格观测器。
[0049] 与直接进行系统极点配置求解L相比，该构造方法有效的避免了因气体和固体热 传递响应速度的数量级不同；且该方法可以扩展在不同的操作点进行，获取在该工作点的 观测器。
[0050] 进一步，所述步骤S4中，计算得出系列趋近律函数的具体方法是：
[0051 ]根据所述效率优化函数得到系统全局的系列最优滑模面；
[0052] 根据不同滑模面之间的功率区间的功率与温度、效率特性确定趋近率函数；
[0053] 根据功率的最优切换函数确定趋近率函数的分数阶阶次减少抖震；
[0054] 用改进的恒权重计算方法求解趋近率，获得系统功率跟踪切换过程中的系统输入 参数。
[0055] 所述全局的最优函数是局部最优稳态操作函数遍历不同电流的值得到，即由每一 个电流对应的局部最优函数组成全局最优函数。
[0056] 采用上述进一步的有益效果是，通过这种方法可以得到SOFC系统在所有允许输入 参数下的输出参数，方便计算得出滑模区间。
[0057]进一步，所述SOFC系统不同输入参数组合下的系统状态及输出参数包括：电堆内 部温度分布参数、系统效率、系统功率。
[0058]采用上述进一步的有益效果是，SOFC系统安全运行必须保证电堆内部温度分布均 匀且不超过温度约束，较大的温度梯度或者较高的温度将会对SOFC电堆造成严重的不可逆 转的损害，影响SOFC系统寿命和运行安全。为了让SOFC系统安全，高效，长时间的运行，通过 分数阶滑模变结构热电协