[發(fā)明專利]一種基于多模型預(yù)測控制的固體氧化物燃料電池非線性抑制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711401026.7
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN107991881B
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 烏龍;沈炯;孫立
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 饒欣

本發(fā)明公開了一種基于多模型預(yù)測控制的固體氧化物燃料電池非線性抑制方法，通過在線多模型加權(quán)的預(yù)測控制克服了固體氧化物燃料電池的非線性多變量耦合問題，采用前饋的方法對電阻負載的擾動進行補償實現(xiàn)擾動抑制，同時在性能指標(biāo)中加入對氫氣流量和空氣流量的約束條件，通過基于卡爾曼濾波器的反饋校正環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的可行性，提高了控制效果，確保燃料電池在受到外部電阻發(fā)生變化后維持輸出電壓恒定，且燃料利用率處于合理范圍0.7～0.9內(nèi)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新能源技術(shù)自動控制領(lǐng)域，特別是涉及一種基于多模型預(yù)測控制的固體氧化物燃料電池非線性抑制方法。

背景技術(shù)

固體氧化物燃料電池在實現(xiàn)商業(yè)化運營道路上的問題主要集中于對固體氧化燃料電池的有效控制。

隨著傳統(tǒng)能源日趨緊張，環(huán)境問題日益突出，國家不斷加大對新能源領(lǐng)域的發(fā)展力度，固體氧化物燃料電池便是其中的熱點之一，然而在固體氧化物燃料電池投入實際運營的過程中，燃料電池的有效控制便是其中的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有的控制方案均未能實現(xiàn)對固體氧化物燃料電池的非線性、多變量耦合、擾動抑制、控制量約束、恒定輸出電壓及燃料利用率問題的有效解決，或只解決了其中一部分問題，且方法實現(xiàn)較為困難，不具有大范圍推廣的意義。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種基于多模型預(yù)測控制的固體氧化物燃料電池非線性抑制方法，能夠解決固體氧化物燃料電池在控制過程中的非線性多變量耦合，控制量約束，及擾動抑制問題，確保燃料電池在受到外部電阻發(fā)生變化后維持輸出電壓恒定，且燃料利用率處于合理范圍0.7～0.9內(nèi)。

技術(shù)方案：為達到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的基于多模型預(yù)測控制的固體氧化物燃料電池非線性抑制方法，包括以下步驟：

S1：針對固體氧化物燃料電池自身所具有的非線性，對受控固體氧化物燃料電池在多個工作點下進行非線性分析并辨識建模，構(gòu)建各工作點下線性燃料電池子模型；

S2：確立以電阻負載變動范圍為調(diào)度量，通過在線的線性插值方法將多個工作點下的燃料電池子模型合成為一個符合當(dāng)前固體氧化物燃料電池非線性工作點的線性模型；

S3：采用多模型加權(quán)的預(yù)測控制方法，設(shè)計前饋環(huán)節(jié)對作為可測擾動的負載電阻的補償，控制輸入燃料電池的氫氣流量與空氣流量，維持燃料電池系統(tǒng)輸出電壓恒定，且燃料利用率維持在0.7～0.9內(nèi)，計算預(yù)測模型，并求解最優(yōu)輸入氫氣流量和空氣流量；

S4：采用基于卡爾曼濾波器狀態(tài)估計的反饋校正方法，在多模型加權(quán)的預(yù)測控制方法中對預(yù)測模型中的增廣狀態(tài)變量進行實時估計和矯正更新。

進一步，在步驟S1中，根據(jù)固體氧化物燃料電池電阻負載的變動范圍，選取l個處于不同電阻負載擾動、輸出額定電壓、燃料利用率為0.8的燃料電池工作點，并對其中h個工作點的固體氧化物燃料電池分別做電阻負載、輸入氫氣量、輸入空氣量的開環(huán)階躍擾動試驗以驗證固體氧化物燃料電池系統(tǒng)自身所具有的非線性；對其中n個工作點，通過電阻負載、輸入氫氣量、輸入空氣量在n個不同工作點的開環(huán)階躍響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)辨識n個工作點附近的傳遞函數(shù)模型，構(gòu)建n個工作點下的燃料電池子模型M₁～M_n。

進一步，在步驟S2中，將電阻負載的變動范圍根據(jù)步驟S1中n個燃料電池子模型劃分為n-1個子區(qū)間，即R₁～R₂，R₂～R₃…R_n-1～R_n，n為工作點的總數(shù)，R_j～R_j+1為電阻負載變動范圍的第j個子區(qū)間，j＝1…n-1，則k時刻符合當(dāng)前固體氧化物燃料電池非線性工作點的線性模型M(k)按照式(1)計算：