[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

摘要

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。

主权项

1.一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故障的模型；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：其中，η_EM为空气压缩机电机效率，c_p,a为空气的比热容，η_is为空气压缩机的等熵效率，β为空压机的压力比，γ为空气的绝热指数；(2)、对固体氧化物燃料电池系统的正常与空气压缩机故障的模型进行优化；选取系统中的燃料利用率、过氧比、阳极入口温度、阴极入口温度、电流作为优化过程中的决策变量，选取系统的发电效率与电单位成本作为优化目标，利用NSGA‑II与TOPSIS算法，获取系统正常及空气压缩机故障下的最优运行操作参数，使其满足系统发电效率最大及电单位成本最小；(3)、诊断当前运行的固体氧化物燃料电池系统的状态；比较正常状况下与实际运行时空气压缩机的出口温度T_11,N和T₁₁，如果T_11,N等于T₁₁，则系统处于正常状态，否则系统处于空气压缩机故障状态；(4)、根据诊断结果选择最优运行操作参数；如果诊断出当前系统为正常状态，则切换器选择正常状态下的最优运行操作参数，并将该参数作为控制器被控参数的目标值；如果诊断出当前系统处于空气压缩机故障状态时，则切换器选择故障状态下的最优运行操作参数，并将该参数作为控制器被控参数的目标值；(5)、利用控制器实现功率温度及空气过氧比的跟踪控制；选用四个PID控制器，分别选取燃料流量、空气流量、燃料旁路阀开度、空气旁路阀开度作为四个PID控制器的控制变量，实现了对负载功率、过氧比以及阴阳极入口温度的跟踪控制，最终实现系统的最优容错控制。