空压机的防喘振控制方法及系统技术方案

本申请实施例中提供了一种空压机的防喘振控制方法及系统。采用本申请实施例的空压机的防喘振控制方法及系统，通过根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q

Anti surge control method and system of air compressor

【技术实现步骤摘要】
空压机的防喘振控制方法及系统
本申请属于燃料电池
，具体地，涉及一种空压机的防喘振控制方法及系统。
技术介绍
燃料电池技术是一种高效清洁的能量转换技术系统能耗是由供气系统产生的，燃料电池在工作时，需要供气系统将空气压缩后送入到电池阴极参与反应。高速离心式空压机由于结构紧凑、高效率、高压比的特点，已成为燃料电池空气管理系统的关键部件，空压机工作点越靠近喘振线，空压机的效率越高，但越容易发生喘振现象，导致电堆阴极参与反应的氧气量剧烈波动，影响燃料电池性能，降低堆体寿命，并带来较严重的气动噪声。空压机喘振是由于离心式空压机工况发生突变，出口流量迅速减小而出口压力变化滞后于流量变化，在空压机与空气管道之间发生周期性的气流振荡，使空压机工作在不稳定的流动状态。空压机出厂时，会附上标准状态下空压机的压比、流量和转速的特性曲线，当空压机工作在该特性曲线的喘振线附近时为近喘振工况区。现有的氢燃料电池空压机防喘振方法有主动控制和被动控制两种。主动控制是通过对空压机性能的改进来扩大空压机的安全工作范围，但由于氢燃料电池时常工作在高压比、低流量工况，使得空压机适配性较差，实际运行过程中常有气流不稳定状况发生。而目前国内外关于氢燃料电池离心式空压机的气动特性研究尚不充分，特别没有全面系统的分析离心式空压机在不同车用工况环境下的性能匹配，使得现有离心式空压机在结构尺寸改进、压比效率提高方面都存在瓶颈，实际运行过程中常有气流不稳定状况发生，仅靠改进空压机性能无法满足氢燃料电池堆阴极的稳定供氧。被动控制通常是通过对空压机入口流量或出口压力进行调节，使空压机工作在喘振区域以外，实际应用中，常通过防喘阀实现流量调节。中国专利CN103727074“燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法”中使用了旁路系统，通过PID控制单元控制旁路阀实现流量调节。但燃料电池空压机系统具有流量、压力复杂耦合的特点，现有PID控制方案不能实现流量、压力的稳定控制，极大限制了空压机的防喘振效果。同时，目前常用的防喘振阀以及CN103727074方案中的旁路阀，都只是对空压机流量进行控制，但氢燃料电池空压机系统具有流量、压力、电机转速复杂耦合的特点，进入电堆的气体流量、压力均会影响燃料电池的运行性能，仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行在高效率工况点，同时车用燃料电池运行工况复杂，负载需求变化快，传统PID控制算法往往不能精确快速满足电堆需求的空气流量，也会极大降低空压机的防喘振效果。
技术实现思路
本专利技术提出了一种空压机的防喘振控制方法及系统，旨在解决现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种空压机的防喘振控制方法，包括以下步骤：根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值qref和期望压力值pref；对期望流量值qref和期望压力值pref进行非喘振限幅得到限幅流量值q*和限幅压力值p*；输入所述限幅流量值q*至第一PI控制器得到空压机的控制角速度ω*，输入所述限幅压力值p*至第二PI控制器得到管道蝶阀的控制角度θ*；空压机控制器根据所述控制角速度ω*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述控制角度θ*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种空压机的防喘振控制系统，具体包括：期望流量和期望压力计算模块：用于根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值qref和期望压力值pref；限幅器模块：用于对期望流量值qref和期望压力值pref进行非喘振限幅得到限幅流量值q*和限幅压力值p*；PI控制器模块：用于输入所述限幅流量值q*至第一PI控制器得到空压机的控制角速度ω*，输入所述限幅压力值p*至第二PI控制器得到管道蝶阀的控制角度θ*；空压机与蝶阀控制模块：用于空压机控制器根据所述控制角速度ω*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述控制角度θ*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。采用本申请实施例中的空压机的防喘振控制方法及系统，通过根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值qref和期望压力值pref；对所述期望流量值qref和期望压力值pref进行非喘振限幅得到限幅流量值q*和限幅压力值p*；输入限幅流量值q*至第一PI控制器得到空压机的角速度ω*，输入限幅压力值p*至第二PI控制器得到管道蝶阀的角度θ*；空压机控制器根据角速度数值ω*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据角度θ*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。通过采用两个具有PI控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，并提高了防喘振效果，解决了现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。附图说明此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：图1中示出了现有技术中氢燃料电池的气路结构图；图2中示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制方法的步骤流程图；图3示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制系统的总体结构设计图；图4中示出了根据本申请实施例的空压机工作特性曲线图；图5中示出了根据本申请实施例的PI控制器结构图；图6示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制系统的结构示意图。具体实施方式在实现本申请的过程中，专利技术人发现现有的氢燃料电池空压机防喘振方法有主动控制和被动控制两种，被动控制方面，通常是通过对空压机入口流量或出口压力进行调节，使空压机工作在喘振区域以外，目前常用的防喘振方案都只是对空压机流量进行控制，但氢燃料电池空压机系统具有流量、压力、电机转速复杂耦合的特点，进入电堆的气体流量、压力均会影响燃料电池的运行性能，仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行在高效率工况点。因此，需要一种空压机的防喘振控制方法及系统，在防喘振控制同时保证系统高效率稳定运行。针对上述问题，本申请实施例中提供了一种空压机的防喘振控制方法及系统，通过采用两个具有PI控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，并提高了防喘振效果，使控制系统处于高效率的稳定状态。本申请实施例中提供的空压机的防喘振控制方法及系统主要用于氢燃料电池离心式空压，通过两个具有抗积分饱和功能的PI控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，并采用相对增益阵列(RGA)方法，得到空压机控制的耦合度，进而精确控制空压机的运行工作点，同时设计了期望值限幅器，能够阻止空压机工作点达到喘振点，有效防止燃料电池运行过程中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空压机的防喘振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n根据燃料电池堆的功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q

【技术特征摘要】
1.一种空压机的防喘振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据燃料电池堆的功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值qref和期望压力值pref；
对所述期望流量值qref和所述期望压力值pref进行非喘振限幅得到限幅流量值q*和限幅压力值p*；
输入所述限幅流量值q*至第一PI控制器得到空压机的控制角速度ω*，输入所述限幅压力值p*至第二PI控制器得到管道蝶阀的控制角度θ*；
空压机控制器根据所述控制角速度ω*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述控制角度θ*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。


2.根据权利要求1所述的空压机的防喘振控制方法，其特征在于，所述对所述期望流量值qref和期望压力值pref进行非喘振限幅得到限幅流量值q*和限幅压力值步骤中，具体包括：
根据空压机工作特性曲线得到空压机喘振线函数以及喘振线反函数，喘振线函数公式如下：
p＝φ(q)；
喘振线反函数公式如下：
q*＝φ-1(p*)；
取所述喘振线函数与期望流量值qref相比的最小值为限幅流量值q*，取所述喘振线反函数与期望压力值pref相比的最大值为限幅压力值P*。


3.根据权利要求1所述的空压机的防喘振控制方法，其特征在于，所述第一PI控制器与第二PI控制器相同，所述第一PI控制器与第二PI控制器的具体设计如下：
PI控制器的控制量公式为：
u＝kpe+kiei；
其中，e＝y-r；
其中，e为误差；r为输入量，输入值为限幅流量值q*和限幅压力值P*；y为经PI控制器计算后的流量值和压力值；
设定控制量上限阈值umax和下限阈值umin，当u>umax时，只对误差e为负数的情况进行累加计算；
当u<umin时，只对误差e为正数的情况进行累加计算。


4.根据权利要求1所述的空压机的防喘振控制方法，其特征在于，还包括：
获取空压机的角速度控制流量与蝶阀的角度控制压力的双回路控制模型；
采用相对增益阵列方法得到所述双回路控制模型相互作用下的耦合关系；
根据所述双回路控制模型相互作用下的耦合关系对双回路控制模型间的耦合关系进行传递函数的线性化求解，解除所述双回路控制模型在强耦合关系区内的耦合性。


5.根据权利要求4所述的空压机的防喘振控制方法，其特征在于，所述获取空压机的角速度控制流量与蝶阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家林，江楠，鹿文慧，王盼盼，
申请(专利权)人：潍柴动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37