一种基于gapmetric的固体氧化物燃料电池控制方法

本发明属于固体氧化物燃料电池的控制和优化领域，涉及一种基于gap metric的固体氧化物燃料电池控制方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池（sofc）发电效率高、燃料适应性强、高温余热可回收，在大型发电、分布式发电及热电联供、交通运输及调峰储能等领域具有广阔的应用前景。sofc分布式发电系统并网运行可以强化电网的供电能力，提高供电系统的可靠性和效率，但要求sofc必须达到电网期望的性能。sofc并网通常需要直流/直流变换器调节sofc的输出电压，使其适应直流/交流变换器的期望电压。但是对于升压变压器而言，输入与输出电压的差值偏大或偏小，都会导致转换效率低下。因此，如何在负载扰动的情况下快速将sofc的输出电压保持在设定范围是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于gap metric的固体氧化物燃料电池控制方法，以使sofc在负载扰动的情况下可以快速准确的稳定输出电压在设定值上。

2、本发明提供的技术方案如下所示：

3、本发明提供一种基于gap metric的固体氧化物燃料电池控制方法，包括：

4、采集燃料电池系统的负载电流；

5、将采集的负载电流输入构建的全局多模型预测控制器，所述全局多模型预测控制器，用于在负载电流波动时，对固体氧化物燃料电池进行优化控制，使固体氧化物燃料电池的输出电压保持在设定范围内；

6、其中，所述全局多模型预测控制器的构建方法包括：

7、构建固体氧化物燃料电池系统的控制模型；

8、利用基于gap metric的网格化方法对控制模型进行网格化和线性化，得到一系列线性化模型；

9、利用基于gap metric的两步分解算法对线性化模型进行归类并根据期望的输出电压值计算最终的操作点和子系统参数，得到三个状态空间形式的线性子系统；

10、针对每个线性子系统设计线性预测控制器，利用gap metric的加权函数对各子线性预测控制器进行合成，得到全局多模型预测控制器。

11、进一步的，构建固体氧化物燃料电池的控制模型，包括：

12、(1)

13、(2)

14、其中，为氢气输入流量； 、、分别为氢气分压、氧气分压以及水蒸气分压；、分别为氢气分压、氧气分压以及水蒸气分压的导数； (a) 为燃料电池系统的负载电流，在160a~360a区间变化；(v) 为燃料电池系统的输出电压；为氢气流的时间常数；为水流的时间常数；为氧气流的时间常数；为氢气摩尔常数；为设定常数；为水摩尔常数；为氧气摩尔常数；为氢氧比率；为电堆中电池的个数；为标准电池电动势；为通用气体常数；为绝对温度；为法拉第常数；为欧姆损失。

15、进一步的，式（1）和式（2）中，令 ， ，，，

16、并令 , ,，

17、以及 ；

18、得到固体氧化物燃料电池系统状态空间模型，如下式所示：

19、 (3)

20、其中，为以氢气分压、氧气分压以及水蒸气分压形成的矩阵变量，为氢气输入流量，为燃料电池系统的负载电流，为燃料电池系统的输出电压。

21、进一步的，利用基于gap metric的网格化方法对控制模型进行网格化和线性化，得到一系列线性化模型包括：

22、在操作变量u=0.78的条件下，将状态空间预测模型进行网格化得到20个网格点，每个网格点对固体氧化物燃料电池系统进行线性化，得到20个状态空间形式的线性化模型，如下式所示：

23、, i = 1, 2,…, 20(4)

24、其中， ；aibicidi 是固体氧化物燃料电池系统在平衡点(x0i, u0i, y0i)处的离散化线性化子模型的状态空间模型参数。

25、进一步的，利用基于gap metric的两步分解算法对线性化模型进行归类并根据期望的输出电压值计算最终的操作点和子系统参数，得到三个状态空间形式的线性子系统包括：

26、第一步：在分解阈值为0.15的条件下，将20个线性化模型利用基于gap metric的多模型分解算法进行归类，得到三个状态空间形式的子系统，如下式所示：

27、, i = 1, 2, 3 (5)

28、其中，，；ai、bi、ci、di 是固体氧化物燃料电池系统在平衡点(x0i, u0i, y0i)处的离散化线性子系统的状态空间模型参数；第一线性子系统的负载电流范围为，操作点对应的负载电流是i01=210，第二线性子系统的负载电流范围为，操作点对应的负载电流是i02=310，第三线性子系统的负载电流范围为，操作点对应的负载电流是i03=348；

29、第二步：令期望的输出电压值为335v，根据式（3）计算出对应于i01=210， i02=310，i03=348的子系统的操作点，并计算子系统的参数，结果如下：

30、第一线性子系统的操作点为：x01=[0.0672,1.4887,0.0816]'，u01=0.56，y01=335，第一线性子系统的参数为：， ，<msub><mrow><mi>c1=[ 313.2338</mi><mi>-</mi><mn>1</mn><mi>4.1471 129.0132]</mi><mi>，</mi><mi>d</mi></mrow><mn>1</mn></msub><mi>=0</mi>；第二线性子系统的操作点为：x02=[0.1417,2.1976,0.1329]'，u02=0.737，y02=335，第二线性子系统的参数为：， ，<mi>c2=[ 148.5947 -9.5835 79.2348]</mi><mi>=0</mi><mi>，</mi><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mi>=0</mi>；第三线性子系统的操作点为：x03=[0.1836,2.4670,0.1564]',u03=0.848, y03=335，第三线性子系统的参数为：， ，<msub><mrow><mi>c3=[ 114.7024 -8.5371 67.3506]</mi><mi>，</mi><mi>d</mi></mrow><mn>3</mn></msub><mi>=0</mi>。

31、进一步的，针对每个线性子系统设计线性预测控制器，考虑式（6）所示的目标函数：

32、 (6)

33、受约束于：

34、 , j = 1,…, nui, l = 1,…, nyi (7)

35、其中 ，qi 和 ri 是权重矩阵，ri 是参考信号i = 1, 2, 3， 是第i个子预测控制器的预测时域，是第i个子预测控制器的控制时域，是燃料利用率；

36、每个采样时刻t＝k，求得式(5)和式(6)的最优解，根据最优解得到第i个线性预测控制器在k时刻的控制输入出为：

37、，i = 1, 2, 3。

38、进一步的，针对每个线性子系统设计线性预测控制器，利用gap metric的加权函数对各子线性预测控制器进行合成，得到全局多模型预测控制器，如下式所示：

39、 (8)

40、其中，  是第 i 个线性模型预测控制器的加权函数，由下式给出：

41、 i = 1, 2, 3(9)

42、其中，是整定参数， 满足 ，  是k时刻固体氧化物燃料电池的线性子模型pk与它的第i个线性子系统pi的gap metric距离，由下式给出：

43、(10)

44、其中，是列数相同的两个矩阵，它们称为pi的右互质分解，满足是列数相同的两个矩阵，它们称为pk的右互质分解，满足； q是空间的任意矩阵。

45、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，

46、该计算机程序/指令被处理器执行时，实现上述所述的基于gap metric的固体氧化物燃料电池控制方法的步骤。

47、本发明还提供一种计算机装置，包括：

48、存储器，用于存储计算机程序/指令；

49、处理器，用于执行所述计算机程序/指令以实现上述所述基于gap metric的所述的固体氧化物燃料电池控制方法的步骤。

50、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现上述所述的基于gap metric的固体氧化物燃料电池控制方法的步骤。

51、有益效果

52、以扰动电流作为固体氧化物燃料电池系统的调度变量，当负载扰动大范围变化时，为了保证其输出电压快速正确地稳定在期望值上且燃料利用率在期望范围[0.8,0.9]内，利用基于gap metric的网格化及分解法对sofc分两步进行多模型分解，得到三个线性子系统，针对每个子系统设计线性子预测控制器，最后对三个子预测控制器利用gapmetric加权算法合成全局预测控制器对固体氧化物燃料电池进行优化控制。

53、基于分解-合成原则的多模型控制方法能够有效的将复杂的非线性控制问题通过分解转化为若干简单的线性控制问题的组合；通过求解这些线性控制问题实现对非线性控制问题的解决。多模型控制方法这种化繁为简的特点，使其在非线性控制领域有着广泛的应用。