面向高效率负载跟踪的SOFC系统优化与控制研究

摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）不通过燃烧以及机械传动，直接将燃料的化学能转化为电能，具有高效率、低排放以及安静等优点，从而成为最具发展前景的供电技术之一。为了实现SOFC独立发电系统稳定、高效、长寿命地运行，其热特性安全、效率优化、防止燃料亏空以及快速负载跟踪是必须解决的关键问题。基于现有的发电系统实验平台，以5 kW纯氢气SOFC发电系统为研究目标，本文从SOFC系统热电耦合机理建模、动静态性能分析与优化，系统控制这三个层次对上述关键问题展开了深入研究。
　　本研究主要内容包括：⑴以带有冷空气旁路阀的SOFC系统为对象，并且搭建了热电耦合物理模型用于动静态分析。为了保证模型的准确性，对SOFC系统的核心部件电堆建模进行了实验验证。⑵基于已验证过的物理模型，对SOFC系统进行稳态性能分析与效率优化，揭示了操作参数对热电特性的影响，获得了系统的安全操作范围以及最优操作点，并拟合获取了最优操作曲线。进一步地，在稳态分析的基础上，重点分析了系统热特性以及负载跟踪的开环动态响应情况，讨论了“燃料亏空”、“负载跟踪过慢”、“温度过高”等关键性控制问题，并通过分析其相互耦合关系提出了解决的基础方法体系。上述动静态分析为SOFC安全、快速、高效的动态控制奠定了基础。⑶在动静态分析的基础上，针对上述负载跟踪的几个关键性问题，分别针对电堆单元以及整个SOFC独立发电系统设计了预测控制器。一方面，针对电堆单元，在外围设计了基于流体流量控制的温度控制器，用于控制电堆内温度；在电控单元，设计了基于电流控制的控制器，并且针对SOFC动态响应安全特性的要求，加入了输入约束用于控制输入饱和，在平稳地控制电堆的空间温度分布以及避免燃料亏空的前提下，快速地跟踪外部负载。另一方面，针对整个SOFC系统级的控制，首先，重点考虑“燃料亏空”、“快速负载跟踪”以及”效率最优”特性，根据第三章所得到的最优曲线，设计了双步电流预控的控制策略；其次，重点考虑“热安全”问题，基于T-S模型，提出了一种带有输入约束的非线性温度预测控制策略，特别地，考虑电控单元的电流工况并进行简单耦合，设计了带约束的全局温度预测控制器，保证了SOFC系统的热安全性能。⑷针对目前SOFC系统级控制存在的温度约束、功率跟踪、系统效率、燃料亏空这几个关键性问题，将其相互耦合的关键控制要素进行了有效的分析与协调管控，以SOFC系统安全、快速负载跟踪为目标，提出基于“最优工况为基础，热安全保障与高效率输出为前提、快速功率跟踪反馈为目标”的控制策略。实现了SOFC系统级的热电耦合协同控制，为SOFC系统产品级控制技术的解决提供了一种可供借鉴性的途径。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 SOFC发电原理及特点

1.3 国内外发展现状

1.4 SOFC系统建模与控制现状

1.5 本文具体研究对象

1.6 本文主要章节安排

2 SOFC系统热电耦合平台搭建与建模方法

2.1 SOFC系统组成

2.2 SOFC系统建模方法

2.3 SOFC系统模型的集成

2.4 SOFC模型验证

2.5 本章小结

3 SOFC系统静态性能分析

3.1 SOFC系统性能指标

3.2 SOFC系统稳态特性

3.3 SOFC系统稳态寻优

3.4 SOFC系统寻优结果分析

3.5 本章小结

4 SOFC系统的动态性能分析

4.1 SOFC系统开环动态特性分析

4.2 SOFC系统控制关键问题分析

4.3 关键控制技术关系分析

4.4 本章小结

5 SOFC电堆单元控制研究

5.1 SOFC控制参数

5.2 SOFC电堆降阶

5.3 SOFC电堆温度控制器设计

5.4 SOFC电控单元的安全控制分析

5.5 本章小结

6 面向产品级需求的SOFC系统控制研究

6.1 面向燃料亏空的SOFC系统控制

6.2 面向温度安全的SOFC系统控制

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录A：已发表学术论文、申请专利及所获奖励

附录B：公开发表的学术论文与博士学位论文的关系

附录C：SOFC模型参数

附录D：各插值点立方卷积插值公式

附录E：SOFC系统模型状态空间阶次分析

附录F：电堆模型不同温度层假设

附录G：模型预测控制器参数