退化作用下的固体氧化物燃料电池自抗扰模型预测控制

作     者：钟运盛 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭杰;刘阿灶

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：固体氧化物燃料电池 退化作用 动态特性 复合控制 

摘      要：固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)由于其高能量转换效率和燃料的多样性而备受关注。然而,在长期运行过程中,SOFC的性能可能因多种因素而退化,这对于系统的稳定性和可靠性构成挑战。已知SOFC系统是一个多输入多输出、非线性、强耦合的复杂系统,为研究SOFC系统在退化作用下的空间分布状态与动态输出特性,并解决系统输出动态特性难以控制的问题,确保系统能够在退化作用下连续、稳定地运行,建立退化作用下的SOFC系统并为之设计合适的控制策略变得十分必要。有关机理建模、衰退方程和控制的研究已有很多,但大多都没有将这三者有机结合进行相应的研究。为了确保SOFC在退化作用下仍能保持优化运行,本研究提出了一种自抗扰模型预测控制策略。本文所做工作包括以下内容: (1)根据SOFC的运行原理,再结合给出的建模方法与条件,利用SOFC电堆与外围辅助部件的温度、流量、电化学方程,在MATLAB/Simulink环境下分别建立了机理模型,然后根据系统结构将所有部件连接组成了SOFC系统模型,并对该模型进行了验证,误差仅为2%。 (2)以建立的SOFC系统模型为基础,添加阳极材料、电解质材料和金属连接体材料的衰退方程进行完善。选取不同时期的材料特征值,定性分析了每种材料处于不同衰退阶段的系统输出曲线;在建模过程中考虑退化作用对衰退周期的影响因素,定量分析了每种材料在整个衰退过程对系统动态特性的影响。根据定性、定量的分析结果,进而研究在多种退化作用下的SOFC系统动态特性。 (3)基于构建的模型和动态分析结果,结合SOFC电堆温度安全所期望的控制目标,利用控制变量法观察每个操纵变量对SOFC输出信号的影响,明确了控制器为两输入两输出连接。分别对模型预测控制(Model predictive control,MPC)、自抗扰控制(Active disturbance rejection control,ADRC)和MPC-ADRC复合控制进行设计,再对比上述控制方法在无干扰、以阶跃信号为代表的瞬态干扰、以退化作用为代表的长期干扰下的系统输出结果,证实了复合控制能够使两者优势互补,其效果最为理想。