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基于多阶滑模观测器的PEMFC发电系统输出净功率优化控制方法研究/李奇，冯嘉，尹良震，陈维荣

DOI：

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01研究背景

我国电力系统面临绿色低碳转型挑战，氢能已成为助力“碳达峰”、“碳中和”的重要途径之一。质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）通过电化学反应将氢能转化为电能并释放出热能，是一种环境友好的新型发电装置。对于大功率PEMFC发电系统，当负荷突变时，由于空气子系统存在时滞性，将会导致电堆内部气体的流量不能随运行的变化而做出快速响应。与阳极氢气流量相比，阴极氧气流量具有相对缓慢的动态特性，极容易导致“氧饥饿”和“氧饱和”的发生。

实际应用中PEMFC发电系统氧含量的计算是采用空气质量流量传感间接估计，而传统非线性状态观测器易受系统不确定性和模型准确度的影响。同时，既有空气子系统控制方法大部分是基于系统工作点的线性控制，忽略了不确定性及扰动等因素的影响，导致系统有效控制的动态范围窄、抗干扰能力较弱、跟踪性能较差。因此，研究一种稳定高效的PEMFC发电系统净功率优化控制方法具有重要意义。

02解决的问题及意义

本文提出一种基于多阶滑模观测器的净功率优化控制方法。该方法是根据净功率与氧饱和度，负载电流的关系寻出氧饱和度的最优运行轨迹，利用多阶滑模观测器（MOSMO）和拟连续高阶滑模（QCHOSM）算法实现净功率优化。其中MOSMO使用非线性高增益反馈的滑模算法使内部不可直接测变量在误差范围内迅速跟随系统实际值，实现氧饱和度的准确估计。QCHOSM算法通过对虚拟控制量积分作用得到系统控制量在时间呈连续状态，有效减弱了不连续的高频控制切换项给被控对象带来的不利“抖振”现象，使氧饱和度响应速度快、超调小，加快氧饱和度的动态响应，以实现净功率的优化。最后，在RT-Lab半实物平台上进行对比试验，验证了所提出的NPOCM方法在抗扰动性、调节时间、超调量方面具有较突出的性能优势，能够有效提高系统输出净功率。

03研究方法及创新点

本文建立了PEMFC发电系统模型，对其最优净功率特性进行分析（图1）。在此基础上，为了提高系统净功率，考虑在PEMFC内部变量不可测的情况下设计观测器来估计内部的变量。而基于MOSMO所获得的氧饱和度估计值与最优运行轨迹所寻得的氧饱和度参考值存在的差值，通过QCHOSM算法根据负载的变化适当调整压缩机电压Vcm，以调节氧饱和度使PEMFC发电系统的氧气流量在合理范围内且系统净功率较高，波动率较小。

图1PEMFC发电系统最优净功率曲面图

最后，采用RT-LAB半实物仿真平台对提出的NPOCM方法（控制结构见图2）进行实验验证。在OP的系统中搭建PEMFC发电系统模型，并基于DSPTMS控制器编写算法与RT-Lab目标机连接，搭建HIL测试系统，实现系统实时运行。平台如图3所示，实验结果见图4—6。

图2NPOCM控制结构

图3HIL实验平台系统结构图

图4基于观测器的氧饱和度估计结果

图5不同观测器的PEMFC发电系统净功率

图6不同控制方法的PEMFC发电系统净功率波动分析

04研究结论

为保障PEMFC发电系统净功率稳定、高效输出，本文提出一种基于多阶滑模观测器的净功率优化控制方法（NPOCM）。主要结论如下：

1)考虑氧饱和度准确估计所需阴极内部氧气质量、氮气质量状态变量不可直接测量，提出一种与系统状态相对度匹配的MOSMO，通过测试验证该氧饱和度估计方法的准确性、收敛性能。

2)通过研究在负载动态变化下PEMFC发电系统净功率与快速供给空气流量之间的耦合关系，拟合获得PEMFC发电系统净功率优化轨迹。

3)为提高PEMFC系统的净功率并抑制净功率波动，提出了NPOCM方法，通过对比测试，验证了所提出方法在抗扰动性、调节时间、超调量和净功率及其波动率方面具有较好的优越性，能够控制氧饱和度以较小的超调量做出快速响应并有效“削弱”系统抖振，有效提高了系统净功率。

参文格式

李奇,冯嘉,尹良震,等.基于多阶滑模观测器的PEMFC发电系统输出净功率优化控制方法[J/OL].电网技术:1-11.

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