一种固体氧化物燃料电池系统的复合抗扰解耦控制系统

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)技术领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池系统的复合抗扰解耦控制系统。

背景技术

如今减少化石燃料消耗、提高能源利用效率已成为国际社会普遍认同的战略目标，同时燃料电池技术因其高效、环保等特点，被认为是未来新能源技术的重要方向之一。对国家而言，发展燃料电池具有重大意义。由此，我国急需自主研制SOFC系统的复合抗扰解耦控制系统，用以控制SOFC系统的燃料利用率，可提高发电效率、发电质量，同时极大减少有害气体的排放。由于SOFC系统控制过程存在极强的耦合性，而且国内研究多还处于起步阶段，故针对SOFC系统的多模块结构，需要设计一种SOFC系统的复合抗扰解耦控制系统,来完成快速解耦的控制过程，使其能稳定、高精度地工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：一是SOFC系统各模块之间的耦合性太强；二是SOFC系统的响应速度太慢，无法有效抑制来自各个层面的扰动；三是无法满足燃料利用率的要求。

为了解决上述技术问题，采用的技术方案是：一种固体氧化物燃料电池系统的复合抗扰解耦控制系统，由氢气、空气进气量目标值的计算模块，模糊控制模块(包括基本控制器和前馈模糊控制器)，自抗扰控制模块，以及SOFC电堆四大部分组成；模糊控制模块是针对ST-BOP系统的多模块特性，其中，基本控制器根据固体氧化物燃料电池系统中所有模块的稳态运行特性，采用PID调节方法控制稳态工况下的实际管道进气量；前馈模糊控制器则利用相邻模块的耦合作用，修正管道进气量；针对基本控制器和前馈模糊控制器的偏差，自抗扰控制模块将其全部视为扰动，进行实时估计和补偿；将上述四个部分相结合，实现固体氧化物燃料电池系统全工况的有效控制。

具体由所述复合抗扰解耦控制系统执行以下步骤：

1)根据固体氧化物燃料电池系统所处的工况，选择合适的燃料利用率FU、空气过量比AE以及电堆电压SV，其中FU>0.8,7

N

N

N

2)基本控制器使用PID调节进气量并输出u

3)控制通路j所在的基本控制器前端输入设定值R

D

D

将其作为控制通路j中前馈模糊控制器的输入,经前馈模糊控制器处理后输出u

4)模糊控制模块所连接模块的控制量U

5)根据氢气和空气的目标进气量、计算得到的实际氢气和空气进气量以及模糊控制模块的控制量Uj，采用自抗扰控制ADRC方法，计算得到进气管道的自抗扰控制分量U

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、无需精确的ST-BOP系统控制模型，建模工作量大幅降低。本发明将未知的动态当作总扰动的一部分，利用扩张状态观测器进行在线观测，避免了常规控制方法中的复杂建模，也避免了模型精度不足(不确定性)给控制性能带来的负面影响。所需的关键信息仅仅是氢气、空气两个通道的阶次。

2、通过引入两路模糊控制，不但可以有效应对各模块之间的强耦合性，还补偿了ADRC性能受到带宽限制的问题，提高了瞬态响应速度。在瞬态过程，如电控单元负载突增，采集的电堆实时电流骤减工况下，通过前馈模糊控制可加速各模块的动作速度，从而避免电堆内化学反应速率降低的问题，保证了瞬态工况的电堆温度，避免供电不足的情况出现。

3、控制算法的鲁棒性强，全工况内仅需一套控制参数，无需参数的分段整定。本发明将所有的不确定性都视为扰动，根据输入和输出关系进行观测，鲁棒性强。

附图说明

图1是本发明被控对象SOFC系统的示意图；

图2是本发明一种固体氧化物燃料电池系统的复合抗扰解耦控制系统框图；

图3是本发明运用的自抗扰控制器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示为SOFC系统的结构示意图，热交换器的作用是利用燃烧室产生的高温烟气对氢气和空气进行预热，负责控制氢气、空气的流量，同时也负责排出尾气；SOFC电堆负责将氢气燃料中的化学能通过电化学反应转换为电能；燃烧室负责收集残余气体并将其充分燃烧，产生高温烟气供热交换器利用；电控单元负责控制SOFC电堆的输出功率以满足负载需求；图中除SOFC电堆(ST)以外的部分都被统称为外围辅助部件(BOP)；该系统存在极强的耦合性，即系统中某一模块发生变化都会极大影响其它模块的状态。

如图2所示为一种固体氧化物燃料电池系统的复合抗扰解耦控制系统框图，图中由氢气、空气进气量目标值的计算模块，模糊控制模块(包括基本控制器和前馈模糊控制器)，自抗扰控制模块，以及SOFC电堆四大部分组成；模糊控制模块是针对ST-BOP系统的多模块特性，其中，基本控制器根据固体氧化物燃料电池系统中所有模块的稳态运行特性，采用P ID调节方法控制稳态工况下的实际管道进气量；前馈模糊控制器则利用相邻模块的耦合作用，修正管道进气量；针对基本控制器和前馈模糊控制器的偏差，自抗扰控制模块将其全部视为扰动，进行实时估计和补偿；将上述四个部分相结合，实现固体氧化物燃料电池系统全工况的有效控制。具体由所述复合抗扰解耦控制系统执行以下步骤：

步骤一、根据固体氧化物燃料电池系统所处的工况，选择合适的燃料利用率FU、空气过量比AE以及电堆电压SV，其中FU>0.8,7

N

N

N

步骤一中，根据设置的燃料利用率FU、空气过量比AE以及采集到的电堆实时电流，求得下一轮控制过程中氢气、空气进气量目标值，这将使得控制更加精准、快速。

步骤二、基本控制器使用PID调节进气量并输出u1。

将步骤一中求得的氢气、空气进气量作为目标值，基本控制器根据所有模块的稳态运行特性，采用PID调节方法控制稳态工况下的实际管道进气量，保证系统的基本运行。

步骤三、控制通路j所在的基本控制器前端输入设定值R

D

D

将其作为控制通路j中前馈模糊控制器的输入,经前馈模糊控制器处理后输出u

步骤四、模糊控制模块所连接模块的控制量U

步骤五、根据氢气和空气的目标进气量、计算得到的实际氢气和空气进气量以及模糊控制模块的控制量Uj，采用自抗扰控制ADRC方法，计算得到进气管道的自抗扰控制分量U

在本实施例中，运用到如图3所示的ADRC控制器，将FU和I之间的动态关系视为含有总扰动f

式(1)中，f

依据式(1)，采用观测器的方法，对f

式(2)和式(3)中，x

式(4)中，P为待标定的观测器增益矩阵，

u

式(5)中，R是设定值，K

由于所采用的ADRC控制方法中，将未知动态当作了总扰动的一部分，采用了ESO的方法进行实时观测，因此无需精确的ST-BOP系统控制模型，建模工作量大幅降低。同时，控制器的鲁棒性也大大增强，一套控制参数也可在全工况实现良好的控制效果。

在该控制回路中，所采用的一阶ADRC控制器的三个待整定参数，观测器带宽ω

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。