[發明專利]一種固體氧化物燃料電池系統的最優容錯控制方法

有效

• 申請號: 201710630808.1
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107317045B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發明（設計）人: 吳小娟;高丹慧
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01M8/04992
• 分類號: H01M8/04992;H01M8/04664
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

1.一種固體氧化物燃料電池系統的最優容錯控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、建立固體氧化物燃料電池系統的正常與空氣壓縮機故障的模型；

系統輸出功率：P＝VI-P_cp，V為燃料電池的輸出電壓，I為負載電流，P_cp為空氣壓縮機消耗的功率；

系統輸出效率：LHV_f為燃料的低熱值，W_f為系統的燃料入口流量；

系統電單位成本：c為固體氧化物燃料電池的發電成本，Ex為固體氧化物燃料電池的發電火用值；

系統陰陽極入口溫度T₄、T₁₄：

其中分別為系統兩個混合器的入口能量流，W₄、W₁₄分別為兩個混合器的出口流量，x_4,i、x_14,i表示系統兩個混合器的出口氣體的摩爾份數，c_p,i則表示氣體的比熱容，代表氣體的標準摩爾焓，T_o表示大氣溫度；

系統過氧比W_a為空氣入口流量，為空氣中氧氣摩爾份數，N為電堆的電池個數，F為法拉第常數；

系統燃料利用率u_f：為燃料中甲烷摩爾份數；

當系統處于正常狀態時，空氣壓縮機消耗的功率P_cp和出口溫度T₁₁滿足：

當系統處于空氣壓縮機故障狀態時，空氣壓縮機消耗的功率P_cp和出口溫度T₁₁滿足：

其中，η_EM為空氣壓縮機電機效率，c_p,a為空氣的比熱容，η_is為空氣壓縮機的等熵效率，β為空壓機的壓力比，γ為空氣的絕熱指數；

(2)、對固體氧化物燃料電池系統的正常與空氣壓縮機故障的模型進行優化；

選取系統中的燃料利用率、過氧比、陽極入口溫度、陰極入口溫度、電流作為優化過程中的決策變量，選取系統的發電效率與電單位成本作為優化目標，利用NSGA-II與TOPSIS算法，獲取系統正常及空氣壓縮機故障下的最優運行操作參數，使其滿足系統發電效率最大及電單位成本最小；

(3)、診斷當前運行的固體氧化物燃料電池系統的狀態；

比較正常狀況下與實際運行時空氣壓縮機的出口溫度T_11,N和T₁₁，如果T_11,N等于T₁₁，則系統處于正常狀態，否則系統處于空氣壓縮機故障狀態；

(4)、根據診斷結果選擇最優運行操作參數；

如果診斷出當前系統為正常狀態，則切換器選擇正常狀態下的最優運行操作參數，并將該參數作為控制器被控參數的目標值；

如果診斷出當前系統處于空氣壓縮機故障狀態時，則切換器選擇故障狀態下的最優運行操作參數，并將該參數作為控制器被控參數的目標值；

(5)、利用控制器實現功率溫度及空氣過氧比的跟蹤控制；

選用四個PID控制器，分別選取燃料流量、空氣流量、燃料旁路閥開度、空氣旁路閥開度作為四個PID控制器的控制變量，實現了對負載功率、過氧比以及陰陽極入口溫度的跟蹤控制，最終實現系統的最優容錯控制。