[发明专利]一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法

说明书

本发明公开了一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，包括设定燃料电池系统模型的状态变量、输入变量和输出变量，对燃料电池系统模型进行建模；对所述燃料电池系统模型进行线性化处理，得到状态空间方程；基于所述线性化燃料电池系统模型，设计无偏差MPC控制系统，在线求解燃料电池系统模型的最优输入，对燃料电池净输出功率进行跟踪且输出效率优化；以达到控制燃料电池系统模型输出功率及效率的目的，保证燃料电池系统模型净输出功率的准确跟踪，并且能够有效提高燃料电池系统模型的输出效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池与自动化控制技术领域，具体公开了一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法。

背景技术

如今，随着社会的不断发展，能源需求日益增长，由于石油资源枯竭和气候环境的日益严重，电力系统行业正在改组可再生能源发电作为替代解决方案，质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)因其高效率和低排放的优点，近些年受到了广泛关注和应用。

PEMFC的工作过程复杂，存在较强的耦合性、滞后性等特点，涉及到电化学、流体力学、传热学等知识。PEMFC系统一般包含四个子系统，即气体供给系统、氢气供给系统、水管理系统和热管理系统。其中气体供给子系统所消耗的功率由燃料电池提供，其占比最高可达25％，因此导致燃料电池系统模型的净输出功率降低，且由于气体在空气压缩机和进气歧管的动态特性下，使得气体的供给存在较大的延迟，当负载电流出现瞬态阶跃变化时，可能会导致氧气供给不足，电堆出现输出电压下降、水淹等现象，甚至降低燃料电池的使用寿命，并由此引入过氧系数(Oxygen Excess Ratio，OER)概念，为了避免此现象，需要保证OER≥1.5，但过高的OER会使得空气压缩机消耗寄生功率增加，因此需要合理地给出OER的参考值。

为了实现对PEMFC系统的控制，研究学者已经提出多种控制方式，而MPC考虑到系统的动态过程，且能够处理多输入多输出系统，而被广泛应用于控制领域。设计MPC控制策略时，首先需要建立准确且面向控制的数学模型。有相关学者提出了一种9状态变量非线性PEMFC模型。但由于模型状态变量多且强非线性，很难应用于控制策略的设计，因此需要对模型进行简化，简化后的模型虽然方便控制策略设计，但随之也会带来模型失配的问题，导致控制性能下降，因此为了方便控制策略的设计并且保证控制性能，本发明针对PEMFC系统设计一种无偏差MPC控制系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，以解决现有技术在对燃料电池输出功率进行跟踪及效率优化时，由于模型简化带来的模型失配的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种燃料电池输出功率跟踪与效率优化控制方法，包括以下步骤：

建立燃料电池系统模型：设定燃料电池系统模型的状态变量、输入变量和输出变量，对燃料电池系统模型进行建模；

模型线性化处理：对所述燃料电池系统模型进行线性化处理，得到状态空间方程；

设计无偏差MPC控制系统：基于所述线性化燃料电池系统模型，设计无偏差MPC控制系统，在线求解燃料电池系统模型的最优输入，对燃料电池净输出功率进行跟踪且输出效率优化。

进一步的，在步骤“建立燃料电池系统模型”中，所述燃料电池系统模型包括空气压缩机、进气歧管、电堆阴极和DC/DC转换器，所述燃料电池系统模型的工作过程为：

设定不同的空气压缩机输入电压，控制空气压缩机的转速，调节流向进气歧管的气体质量流量，流入进气歧管的气体经进气歧管增湿和冷却后继续流入电堆阴极内部；流入电堆阴极内部的气体中的氧气通过质子交换膜与电堆阳极氢气结合反应产生电子，电子经外部电路由电堆阳极到达电堆阴极，进而产生电堆阴极的输出电压和输出电流。