一种固体氧化物燃料电池电压多模型融合控制方法

摘要

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池(SOFC)电压多模型融合控制方法，该方法针对SOFC系统具有较强的非线性，基于多个典型负荷工况，设计多模型控制器，通过控制输入SOFC系统的燃料量来控制系统的定电压输出。多模型控制器基于多个典型工况下比例积分(PI)控制器设计，并结合系统扰动电流可测的特性，根据测得的扰动电流大小来实现各个分控制器的输出控制量的融合，得到多模型控制器输入SOFC系统的燃料控制量。该方法能够在全工况范围内维持固体氧化物燃料电池系统输出电压的稳定，提高系统运行的安全性和经济性。

主权项

一种SOFC电压多模型融合控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1)，选择SOFC系统30％、40％、60％、90％负荷工况作为工况点，在每一工况点下，当SOFC系统稳定运行后，阶跃增加1％的燃料输入量，每500ms采样一次SOFC系统输出的电压值V_dc，直至SOFC系统重新稳定为止；采用基于阶跃响应的模型辨识方法分别得到对应四个工况下燃料量‑输出电压动态特性的传递函数模型G_i(s)：$G_i\left(s\right)=\frac{k_i}{(T_{i1}·s+1)(T_{i2}·s+1)...(T_{\mathrm{in}}·s+1)}$其中，s为复数变量，k_i,T_i1,T_i2…T_in为模型参数，k_i为模型增益，T_i1,T_i2…T_in为时间常数；i＝1,2,3,4，分别对应30％、40％、60％、90％负荷工况；步骤2)，以所述步骤1)中辨识得到的四个传递函数模型G_i(s)作为被控对象，分别按工程整定方法整定得到对应的四组PI控制器参数：kp_i,Ti_i；其中，kp_i为比例系数，Ti_i为积分时间，i＝1,2,3,4；步骤3)，根据所述步骤2)中整定得到的四组PI控制器参数，设计四个离散PI控制器：在采样k时刻，将SOFC系统输出电压V_dc与设定值V_sp的偏差e_i(k)和(k‑1)采样时刻SOFC系统的输入燃料量u_i(k‑1)作为PI控制器的输入，计算得到当前时刻PI控制的控制输出为：u_i(k)＝u_i(k‑1)+KP_i·[e_i(k)‑e_i(k‑1)]+KI_i·e_i(k)；其中，e_i(k‑1)为(k‑1)采样时刻SOFC系统输出电压V_dc与设定值V_sp的偏差，KP_i、KI_i分别为离散PI控制器参数，KP_i＝kp_i，KI_i＝kp_i·T/Ti_i，T为控制系统采样周期，i＝1,2,3,4；步骤4)，在采样k时刻，测量SOFC系统扰动电流I(k)大小，对所述步骤3)中得到的四个离散PI控制器对应的控制输出u_i(k)进行融合，得到多模型控制器输入SOFC系统的燃料控制量为：其中，λ_i为离散PI控制器的权值，i＝1,2,3,4；控制器权值λ_i根据扰动电流I(k)，按如下关系式求得：当I(k)≤I₁，λ₁＝1,λ₂＝0,λ₃＝0,λ₄＝0当I₁<I(k)≤I₂，λ₁＝[I₂‑I(k)]/[I₂‑I₁],λ₂＝1‑λ₁,λ₃＝0,λ₄＝0当I₂<I(k)≤I₃，λ₁＝0,λ₂＝[I₃‑I(k)]/[I₃‑I₂],λ₃＝1‑λ₂,λ₄＝0当I₃<I(k)≤I₄，λ₁＝0,λ₂＝0,λ₃＝[I₄‑I(k)]/[I₄‑I₃],λ₄＝1‑λ₃当I(k)>I₄，λ₁＝0,λ₂＝0,λ₃＝0,λ₄＝1其中，I₁、I₂、I₃和I₄分别为30％、40％、60％、90％负荷工况下SOFC系统对应的稳态负荷电流。