基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法

摘要

基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池(SOFC)电压控制方法针对固体氧化物燃料电池系统具有较强非线性，且非线性主要表现在对象增益上，以及系统扰动负荷电流可测的特性，通过辨识对象局部线性模型增益与负荷电流间的数学关系，在动态控制过程中对系统对象进行增益动态补偿，和比例积分(PI)控制回路共同组成新型SOFC系统电压控制回路。该方法能够有效减小对象非线性对控制过程的影响，保证了全工况范围内SOFC系统输出电压控制的快速性和稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于热工自动控制技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池输出 电压的控制方法。

背景技术

在固体氧化物燃料电池系统的实际运行中，往往需要维持电压的稳定输出， 然而外界负荷变化的扰动往往会造成负荷电流的变化，进而会对系统的电压造成 扰动，不利于电压的稳定输出。一般来说，可通过控制进入系统的燃料量来控制 固体氧化物燃料电池的电压输出，并克服负荷的扰动。但固体氧化物燃料电池较 强的非线性增加了电压过程控制的难度。

普通比例积分控制器是基于线性模型设计，当系统具有非线性，在工况变化 时，由于对象特性的变化，比例积分控制器参数与模型失配，控制效果较差，不 能满足控制需求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料 电池电压控制方法，解决固体氧化物燃料电池电压控制过程中对象非线性对控制 的影响。

技术方案：基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法，该方 法基于包括比例积分控制和非线性增益补偿环节的控制系统，包括如下步骤：

步骤1)，选择固体氧化物燃料电池系统30％、40％、55％、70％、100％负荷 工况作为工况点，在每一工况下，待固体氧化物燃料电池系统负荷电流稳定且输 出电压V_dc为额定电压后，阶跃增加1％的燃料量Δu_i，待固体氧化物燃料电池系 统重新稳定后记录系统输出电压V_dc的变化量ΔV_i，得到各个负荷工况对应的燃料 量-输出电压对象模型的增益k_i：k_i＝ΔV_i/Δu_i；其中，i＝1，2，3，4，5分别对应30％、 40％、55％、70％、100％负荷工况点；

步骤2)，根据所述步骤1)得到的各负荷工况对应的燃料量-输出电压对象模 型的增益k_i和对应负荷下固体氧化物燃料电池系统额定负荷电流I_i，使用Matlab 曲线拟合工具箱CFtool，拟合得到固体氧化物燃料电池系统燃料量-输出电压对 象模型的增益k与额定负荷电流I的关系：k＝aI^b+c；其中a，b，c为辨识参数， i＝1，2，3，4，5分别对应30％、40％、55％、70％、100％负荷工况点；

步骤3)，在固体氧化物燃料电池最低运行负荷工况下，采用基于阶跃响应的 模型辨识方法，分别获得固体氧化物燃料电池系统的燃料量-输出电压之间的动 态数学模型G_o(s)，以及负荷电流-输出电压之间的动态数学模型G_r(s)；其中，s 为复数变量；

步骤4)，将所述动态数学模型G_o(s)的增益置为1，并以所述动态数学模型 G_o(s)作为主控对象，所述动态数学模型G_r(s)作为外扰通道对象，与PI控制器 构成单回路反馈控制系统；

步骤5)，采用基于多目标遗传算法NSGA-II的优化整定方法，对所述步骤 4)中的单回路反馈控制系统，整定其中的PI控制器参数；其中，所述NSGA-II 算法的优化目标为：所述外扰通道加入阶跃扰动时，所述单回路反馈控制系统输 出量的最大动态偏差最小，且所述单回路反馈控制系统输出量的动态过程衰减率 最接近设定值ψ，ψ取值范围为0.8～0.9；根据所述NSGA-II算法的优化目标， 从优化解集中选择满足该优化目标的PI控制器参数：kp、Ti；其中，kp为控制 器的比例系数，Ti为积分时间；

步骤6)，将固体氧化物燃料电池系统的输出电压V_dc与系统电压设定值V_r的 偏差ΔV′送入PI控制器，经所述PI控制器运算后，得到PI控制器输出控制量u_PI；

步骤7)，将所述控制量u_PI送入所述非线性增益补偿环节，所述非线性增益补 偿环节根据系统负荷电流I和所述步骤2)得到的所述系统燃料量-输出电压对象 模型的增益k与额定负荷电流I的关系，计算得到固体氧化物燃料电池系统的实 时补偿增益k；根据所述实时补偿增益k，得到经所述非线性增益补偿环节后的 燃料控制量u：u＝u_PI/k；

步骤8)，将所述步骤7)得到的燃料控制量u作为固体氧化物燃料电池系统燃 料量的控制值，传送到系统燃料量调节执行机构中，来控制调节进入固体氧化物 燃料电池系统的燃料量，从而控制系统的输出电压值。

有益效果：本发明充分考虑固体氧化物燃料电池系统的强非线性主要表现在 对象的增益上的特性，通过拟合得到的负荷电流与对应对象增益间数学关系，在 不同工况下，根据可测的扰动电流来求取对应的对象增益，使用该增益倒数对不 同负荷工况下对象增益进行补偿。通过采用非线性增益补偿和比例积分控制相结 合的策略，减少固体氧化物燃料电池电压控制过程中对象非线性对控制的影响， 增加系统的响应速度和稳定性。

附图说明

图1是固体氧化物燃料电池电压控制系统结构图；

图2是用于整定PI控制器的控制系统图，图中r为设定值，λ为外扰，y为 系统输出；

图3是固体氧化物燃料电池在低负荷段负荷电流阶跃扰动时控制系统响应 曲线；

图4是固体氧化物燃料电池在中间负荷段负荷电流阶跃扰动时控制系统响 应曲线；

图5是固体氧化物燃料电池在高负荷段负荷电流阶跃扰动时控制系统响应 曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

由于固体氧化物燃料电池具有较强的非线性，且通过模型辨识可以发现，对 象的非线性主要表现在对象增益上。如图1所示，本发明的基于非线性增益补偿 的固体氧化物燃料电池电压控制方法，通过辨识拟合得到对象模型增益与负荷电 流间的数学关系，在控制过程中基于可测的负荷电流对系统非线性进行增益动态 补偿，并与比例积分控制回路相结合，比例积分控制器参数基于低负荷下增益补 偿后的局部线性模型，采用多目标遗传算法整定得到。

如图1所示，以额定电流为300A、额定电压为342.25V、最低电流负荷为 90A的固体氧化物燃料电池作为例子，说明本发明的技术方案实施过程如下：

步骤1)，选择固体氧化物燃料电池系统30％、40％、55％、70％、100％负 荷工况作为工况点，在每一工况下，待固体氧化物燃料电池系统负荷电流稳定且 输出电压V_dc为额定电压后，阶跃增加1％的燃料量Δu_i，待固体氧化物燃料电池 系统重新稳定后记录系统输出电压V_dc的变化量ΔV_i，得到各个负荷工况对应的燃 料量-输出电压对象模型的增益k_i：k_i＝ΔV_i/Δu_i，其中，i＝1，2，3，4，5分别对应30％、 40％、55％、70％、100％负荷工况点。所得数据如下表所示：

步骤2)，根据所述步骤1)得到的各负荷工况对应的燃料量-输出电压对象模 型的增益k_i和对应负荷下固体氧化物燃料电池系统额定负荷电流I_i，使用Matlab 曲线拟合工具箱CFtool，拟合得到固体氧化物燃料电池系统燃料量-输出电压对 象模型的增益k与额定负荷电流I的关系：k＝aI^b+c；其中a，b，c为辨识参数， i＝1，2，3，4，5分别对应30％、40％、55％、70％、100％负荷工况点；在本实施例中， k＝41470I^-0.7902-299.6；

步骤3)，在固体氧化物燃料电池最低运行负荷工况下，采用基于阶跃响应的 模型辨识方法，分别获得固体氧化物燃料电池系统的燃料量-输出电压之间的动 态数学模型G_o(s)，以及负荷电流-输出电压之间的动态数学模型G_r(s)；其中，s 为复数变量；

在本实施例中，$G_0\left(s\right)=\frac{881.1}{60.06s^2+27.9s+1},$$G_r\left(s\right)=-\frac{2.11}{27.26s+1}$

步骤4)，将所述动态数学模型G_o(s)的增益置为1，并以所述动态数学模型 G_o(s)作为主控对象，所述动态数学模型G_r(s)作为外扰通道对象，与PI控制器 构成单回路反馈控制系统，该单回路反馈控制系统结构如图2所示；

步骤5)，采用基于多目标遗传算法NSGA-II的优化整定方法，对所述步骤4) 中的单回路反馈控制系统，整定其中的PI控制器参数；其中，所述NSGA-II算 法的优化目标为：所述外扰通道加入阶跃扰动时，所述单回路反馈控制系统输出 量的最大动态偏差最小，且所述单回路反馈控制系统输出量的动态过程衰减率最 接近设定值ψ，ψ取值范围为0.8～0.9；根据所述NSGA-II算法的优化目标，从 优化解集中选择满足该优化目标的PI控制器参数：kp、Ti；其中，kp为控制器 的比例系数，Ti为积分时间；在本实施例中，ψ取为0.8，kp＝16，Ti＝52.4；

步骤6)，将固体氧化物燃料电池系统的输出电压V_dc与系统电压设定值V_r的偏 差ΔV′送入PI控制器，经所述PI控制器运算后，得到PI控制器输出控制量u_PI；

步骤7)，将所述控制量u_PI送入所述非线性增益补偿环节，所述非线性增益补 偿环节根据系统负荷电流I和所述步骤2)得到的所述系统燃料量-输出电压对象 模型的增益k与额定负荷电流I的关系，计算得到固体氧化物燃料电池系统的实 时补偿增益k；根据所述实时补偿增益k，得到经所述非线性增益补偿环节后的 燃料控制量u：u＝u_PI/k；

步骤8)，将所述步骤7)得到的燃料控制量u作为固体氧化物燃料电池系统燃 料量的控制值，传送到系统燃料量调节执行机构中，来控制调节进入固体氧化物 燃料电池系统的燃料量，从而控制系统的输出电压值。

固体氧化物燃料电池在低负荷段，负荷电流从110A阶跃到90A时控制系统 响应曲线如图3所示。固体氧化物燃料电池在中间负荷段，负荷电流从170A阶 跃到150A时控制系统响应曲线如图4所示。固体氧化物燃料电池在高负荷段， 负荷电流从270A阶跃到300A时控制系统响应曲线如图5所示。从中可以看出， 系统在各个负荷段对于外界的负荷扰动都能够具有好的控制性能，同时保证了系 统输出电压控制的快速性和稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。