[发明专利]基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法

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系统的实际运行中，往往需要维持电压的稳定输出，然而外界负荷变化的扰动往往会造成负荷电流的变化，进而会对系统的电压造成扰动，不利于电压的稳定输出。一般来说，可通过控制进入系统的燃料量来控制固体氧化物燃料电池的电压输出，并克服负荷的扰动。但固体氧化物燃料电池较强的非线性增加了电压过程控制的难度。

普通比例积分控制器是基于线性模型设计，当系统具有非线性，在工况变化时，由于对象特性的变化，比例积分控制器参数与模型失配，控制效果较差，不能满足控制需求。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法，解决固体氧化物燃料电池电压控制过程中对象非线性对控制的影响。

技术方案：基于非线性增益补偿的固体氧化物燃料电池电压控制方法，该方法基于包括比例积分控制和非线性增益补偿环节的控制系统，包括如下步骤：

步骤1)，选择固体氧化物燃料电池系统30％、40％、55％、70％、100％负荷工况作为工况点，在每一工况下，待固体氧化物燃料电池系统负荷电流稳定且输出电压V_dc为额定电压后，阶跃增加1％的燃料量Δu_i，待固体氧化物燃料电池系统重新稳定后记录系统输出电压V_dc的变化量ΔV_i，得到各个负荷工况对应的燃料量-输出电压对象模型的增益k_i：k_i＝ΔV_i/Δu_i；其中，i＝1，2，3，4，5分别对应30％、40％、55％、70％、100％负荷工况点；

步骤2)，根据所述步骤1)得到的各负荷工况对应的燃料量-输出电压对象模型的增益k_i和对应负荷下固体氧化物燃料电池系统额定负荷电流I_i，使用Matlab曲线拟合工具箱CFtool，拟合得到固体氧化物燃料电池系统燃料量-输出电压对象模型的增益k与额定负荷电流I的关系：k＝aI^b+c；其中a，b，c为辨识参数，i＝1，2，3，4，5分别对应30％、40％、55％、70％、100％负荷工况点；

步骤3)，在固体氧化物燃料电池最低运行负荷工况下，采用基于阶跃响应的模型辨识方法，分别获得固体氧化物燃料电池系统的燃料量-输出电压之间的动态数学模型G_o(s)，以及负荷电流-输出电压之间的动态数学模型G_r(s)；其中，s为复数变量；

步骤4)，将所述动态数学模型G_o(s)的增益置为1，并以所述动态数学模型G_o(s)作为主控对象，所述动态数学模型G_r(s)作为外扰通道对象，与PI控制器构成单回路反馈控制系统；

步骤5)，采用基于多目标遗传算法NSGA-II的优化整定方法，对所述步骤4)中的单回路反馈控制系统，整定其中的PI控制器参数；其中，所述NSGA-II算法的优化目标为：所述外扰通道加入阶跃扰动时，所述单回路反馈控制系统输出量的最大动态偏差最小，且所述单回路反馈控制系统输出量的动态过程衰减率最接近设定值ψ，ψ取值范围为0.8～0.9；根据所述NSGA-II算法的优化目标，从优化解集中选择满足该优化目标的PI控制器参数：kp、Ti；其中，kp为控制器的比例系数，Ti为积分时间；

步骤6)，将固体氧化物燃料电池系统的输出电压V_dc与系统电压设定值V_r的偏差ΔV′送入PI控制器，经所述PI控制器运算后，得到PI控制器输出控制量u_PI；

步骤7)，将所述控制量u_PI送入所述非线性增益补偿环节，所述非线性增益补偿环节根据系统负荷电流I和所述步骤2)得到的所述系统燃料量-输出电压对象模型的增益k与额定负荷电流I的关系，计算得到固体氧化物燃料电池系统的实时补偿增益k；根据所述实时补偿增益k，得到经所述非线性增益补偿环节后的燃料控制量u：u＝u_PI/k；

步骤8)，将所述步骤7)得到的燃料控制量u作为固体氧化物燃料电池系统燃料量的控制值，传送到系统燃料量调节执行机构中，来控制调节进入固体氧化物燃料电池系统的燃料量，从而控制系统的输出电压值。