[发明专利]一种固体氧化物燃料电池系统的最优容错控制方法

说明书

本发明公开了一种固体氧化物燃料电池系统的最优容错控制方法，通过优化模块获取系统正常状态与空气压缩机故障状态的最优运行参数，通过故障诊断模块诊断当前系统所处状态，并根据诊断结果，利用切换模块选择最优运行参数并将其作为被控参数的目标值，最后使用PID控制器实现功率温度及空气过氧比的跟踪控制，最终实现系统的最优容错控制。

技术领域

本发明属于优化控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种固体氧化物燃料电池系统的最优容错控制方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池系统是一种在中高温条件下将化石燃料中的化学能直接转换为电能的电化学发电装置，其具有环境友好、能量转换效率高等特点。然而负载跟踪、热管理、空气过氧比限制、高效率、低成本、故障诊断等六大问题依旧阻碍着系统的发展。

优化控制可以在实现目标跟踪的同时，保证系统的性能最优。现有的优化控制方法，在跟踪系统温度、空气过氧比、负载功率时，无法同时实现系统效率和成本的最优。除此之外，现有的优化控制方法并未考虑系统发生故障时该如何处理。然而，系统在运行过程中经常会产生各种故障，从而影响系统的发电性能，严重者甚至会造成燃料电池失效。

基于上述情况本发明提出了固体氧化物燃料电池系统最优容错控制方案，该方案能够实现系统正常与故障状态下，系统温度、负载功率、过氧比的跟踪控制，同时最大化系统效率，最小化系统成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种固体氧化物燃料电池系统的最优容错控制方法，通过添加故障诊断与切换控制来实现了正常与故障状态下的负载功率、过氧比以及阴阳极入口温度的跟踪控制，同时最优化效率与成本。

为实现上述发明目的，本发明为一种固体氧化物燃料电池系统的最优容错控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立固体氧化物燃料电池系统的正常与空气压缩机的故障模型；

系统输出功率：P＝VI-P_cp，V为燃料电池的输出电压，I为负载电流，P_cp为空气压缩机消耗的功率；

系统输出效率：LHV_f为燃料的低热值，W_f为系统的燃料入口流量；

系统电单位成本：c为固体氧化物燃料电池的发电成本，Ex为固体氧化物燃料电池的发电火用值；

系统阴阳极入口温度T₄、T₁₄：

其中分别为系统两个混合器的入口能量流，W₄、W₁₄分别为两个混合器的出口流量，x_4,i、x_14,i表示系统两个混合器的出口气体的摩尔份数，c_p,i则表示气体的比热容，代表气体的标准摩尔焓，T_o表示大气温度；

系统过氧比W_a为空气入口流量，为空气中氧气摩尔份数，N为电堆的电池个数，F为法拉第常数；

系统燃料利用率u_f：为燃料中甲烷摩尔份数；

当系统处于正常状态时，空气压缩机消耗的功率P_cp和出口温度T₁₁满足：

当系统处于空气压缩机故障状态时，空气压缩机消耗的功率P_cp和出口温度T₁₁满足：