[发明专利]基于分数阶滑模变结构SOFC系统热电协同控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于分数阶滑模变结构SOFC系统热电协同控制方法。

背景技术

燃料电池它是把氢和氧反应生成水放出的化学能转换成电能的装置。其基本原理相当于电解反应的逆向反应。燃料(H2和CO等)及氧化剂(O2)在电池的阴极和阳极上借助氧化剂作用，电离成离子，由于离子能通过在二电极中间的电介质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。在电极同外部负载构成回路时就可向外供电。

燃料电池种类不少，根据使用的电解质不同，主要有磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧气物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

燃料电池具有无污染、高效率、适用广、无噪声和能连续运转等优点。它的发电效率可达40％以上，热电联产的效率也达到80％以上。多数燃料电池正处于开发研制中，虽然磷酸燃料电池(PAFC)等技术成熟并已经推向市场，但仍较昂贵。鉴于燃料电池的独到优点，随着该项技术商业化进程的推进，必将在未来燃气采暖行业起到越来越重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种控制精准、灵活、稳定，能大大的提速切换过程、克服SOFC系统大惯性的时滞特点，实现快速的负载切换的基于分数阶滑模变结构SOFC系统热电协同控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：基于分数阶滑模变结构SOFC系统热电协同控制方法，包括以下步骤：

S1、采集SOFC系统不同输入参数组合下的系统状态及输出参数，通过系统辨识的方法得到全负载区间稳态功率与温度、效率响应特性、旁路阀开度BP对效率优化的影响函数和指定负载切换区间及延时条件下的效率优化函数；

S2、基于所述全负载区间稳态功率与温度、效率响应特性、旁路阀开度BP对效率优化的影响函数和指定负载切换区间及延时条件下的效率优化函数获取系统的局部最优稳态操作函数、拓展形成稳态下全局优化函数和不同切换负载区间不同延时条件下的功率跟踪函数；

S3、根据所述最优稳态操作函数、拓展形成稳态下全局优化函数和指定负载切换区间及延时条件下的效率优化函数计算得出滑模区间；

S4、根据所述滑模区间、全负载区间稳态功率与效率相应特性、指定负载切换区间及延时条件下的效率优化函数和不同切换负载区间不同延时条件下的功率跟踪函数计算得出系列趋近律函数；

S5、通过分数阶优化法对所述系列趋近律函数消除抖震，通过计算求解出趋近律。

本发明的有益效果是，燃料利用率FU是行业内公认影响系统发电效率的关键指标，且目前的研究均希望能最大化燃料利用率以提高系统效率；空气过量比AR为输入空气与参与反应的空气流量之间的直接关系表达，有利于在系统控制分析中实现协同联动。

此外，面向负载跟踪，针对不同功率的稳态输出需求，可以快速获取最优操作点(Is，BP，AR，FU)，使其在保障系统热特性安全前提下满足负载需求，并能实现在需求功率输出下实现系统最大效率。

在面向负载跟踪全过程观测器设计中，进一步与系统过程的响应速度进行综合匹配分析，设计出满足系统发电全过程需求的电堆内部温度观测器，以提高动静态控制策略及整体控制架构的精确性与稳定性。

向分数阶滑模变结构SOFC热电管控架构进行映射，此优化稳态操作策略集可将目标滑模面拓展为滑模区间，从而将为以安全、快速、低抖震抵达滑模面为目标的趋近律(即动态切换策略)设计，考虑不同气体延时前提下，提供更大的灵活性与品质保证。

在功率跟踪过程中，功率变化导致系统温度变化的过程需要一段时间才表现出来，所以，只要在进行快速功率跟踪的同时，施加能够抑制功率波动带来的温度变化的控制量即可实现温度约束管控的目的。而本项目分析获得的优化操作集(Is，BP，AR，FU)能够保证效率优化的情况下抑制特定功率下的温度约束；同时，拟采用的包括两个阶段的组合切换策略将可大大的提速切换过程、克服SOFC系统大惯性的时滞特点，实现快速的负载切换

进一步，所述步骤S1中，通过运行电堆的分布式节点模型获取电堆内部温度分布参数。

采用上述进一步的有益效果是，基于已有指定稳态下的电堆内部温度梯度观测方法、进行热电特性响应时间尺度、气固热特性响应时间尺度两层分解，实现负载跟踪全过程中的温度梯度观测的实时性，从而原理上保障动静态控制策略及分数阶滑模变结构控制架构的物理可实现性。在面向负载跟踪全过程观测器设计中，进一步与系统过程的响应速度进行综合匹配分析，以提高动静态控制策略及整体控制架构的精确性与稳定性。