基于分數階滑模變結構sofc系統熱電協同控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基于分數階滑模變結構SOFC系統熱電協同控制方法。
【背景技術】
[0002] 燃料電池它是把氫和氧反應生成水放出的化學能轉換成電能的裝置。其基本原理 相當于電解反應的逆向反應。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。在電極同外部負載構成回路時就可向外供電。
[0003] 燃料電池種類不少，根據使用的電解質不同，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、無噪聲和能連續運轉等優點。它的發電效 率可達40%以上，熱電聯產的效率也達到80%以上。多數燃料電池正處于開發研制中，雖然 磷酸燃料電池(PAFC)等技術成熟并已經推向市場，但仍較昂貴。鑒于燃料電池的獨到優點， 隨著該項技術商業化進程的推進，必將在未來燃氣采暖行業起到越來越重要的作用。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種控制精準、靈活、穩定，能大大的提速切換 過程、克服SOFC系統大慣性的時滯特點，實現快速的負載切換的基于分數階滑模變結構 SOFC系統熱電協同控制方法。
[0006] 本發明解決上述技術問題的技術方案如下:基于分數階滑模變結構SOFC系統熱電 協同控制方法，包括以下步驟：
[0007] Sl、采集SOFC系統不同輸入參數組合下的系統狀態及輸出參數，通過系統辨識的 方法得到全負載區間穩態功率與溫度、效率響應特性、旁路閥開度BP對效率優化的影響函 數和指定負載切換區間及延時條件下的效率優化函數；
[0008] S2、基于所述全負載區間穩態功率與溫度、效率響應特性、旁路閥開度BP對效率優 化的影響函數和指定負載切換區間及延時條件下的效率優化函數獲取系統的局部最優穩 態操作函數、拓展形成穩態下全局優化函數和不同切換負載區間不同延時條件下的功率跟 蹤函數；
[0009] S3、根據所述最優穩態操作函數、拓展形成穩態下全局優化函數和指定負載切換 區間及延時條件下的效率優化函數計算得出滑模區間；
[0010] S4、根據所述滑模區間、全負載區間穩態功率與效率相應特性、指定負載切換區間 及延時條件下的效率優化函數和不同切換負載區間不同延時條件下的改進優化函數計算 得出系列趨近律函數；
[0011] S5、通過分數階優化法對所述系列趨近律函數消除抖震，通過計算求解出趨近律。
[0012] 本發明的有益效果是，燃料利用率FU是行業內公認影響系統發電效率的關鍵指 標，且目前的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系統效率;空氣過量比AR為輸入空氣 與參與反應的空氣流量之間的直接關系表達，有利于在系統控制分析中實現協同聯動。
[0013] 此外，面向負載跟蹤，針對不同功率的穩態輸出需求，可以快速獲取最優操作點 (Is，BP，AR，FU)，使其在保障系統熱特性安全前提下滿足負載需求，并能實現在需求功率輸 出下實現系統最大效率。
[0014] 在面向負載跟蹤全過程觀測器設計中，進一步與系統過程的響應速度進行綜合匹 配分析，設計出滿足系統發電全過程需求的電堆內部溫度觀測器，以提高動靜態控制策略 及整體控制架構的精確性與穩定性。
[0015] 向分數階滑模變結構SOFC熱電管控架構進行映射，此優化穩態操作策略集可將目 標滑模面拓展為滑模區間，從而將為以安全、快速、低抖震抵達滑模面為目標的趨近律（即 動態切換策略)設計，考慮不同氣體延時前提下，提供更大的靈活性與品質保證。
[0016] 在功率跟蹤過程中，功率變化導致系統溫度變化的過程需要一段時間才表現出 來，所以，只要在進行快速功率跟蹤的同時，施加能夠抑制功率波動帶來的溫度變化的控制 量即可實現溫度約束管控的目的。而本項目分析獲得的優化操作集（^，^^!^，^^能夠保 證效率優化的情況下抑制特定功率下的溫度約束；同時，擬采用的包括兩個階段的組合切 換策略將可大大的提速切換過程、克服SOFC系統大慣性的時滯特點，實現快速的負載切換
[0017] 進一步，所述步驟Sl中，通過運行電堆的分布式節點模型獲取電堆內部溫度分布 參數。
[0018] 采用上述進一步的有益效果是，基于已有指定穩態下的電堆內部溫度梯度觀測方 法、進行熱電特性響應時間尺度、氣固熱特性響應時間尺度兩層分解，實現負載跟蹤全過程 中的溫度梯度觀測的實時性，從而原理上保障動靜態控制策略及分數階滑模變結構控制架 構的物理可實現性。在面向負載跟蹤全過程觀測器設計中，進一步與系統過程的響應速度 進行綜合匹配分析，以提高動靜態控制策略及整體控制架構的精確性與穩定性。
[0019] 進一步，所述電堆的維數為一維。
[0020] 采用上述進一步的有益效果是，一維化是為了簡化實際電堆模型，這個簡化的過 程保證了所需要參數是準確的，例如電堆內的溫度，溫度梯度等。
[0021 ]進一步，所述步驟Sl中局部最優穩態操作函數的確定方法，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、以空氣過量比 AR為縱坐標的輸出性能圖譜；
[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、以空氣過量比為縱坐標的輸出性能圖譜；
[0024]遍歷不同工作電流I s的值，獲取任一操作點（I s，BP，AR，FU)下的系統輸出性能； [0025]面向負載跟蹤，針對任意功率的穩態輸出需求，確定與該需求對應的最優穩態操 作函數。
[0026]采用上述進一步的有益效果是，由于實際系統物理實現過程中，包括溫度、功率、 效率等熱電特性均與電流直接相關，本發明中基于模型的穩態與動態分析將均基于電流分 析模式展開。面向SOFC熱電管控需求，為實時調節電堆內部溫度分布，需要通入過量空氣； 為實時跟蹤負載需求，需調節燃料利用率;為快速調節電堆內部溫度，且優化控制系統發電 效率，需實時調節旁路冷空氣的輸出量，即調節旁路閥開度BP。燃料利用率FU是行業內公認 影響系統發電效率的關鍵指標，且目前該領域的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系 統效率;空氣過量比AR為輸入空氣與參與反應的空氣流量之間的直接關系表達，有利于在 系統控制分析中實現協同聯動。本發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)為組合調節量。
[0027] 進一步，所述步驟Sl中電堆內部溫度分布參數是通過電堆內部溫度梯度觀測器來 獲取的，所述電堆內部溫度梯度觀測器的構建包括以下步驟：
[0028] 建立基于線性化狀態空間方程涉及降維龍伯格觀測器；
[0029] 假定電化學反應是瞬間完成的，進行準靜態假設后，模型為：
個節點的固體層溫度和空氣層溫度，y為第五個節點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，設計如下形式的觀測器：
[0034；
⑵
[0035] 其中X1和夕分別是xdPy的估計；L是待求增益，V是估計值與實際值之間的誤差， 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，先將模型進行線性化成如下形式：
[0037]
(3)
[0038]對比非線性模型，驗證線性化后模型的準確度。然后，根據SOFC氣、固體間熱傳遞 響應速度差異很大的特性，對模型進行如下分解：
[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，分別用線性理論設計觀測器，求解 出各自對應的觀測器增益LdPL2。然后，我們用如下方法構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] 采用上述進一步的有益效果是，_S0FC的電特性由電化學反應決定，響應速度在毫 秒級；SOFC的熱特性由電堆之間的熱傳遞決定，響應速度在秒甚至分鐘級。另，由于氣體和 固體熱傳遞系數的差異，氣、固體之間熱傳遞響應速度也存在時間量級上的差距。針對不同 負載變換時的切換策略，需要在已有電堆內部觀測器設計方法基礎上、進行與負載跟蹤過 程中時間尺度相匹配的觀測器設計優化。根據已有的"全可測最小維狀態空間"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，為了進一步實現全負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 空間方程設計降維龍伯格觀測器。
[0049] 與直接進行系統極點配置求解L相比，該構造方法有效的避免了因氣體和固體熱 傳遞響應速度的數量級不同；且該方法可以擴展在不同的操作點進行，獲取在該工作點的 觀測器。
[0050] 進一步，所述步驟S4中，計算得出系列趨近律函數的具體方法是：
[0051 ]根據所述效率優化函數得到系統全局的系列最優滑模面；
[0052] 根據不同滑模面之間的功率區間的功率與溫度、效率特性確定趨近率函數；
[0053] 根據功率的最優切換函數確定趨近率函數的分數階階次減少抖震；
[0054] 用改進的恒權重計算方法求解趨近率，獲得系統功率跟蹤切換過程中的系統輸入 參數。
[0055] 所述全局的最優函數是局部最優穩態操作函數遍歷不同電流的值得到，即由每一 個電流對應的局部最優函數組成全局最優函數。
[0056] 采用上述進一步的有益效果是，通過這種方法可以得到SOFC系統在所有允許輸入 參數下的輸出參數，方便計算得出滑模區間。
[0057]進一步，所述SOFC系統不同輸入參數組合下的系統狀態及輸出參數包括：電堆內 部溫度分布參數、系統效率、系統功率。
[0058]采用上述進一步的有益效果是，SOFC系統安全運行必須保證電堆內部溫度分布均 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對SOFC電堆造成嚴重的不可逆 轉的損害，影響SOFC系統壽命和運行安全。為了讓SOFC系統安全，高效，長時間的運行，通過 分數階滑模變結構熱電協