[发明专利]一种固体氧化物燃料电池的量子模型预测控制方法

权利要求书

1.一种固体氧化物燃料电池的量子模型预测控制方法，其特征在于，该方法将量子计算和模型预测控制应用到固体氧化物燃料电池系统控制中，实现固体氧化物燃料电池系统的快速负载跟踪；固体氧化物燃料电池两极发生的电化学反应方程为：

其中，H₂为氢气；H⁺为氢正离子；e^-为电子；O₂为氧气；H₂O为水蒸气；固体氧化物燃料电池的输出电压V_SOFC表达式为：

V_SOFC＝E_Nernst-V_activation-V_ohmic-V_{concentration} (2)

其中，V_SOFC为固体氧化物燃料电池的输出电压；E_Nernst为固体氧化物燃料电池的开路电压；V_activation为固体氧化物燃料电池的反应物活化的损耗电压降；V_ohmic为固体氧化物燃料电池的内部欧姆电阻引起的损耗电压降；V_{concentration}为固体氧化物燃料电池发生化学反应后由反应物浓度降低引起的损耗电压降；固体氧化物燃料电池的开路电压E_Nernst表示为：

其中，E_Nernst,0为固体氧化物燃料电池的参考电动势；k_E为固体氧化物燃料电池的经验常数；T_SOFC为固体氧化物燃料电池的工作温度；R_SOFC为固体氧化物燃料电池的内部电阻；F为法拉第常数；为固体氧化物燃料电池发生化学反应的氢气的实际压强；为固体氧化物燃料电池发生化学反应的氧气的实际压强；为固体氧化物燃料电池发生化学反应的水蒸气的实际压强；ln()为以常数e为底数的对数；固体氧化物燃料电池的反应物活化的损耗电压降V_activation为：

V_activation＝a+bln(I_SOFC) (4)

其中，a和b为塔菲尔参数；I_SOFC为固体氧化物燃料电池的输出电流；固体氧化物燃料电池的内部欧姆电阻引起的损耗电压降V_ohmic由以下计算：

其中，a_electrolyte和b_electrolyte为固体氧化物燃料电池的电解质电阻常数；exp为常数e的指数函数；A_SOFC为固体氧化物燃料电池反应区的面积；δ_electrolyte为固体氧化物燃料电池的电解质厚度；与为多个固体氧化物燃料电池互连的材料电阻；为多个固体氧化物燃料电池之间的互连厚度；固体氧化物燃料电池发生化学反应后由反应物浓度降低引起的损耗电压降V_{concentration}通过以下计算：

其中，为固体氧化物燃料电池的供气管道内氢气的压强；为固体氧化物燃料电池的供气管道内水蒸气的压强；模型预测控制方法的优化问题为：

其中，J为模型预测控制中滚动优化的最优解；N为模型预测控制中的预测次数；y(k+i)为第k+i时刻的固体氧化物燃料电池的输出，且y(k+i)＝[V_SOFC(k+i)Fu(k+i)]^T；V_SOFC(k+i)为第k+i时刻固体氧化物燃料电池的输出电压；Fu(k+i)为第k+i时刻固体氧化物燃料电池的输出燃料；y_ref为系统给定的参考输出；u(k+i-1)为第k+i-1时刻的固体氧化物燃料电池的输入，且为第k+i-1时刻的固体氧化物燃料电池的氢气输入量；M_air(k+i-1)第k+i-1时刻的固体氧化物燃料电池的氧气输入量；μ_ref为与参考输出相对应的参考输入；与参考输出相对应的参考输入μ_ref表示为：

μ_ref＝(C(I-A)^-1B)^-1 (8)

其中，模型预测控制第k+i时刻的输出y(k+i)表示为：

y(k+i)＝Cx(k+i) (9)

其中，x(k)＝[V_SOFC(k) Fu(k) I_SOFC(k)]^T，I_SOFC(k)为第k时刻的固体氧化物燃料电池输出的电流；x(k+i)为第k+i时刻的固体氧化物燃料电池系统状态；量子模型预测控制第k+1时刻的预测状态为：

其中，为量子模型预测控制第k+1时刻固体氧化物燃料电池系统的预测状态；为量子模型预测控制第k时刻的固体氧化物燃料电池系统状态；u(k)为量子模型预测控制第k时刻的固体氧化物燃料电池系统输入；y(k)为量子模型预测控制第k时刻的固体氧化物燃料电池系统输出；三维量子旋转门η为：

其中，为量子旋转角；θ为量子旋转角；固体氧化物燃料电池系统的输入约束条件为：

u_min≤u(k+i)≤u_max (12)

其中，u_min为固体氧化物燃料电池系统的输入下限；u(k+i)为第k+i时刻的固体氧化物燃料电池的输入；u_max为固体氧化物燃料电池系统的输入上限；固体氧化物燃料电池系统第k+i时刻的输出约束条件为：

y_min≤y(k+i)≤y_max (13)

其中，y_min为固体氧化物燃料电池系统的输出下限；y_max为固体氧化物燃料电池系统的输出上限。