面向高效率負(fù)載跟蹤的SOFC系統(tǒng)優(yōu)化與控制研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）不通過(guò)燃燒以及機(jī)械傳動(dòng)，直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，具有高效率、低排放以及安靜等優(yōu)點(diǎn)，從而成為最具發(fā)展前景的供電技術(shù)之一。為了實(shí)現(xiàn)SOFC獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、長(zhǎng)壽命地運(yùn)行，其熱特性安全、效率優(yōu)化、防止燃料虧空以及快速負(fù)載跟蹤是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題?；诂F(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以5 kW純氫氣SOFC發(fā)電系統(tǒng)為研究目標(biāo)，本文從SOFC系統(tǒng)熱電耦合機(jī)理建模、動(dòng)靜態(tài)性能分析與優(yōu)化，系統(tǒng)控制這三個(gè)層次對(duì)上述關(guān)鍵

2、問(wèn)題展開(kāi)了深入研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以帶有冷空氣旁路閥的SOFC系統(tǒng)為對(duì)象，并且搭建了熱電耦合物理模型用于動(dòng)靜態(tài)分析。為了保證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)SOFC系統(tǒng)的核心部件電堆建模進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。⑵基于已驗(yàn)證過(guò)的物理模型，對(duì)SOFC系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)性能分析與效率優(yōu)化，揭示了操作參數(shù)對(duì)熱電特性的影響，獲得了系統(tǒng)的安全操作范圍以及最優(yōu)操作點(diǎn)，并擬合獲取了最優(yōu)操作曲線。進(jìn)一步地，在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)熱特性以及負(fù)載跟蹤的開(kāi)環(huán)

3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，討論了“燃料虧空”、“負(fù)載跟蹤過(guò)慢”、“溫度過(guò)高”等關(guān)鍵性控制問(wèn)題，并通過(guò)分析其相互耦合關(guān)系提出了解決的基礎(chǔ)方法體系。上述動(dòng)靜態(tài)分析為SOFC安全、快速、高效的動(dòng)態(tài)控制奠定了基礎(chǔ)。⑶在動(dòng)靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)上述負(fù)載跟蹤的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，分別針對(duì)電堆單元以及整個(gè)SOFC獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)了預(yù)測(cè)控制器。一方面，針對(duì)電堆單元，在外圍設(shè)計(jì)了基于流體流量控制的溫度控制器，用于控制電堆內(nèi)溫度；在電控單元，設(shè)計(jì)了基于電流控制的控制器，并

4、且針對(duì)SOFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)安全特性的要求，加入了輸入約束用于控制輸入飽和，在平穩(wěn)地控制電堆的空間溫度分布以及避免燃料虧空的前提下，快速地跟蹤外部負(fù)載。另一方面，針對(duì)整個(gè)SOFC系統(tǒng)級(jí)的控制，首先，重點(diǎn)考慮“燃料虧空”、“快速負(fù)載跟蹤”以及”效率最優(yōu)”特性，根據(jù)第三章所得到的最優(yōu)曲線，設(shè)計(jì)了雙步電流預(yù)控的控制策略；其次，重點(diǎn)考慮“熱安全”問(wèn)題，基于T-S模型，提出了一種帶有輸入約束的非線性溫度預(yù)測(cè)控制策略，特別地，考慮電控單元的電流工況并進(jìn)行

5、簡(jiǎn)單耦合，設(shè)計(jì)了帶約束的全局溫度預(yù)測(cè)控制器，保證了SOFC系統(tǒng)的熱安全性能。⑷針對(duì)目前SOFC系統(tǒng)級(jí)控制存在的溫度約束、功率跟蹤、系統(tǒng)效率、燃料虧空這幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，將其相互耦合的關(guān)鍵控制要素進(jìn)行了有效的分析與協(xié)調(diào)管控，以SOFC系統(tǒng)安全、快速負(fù)載跟蹤為目標(biāo)，提出基于“最優(yōu)工況為基礎(chǔ)，熱安全保障與高效率輸出為前提、快速功率跟蹤反饋為目標(biāo)”的控制策略。實(shí)現(xiàn)了SOFC系統(tǒng)級(jí)的熱電耦合協(xié)同控制，為SOFC系統(tǒng)產(chǎn)品級(jí)控制技術(shù)的解決提供了一種可供