[发明专利]用于并网型固体氧化物燃料电池的有功跟踪优化控制系统

权利要求书

1.用于并网型固体氧化物燃料电池的有功跟踪优化控制系统，其特征在于，包括设定值优化器SPO、电压源逆变器VSI、固体氧化物燃料电池SOFC系统以及L1-MPC跟踪控制器，所述的L1-MPC跟踪控制器由输出反馈L1补偿器与MPC控制器共同组成；

所述设定值优化器SPO接收电网调度系统的有功功率输出指令，并根据该指令求取电压的最优值、电流的最优值以及固体氧化物燃料电池SOFC系统最佳燃料利用率，并将电压的最优值和最佳燃料利用率传输至L1-MPC跟踪控制器，将电流的最优值传输至电压源逆变器VSI，所述电压的最优值及电流的最优值使得固体氧化物燃料电池SOFC系统消耗在内阻上的热功率最小；

所述L1-MPC跟踪控制器通过下式获得固体氧化物燃料电池SOFC系统的控制输入向量：

其中，t代表时间信号，为固体氧化物燃料电池SOFC系统的控制输入向量，和M_air分别为固体氧化物燃料电池SOFC系统的燃料流量和空气流量，为L1补偿控制分量，u_MPC(t)为MPC跟踪控制分量，L1补偿控制分量由所述输出反馈L1补偿器计算获得，MPC跟踪控制分量由所述MPC控制器计算获得；

所述输出反馈L1补偿器的设计方法包括如下步骤：

步骤A1：任选固体氧化物燃料电池SOFC系统的稳定运行工况点，通过开环阶跃响应实验及最小二乘辨识方法，建立如下固体氧化物燃料电池SOFC系统的动态模型：

y(s)＝G(s)(u(s)+σ(s))，

其中，y(s)，u(s)，σ(s)分别为信号向量y(t)，u(t)，σ(t)的拉普拉斯变换，t代表时间信号，y(t)＝[V_out,F_u]^T为固体氧化物燃料电池SOFC系统的输出量，σ(t)为固体氧化物燃料电池SOFC系统集总不确定项，G(s)为2×2传递函数矩阵；

步骤A2：设计如下输出预测器：

其中下标i与j代表向量或矩阵的元素序号，n为传递函数矩阵G(s)的维数，G_i,i(s)为G(s)i行i列对应的传递函数，G_i,j(s)为G(s)i行j列对应的传递函数，为输出预测器的预测输出向量的第i个元素，u_i(s),u_j(s)分别为控制输入向量u(s)的第i个元素和第j个元素，为固体氧化物燃料电池SOFC系统集总不确定项的估计值，为的第i个元素；

步骤A3：设计如下不确定项的估计值更新律：

sign为符号函数，t表示时间信号，Proj为投影算子，Γ为设计增益，g_i,i为传递函数G_i,i(s)的稳态增益，y_i(t)为输出信号y(t)的第i个元素，为对应的时域信号，为对时间的导数；

步骤A4：计算L1自适应补偿分量：

C(s)为一个与控制输入向量u具有相同维数的低通滤波器向量，C_i(s)为C(s)的第i个元素，和分别为的第i个元素和第j个元素，为的拉普拉斯变换，t表示时间信号；

所述的MPC控制器的设计方法包括如下步骤：

步骤B1：将步骤A1中所述传递函数矩阵G(s)转化为如下等效的离散状态空间模型：

y(k)＝cx(k)，

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)；

x(k)，y(k)，u(k)分别表示离散状态空间模型当前采样时间点的状态量、输出量、输入量，x(k+1)表示离散状态空间模型在下一个采样时间点的状态量，A，B，c为离散状态空间模型的系统矩阵；

步骤B2：求解如下的在线优化问题，得到的解序列为一个最优控制序列：

u(k|k),u(k+1|k),...,u(k+M+1|k)，

y_min≤y(k+m|k)≤y_max

其中k代表当前采样时间点，N为预测时域，M为控制时域，u_min、u_max分别为输入所允许的最小值及最大值，y_min、y_max分别为输出的最小值及最大值，L为使得矩阵(A+L·c)所有特征值的实部小于1的任意矩阵，y_ref为固体氧化物燃料电池SOFC系统输出y的参考值，μ_ref为离散状态空间模型中与y_ref对应的稳态输入，为在当前采样时间点的值，Q、R为设计的权重矩阵，u(k|k),u(k+1|k),...,u(k+M+1|k)分别表示当前采样时间点的预测控制量，当前采样时间点对下一采样时间点的预测控制量，…，当前采样时间点对未来第M+1个采样时间点的预测控制量；

y(k+m|k)表示当前采样时间点对未来第m个采样时间点的预测输出量，为系统状态量x在当前采样时间点的观测值；为系统状态量x在上一采样时间点的观测值，u(k-1)为上一个采样时间点的控制输入，y(k-1)为上一个采样时间点的输出，与分别为当前采样点对未来第m个采样时间点观测值的预测值与未来第m-1个采样时间点观测值的预测值，u(k+m|k)与u(k+m-1|k)分别为当前采样点对未来第m个采样时间点的预测控制量与未来第m-1个采样时间点的预测控制量，

μ_ref＝(c(I-A)^-1B)^-1y_ref，

步骤B3：MPC跟踪控制分量采用步骤B2中解得的控制量序列的第一个元素，即：

u_MPC(k)＝u(k|k)，

在当前采样时间点至下一个采样时间点之间的时间内，取u_MPC(t)＝u_MPC(k)；

电压源逆变器VSI采用设定值优化器SPO求得的电流的最优值作为电压源逆变器VSI输出电流的参考值，使得固体氧化物燃料电池SOFC系统的输出电流跟踪该参考值；

L1-MPC跟踪控制器采用电压的最优值以及固体氧化物燃料电池SOFC系统最佳燃料利用率作为参考值，通过控制固体氧化物燃料电池SOFC系统的燃料流量及空气流量，将固体氧化物燃料电池SOFC系统的输出电压及燃料利用率稳定控制在参考值。