CN117111462A - 一种面向sofc系统负载跟踪的循环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，包括如下步骤：S1、获取SOFC系统上一次运行过程中的控制数据，根据所获取的控制数据调整标称模型；S2、根据步骤S1调整后的标称模型修正滑模控制器参数；S3、利用修正后的滑模控制器，在当次SOFC系统运行过程中获取输出的跟踪误差，从而控制各气路阀门开度、功率输出、燃料流速、空气流速、电压设置值，直至SOFC系统输出跟踪上外部负载；S4、记录当次SOFC系统运行数据，并将其提供给下次SOFC系统运行时进行循环学习使用。本发明可以有效降低所设计的SOFC系统控制器中存在的抖振问题，提升SOFC系统运行过程的鲁棒性与稳定性，保障SOFC系统负载跟踪控制能力。

Description

一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法

技术领域

本发明涉及高温燃料电池系统负载跟踪控制领域，具体涉及一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法。

背景技术

SOFC(固体氧化物燃料电池)系统是未来新能源发电发展的关键技术之一，它是一种将碳氢燃料中的化学能和空气一并送入电堆进行发电的重要设备。然而，SOFC系统处于高温密封环境，运行环境复杂多变，在系统进气压力及流量阀的作用下，往往会出现SOFC系统内、外部未知扰动影响，呈现出快时变、强非线性的特征，因此SOFC系统在进行负载跟踪过程中，如何开展有效地控制来避免SOFC系统的输出功率抖振，是控制器设计工作的难点之一。

滑模控制本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。滑模控制在存在参数不确定性和不匹配扰动的情况下对非线性系统具有好的鲁棒性。但是当外界干扰较强时，它在“滑动”阶段和“到达阶段”，系统容易受到外部干扰，进而引起抖震现象，可以借助滑模控制的优势，将输出游离于附近的误差值缩小，SMC方法稳健且准确，具体体现为快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。然而，当出现较多的功率切换或负载波动时，SOFC系统为了在功率输出上跟踪期望轨迹，可能导致控制器带来的SOFC系统输出功率和电流来回振荡，也就是SOFC系统可能会出现负载跟踪时功率出现抖振，这不利于SOFC系统的安全稳定运行，可能又会造成SOFC系统的外部用电设备损伤。

循环控制是一种适用于像SOFC系统负载跟踪控制的方法，与其他智能控制方法相比较，循环控制能够不断地学习输出误差，同时无需人为将其嵌入控制器中，有效克服了现有人为干预(手动输入型控制方法)的不足。同时随着循环次数的增加，负载的跟踪控制精度和稳定性会得到提升，从而有效保证SOFC系统在负载跟踪时的高可靠性。

另外，将循环控制思想和滑模控制思想应用于SOFC系统中，并非是真正意义上的严格重复，例如：SOFC系统负载跟踪过程除具有快慢时变性不统一、运行环境会受到环境温度、供气压力、流量控制器和外部负载等系统内外不确定干扰因素的影响，还具有控制信号传输存在时延随机性等。因此，若是仅使用循环控制器，可能因为没有反馈状态而出现SOFC系统有时出现负载功率跟踪无法有效满足预期的情况。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，包括如下步骤：

S1、获取SOFC系统上一次运行过程中的控制数据，根据所获取的控制数据调整标称模型；

S2、根据步骤S1调整后的标称模型修正滑模控制器参数；

S3、利用修正后的滑模控制器，在当次SOFC系统运行过程中获取输出的跟踪误差，从而控制各气路阀门开度、功率输出、燃料流速、空气流速、电压设置值，直至SOFC系统输出跟踪上外部负载；

S4、记录当次SOFC系统运行数据，并将其提供给下次SOFC系统运行时进行循环学习使用。

上述方案的有益效果是，通过循环学习对SOFC系统模型参数进行调整，有效利用历史数据降低SOFC系统输出抖振，提高系统发电的可靠性，同时结合滑模控制与循环学习设计控制器，克服了循环学习控制器由于运行条件变化导致的历史数据失效及安全性问题。

进一步的，所述步骤S1中标称模型表示为：

其中，u_k-1(t)表示上次运行过程中的控制输入，p(t)表示SOFC系统的外部负载，Ξ^T(t)表示未知参数构成的向量且Ξ^T(t)＝[f_a(t),a(t),b(t),c(t)]，α(t)＝[-1,-1,-I(t),-I²(t)]表示可观测数据向量，I(t)表示实时的放电电流，a(t)、b(t)、c(t)表示SOFC系统电阻参数，f_a(t)表示SOFC系统内部的功率损耗，U表示SOFC系统中电堆的电压值。

上述进一步方案的有益效果是，将SOFC系统模型的参数划分为可观测数据与未知参数。其中可观测数据由SOFC系统传感器获取，可以直接使用，而未知参数不可直接获取，将由人工赋值，并通过循环数据进行修正。

进一步的，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11、SOFC系统运行前，获取上一次运行过程中记录的SOFC系统运行数据，包括发电过程的控制输入量以及控制误差；

S12、利用步骤S11获取的控制输入量以及控制误差对标称模型进行修正，修正后的标称模型表示为：

p_k(x,I,t)＝p_k-1(x,I,t)+κ(ζ_k-1(t),u_k-1(t))；

其中，p_k表示SOFC系统第k次运行过程中的标称模型，κ表示循环学习函数，ζ_k-1表示上一次循环的控制误差，x表示SOFC系统运行的实际功率，t表示SOFC系统运行时间。

上述进一步方案的有益效果是，通过SOFC系统历史运行数据对滑模循环控制器中使用的SOFC系统标称模型进行参数辨识并修正，使得SOFC系统标称模型不断接近真实SOFC系统，最终实现控制器性能的提升。

进一步的，所述步骤S2修正后的滑模控制器表示为：

其中，u(t)是控制器输出的控制量，m(t)为终端滑模面，λ为外部扰动最大值，Γ为控制器参数，e₂(t)表示SOFC系统的负载功率跟踪的误差值，β，v，w是控制器参数，其中v，w为正奇数且满足β＞0。

上述进一步方案的有益效果是，利用滑模控制理论的特点，保证SOFC系统发电过程中的功率跟踪误差可以快速收敛到零，即最大程度保证SOFC系统负载跟踪的可靠性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在控制器设计的过程中，将基本运行电阻和系统自身功率损耗两个参数视作存在上限的未知干扰项，通过循环学习进行参数辨识，变为控制过程的已知模型参数项，从而有效降低所设计的SOFC系统控制器中存在的抖振问题，从而提升SOFC系统运行过程的鲁棒性与稳定性，保障SOFC系统负载跟踪控制能力。本发明既通过控制器的滑模反馈控制结构，保证了SOFC系统在运行过程中的负载跟踪误差可以得到快速收敛，灵敏性好、安全性高，又通过循环学习前馈控制结构，使得SOFC系统运行过程的历史数据得到了有效利用。这样的控制器在保障了SOFC系统可靠性的基础上，又随着SOFC系统的重复运行提供了帮助。

附图说明

图1为本发明基于循环控制的SOFC系统发电过程负载跟踪方法流程示意图。

图2为本发明实施例控制方法应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、获取SOFC系统上一次运行过程中的控制数据，根据所获取的控制数据调整标称模型；

如图2所示，本发明为用于SOFC系统负载功率曲线跟踪的基于循环滑模理论的控制器，滑模控制器的输入为列出跟踪误差，循环学习器的控制输入为历史经验数据。通过SOFC系统历史运行数据对滑模循环控制器中使用的SOFC系统标称模型进行参数辨识并修正，使得SOFC系统标称模型不断接近真实SOFC系统，最终实现控制器性能的提升。滑模控制器根据循环学习器对自身控制参数进行调整，并输出控制各气路阀门开度、功率输出、燃料流速、空气流速、电压设置值。

跟踪误差为SOFC系统实际运行状态与参考运行曲线的差值，表示为：

其中，e₁(t),e₂(t)分别代表SOFC系统放电电流跟踪误差与功率跟踪误差，x_r(t),v_r(t)代表参考发电电流与参考负载跟踪功率，x(t),v(t)代表实际发电电流与实际负载跟踪功率。

在本实施例里，为了能够使获取数据更为接近实际的运行状态，选择与当次SOFC系统运行最近的一次运行过程的数据作为历史数据。

S11、SOFC系统运行前，获取上一次运行过程中记录的SOFC系统运行数据，包括发电过程的控制输入量以及控制误差。

在SOFC系统启动前，对上一次运行过程中记录下的数据进行处理，包括发电过程的控制输入量u及控制误差e。

根据运动学方程，SOFC系统标称模型可以被描述为：

其中，u_k-1(t)表示上次运行过程中的控制输入，p(t)表示SOFC系统的外部负载，Ξ^T(t)表示未知参数构成的向量且Ξ^T(t)＝[f_a(t),a(t),b(t),c(t)]，α(t)＝[-1,-1,-I(t),-I²(t)]表示可观测数据向量，I(t)表示实时的放电电流，a(t)、b(t)、c(t)表示SOFC系统电阻参数，U表示SOFC系统中电堆的电压值；

S12、利用步骤S11获取的控制输入量以及控制误差对标称模型进行修正。

由于Ξ^T(t)和p(t)存在高度相关性，且未知Ξ^T(t)，所以p(t)的准确度也是存疑的，需要借助下式去循环学习。

p_k(x,I,t)＝p_k-1(x,I,t)+κ(ζ_k-1(t),u_k-1(t))

其中，p_k表示SOFC系统第k次运行过程中的标称模型，κ表示循环学习函数，ζ_k-1表示上一次循环的控制误差，x表示SOFC系统运行的实际功率，t表示SOFC系统运行时间；

S2、根据步骤S1调整后的标称模型修正滑模控制器参数；

滑模控制器根据SOFC系统跟踪误差输出控制量，

本实施例里，

首先，定义终端滑模面其中k＝β^-1，w和v是滑模控制器参数，

设计控制器：

其中，u是控制器输出的控制量，p_k是第k次循环时通过循环学习获取的SOFC系统标称模型相关项，λ代表外部扰动最大值，Γ为控制器参数。

滑模控制器是一种基于受控对象驱动的控制策略，受控对象标称模型与实际物理系统相似程度越高，控制器的性能越优秀。循环滑模控制器根据历史SOFC系统运行数据对控制器的标称模型进行修正，使其不断贴近真实的SOFC系统，并按照最新的标称模型，根据滑模控制策略输出控制律u。

S3、利用修正后的滑模控制器，在当次SOFC系统运行过程中获取输出的跟踪误差，从而再次调校控制各气路阀门开度、功率输出、燃料流速、空气流速、电压设置值，直至SOFC系统输出跟踪上外部负载；

S4、记录当次SOFC系统运行数据，并将其提供给下次SOFC系统运行时进行循环学习使用。

SOFC系统运行状态进入负载完全跟踪后，记录下SOFC系统本次运行过程中，每一个时刻的SOFC系统控制输入与控制误差，存储下来供下一次SOFC系统运行时使用。

上述方案既通过控制器的滑模反馈控制结构，保证了SOFC系统在运行过程中的负载跟踪误差可以得到快速收敛，灵敏性好、安全性高，又通过循环学习前馈控制结构，使得SOFC系统运行过程的历史数据得到了有效利用。这样的控制器在保障了SOFC系统可靠性的基础上，又随着SOFC系统的重复运行提供了帮助。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取SOFC系统上一次运行过程中的控制数据，根据所获取的控制数据调整标称模型；

S2、根据调整后的标称模型修正滑模控制器参数；

S3、利用修正后的滑模控制器，在当次SOFC系统运行过程中获取输出的跟踪误差，从而控制各气路阀门开度、功率输出、燃料流速、空气流速、电压设置值，直至SOFC系统输出跟踪上外部负载；

S4、记录当次SOFC系统运行数据，并将其提供给下次SOFC系统运行时进行循环学习使用。

2.根据权利要求1所述的一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，其特征在于，所述步骤S1中标称模型表示为：

其中，u_k-1(t)表示上次运行过程中的控制输入，p(t)表示SOFC系统的外部负载，Ξ^T(t)表示未知参数构成的向量且Ξ^T(t)＝[f_a(t),a(t),b(t),c(t)]，α(t)＝[-1,-1,-I(t),-I²(t)]表示可观测数据向量，I(t)表示实时的放电电流，a(t)、b(t)、c(t)表示SOFC系统电阻参数，f_a(t)表示SOFC系统内部的功率损耗，U表示SOFC系统中电堆的电压值。

3.根据权利要求2所述的一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：

S11、SOFC系统运行前，获取上一次运行过程中记录的SOFC系统运行数据，包括发电过程的控制输入量以及控制误差；

S12、利用步骤S11获取的控制输入量以及控制误差对标称模型进行修正，修正后的标称模型表示为：

p_k(x,I,t)＝p_k-1(x,I,t)+κ(ζ_k-1(t),u_k-1(t))

其中，p_k表示SOFC系统第k次运行过程中的标称模型，κ表示循环学习函数，ζ_k-1表示上一次循环的控制误差，x表示SOFC系统运行的实际功率，t表示SOFC系统运行时间。

4.根据权利要求3所述的一种面向SOFC系统负载跟踪的循环控制方法，其特征在于，所述步骤S2修正后的滑模控制器表示为：

其中，u(t)是控制器输出的控制量，m(t)为终端滑模面，λ为外部扰动最大值，Γ为控制器参数，e₂(t)表示SOFC系统的负载功率跟踪的误差值，β，v，w是控制器参数，其中v，w为正奇数且满足β＞0。