[发明专利]固体氧化物燃料电池输出电压的控制方法

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，然而外界负荷的变化往往会造成电流的变化，进而会对固体氧化物燃料电池的电压造成扰动，不利于电压的稳定输出。一般来说，可通过控制进入固体氧化物燃料电池的燃料量来控制燃料电池的电压输出，并克服电流的扰动。在固体氧化物燃料电池电压控制过程中，一般要求燃料利用率应在0.7-0.9范围内变化。另外，固体氧化物燃料电池电压过程具有明显的非线性特性。由固体氧化物燃料的特性可知，固体氧化物燃料在低负荷运行时，其电压和燃料利用率比较难以控制。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对上述问题，提出一种维持燃料利用率在合理范围的条件下，使电压具有良好的控制效果的固体氧化物燃料电池输出电压的控制方法，使闭环控制系统具有足够的稳定性。

技术方案：本发明所述的固体氧化物燃料电池输出电压的前馈-反馈控制方法，前馈控制采用比例(P)调节器，其参数按燃料电池在额定负荷下的特性整定；反馈控制采用比例积分(PI)调节器，其参数根据燃料电池在最小负荷下的特性，并考虑燃料利用率变化范围的限制，采用多目标优化方法整定。该方法包括如下步骤：

(1)通过模型辨识获得固体氧化物燃料电池的动态数学模型。在最低负荷点稳态情况下：维持供给固体氧化物燃料电池的燃料量(天然气量)不变，负荷电流阶跃增加10％，每隔2秒记录燃料电池堆输出电压值，直至输出电压值稳定为止。维持负荷电流不变，燃料量阶跃增加10％，每隔2秒记录燃料电池堆的输出电压值，直到输出电压值稳定为止；采用基于阶跃响应的模型辨识方法，分别获得燃料量-输出电压，负荷电流-输出电压之间的动态数学模型G_o(s)和G_r(s)；

(2)用基于步骤(1)步所获得的两个递函数模型与一个比例积分(PI)调节器和一个比例(P)调节器连接，构成一个燃料电池输出电压前馈-反馈控制系统。比例积分(PI)调节器作为闭环反馈调节器，输入为燃料电池输出电压的设定值与测量值之差，输出为进入燃料电池的燃料量。比例(P)调节器作为前馈调节器，其输入为扰动电流，输出为进入燃料电池的燃料量；

(3)前馈调节器参数K按如下的方式进行整定：燃料电池在额定负荷工况下运行时，维持供给固体氧化物燃料电池的燃料量(天然气量)不变，负荷电流阶跃减少10％，直至输出电压值稳定为止，记录在此过程中电压稳态值变化量K₁；维持负荷电流不变，燃料量阶跃减少10％，直到输出电压值稳定为止，记录此过程中电压稳态值变化量为K₂，取K＝K₂/K₁；

(4)确定用于反馈比例积分(PI)调节器参数优化整定的优化目标：在最低负荷工况下，负荷电流I阶跃增加10％时，输出电压的最大动态偏差V_max最小，输出电压的衰减率ψ_V最大；

(5)将比例积分(PI)调节器的比例系数K_P，积分时间常数T_i作为整定参数，通过步骤(2)构成的前馈-反馈控制系统仿真，采用非支配快速排序遗传算法不断搜索K_P，T_i作为调节器参数值，使得系统输出能够满足步骤(4)确定的优化目标。通过遗传算法搜索获得的符合优化目标的多组调节器参数构成参数整定优化解集M；

(6)根据固体氧化物燃料电池电压调节性能的要求，在优化解集M中按如下的方法进行偏好决策；

(61)从优化解集M中选择输出电压响应衰减率大于ψ_Vmin的解构成新的优化解集M1，其中ψ_Vmin为所设定的最小输出电压响应衰减率；

(62)负荷电流I阶跃增加10％，仿真计算优化解集M1中每一个解所对应的燃料利用率与0.8之差的绝对值的最大值|Δu|_max，选取M1解集中|Δu|_max最小的一组解，作为最优的比例积分(PI)调节器参数值；

(7)将步骤(6)的偏好决策过程获得的那一组最优的PI参数，作为最终的比例积分(PI)调节器的参数，与步骤(3)获得的前馈调节器参数，一起作为固体氧化物燃料电池输出电压前馈-反馈控制系统的调节器参数。