中温固体氧化物燃料电池系统建模与控制方法研究

摘要

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）是一种高效、清洁、安静、可靠的能源转换装置，它可以将化学能直接转换为电能。SOFC具有燃料来源灵活、热电联供效率高、抗毒化性能优越、固态组件稳定性高、较高的功率密度和环境友好等自身优点，被认为是最有发展前途、最具有商业化价值的燃料电池技术之一。
　　 目前SOFC的工作温度已经下降到750℃左右，然而这样的高温环境依然带来很大挑战。因为高温及温度变化将会给电堆机械性能带来负面作用，导致电池堆热疲劳、分层甚至断裂；此外温度变化也会给SOFC电特性带来影响，例如影响电池电压、电流密度分布和电功率等，所以对温度的管理和控制显得尤为重要。同时，国内外对SOFC性能的研究也从材料、结构和模型等逐步向电堆、系统等技术方向发展。电堆的可靠性和安全性需要高效的控制系统来实现，从而在负载波动条件下，电堆气体的温度和压力保持稳定，输出性能良好，使用寿命延长。此外，外部功率负载跟踪也是电池堆技术达到一定水平后需要考虑和分析的。本文以中温平板式SOFC电堆和系统为研究对象，探讨电堆热管理的控制策略和外部负载跟踪方法，以实现优化的温度控制和系统供能。
　　 论文首先介绍了SOFC电池的发展，特别是目前电堆和系统研究状况。随后论文讨论了建模过程中采用的基本理论、研究方法和算法。在详细分析了模型各个子系统的结构和组成之后，采用Matlab软件建立起SOFC电堆仿真模型。对SOFC电堆热管理系统进行建模，设计并实现一种离线的改进Takagi-Sugeno（T-S）模糊模型来代替物理模型，仿真结果验证了算法的良好逼近性能。运用基于在线的优化T-S模糊模型建模和离散优化的非线性模型预测控制（Model Predictive Control，简称MPC）算法，来实时控制电堆的工作温度，仿真结果显示了较好的模型仿真性能。运用参考模型法跟踪功率负载变化，研讨了功率负载动态跟踪的一种方法。
　　 论文的主要工作体现如下：
　　 (1)搭建千瓦级的SOFC系统模型。系统包含燃料电池堆、热管理子系统（电堆热管理和外部热管理）、燃料处理子系统、电力电子子系统和系统控制子系统等五大部分。着重分析了SOFC电堆建模过程，详细阐明了SOFC电堆的四个子系统，即电特性子系统、阴极流子系统、阳极流子系统和电堆热管理子系统。分析了电池堆四个子系统搭建所依据的基本原理和方法，探讨了子系统模型结构以及在Matlab程序中的实现。此外，讨论了外部热管理系统的构成和工作原理。
　　 (2)采用改进的T-S模糊模型仿真分析SOFC电堆中热管理子系统。依据质量守恒和能量守恒定律建立起温度控制的焓平衡方程，完成焓入和焓出等计算，从而构建起温度控制的物理模型。系统的两个输入为空气流和氢气流，输出为电堆温度。采用改进的T-S模糊模型建模，运用所搭建物理模型产生的数据来训练和辨识改进的T-S模糊模型。结果显示，改进的T-S模糊模型的温度响应值与物理模型产生的温度响应值相似度很高。
　　 (3)模型预测控制（MPC）建模在线实时控制SOFC电堆的温度。首先建立起MPC模型框架，然后构建一个基于优化的T-S模糊模型来仿真SOFC电堆，详细分析优化的T-S模糊模型的计算步骤和方法。阐明了MPC模型控制量离散寻优的方法及在SOFC电堆温度控制中的应用。从仿真结果看，SOFC电堆温度的模型预测控制输出和电堆实际输出之间的跟踪曲线非常逼近。
　　 (4)探讨外部功率负载动态跟踪方法。针对外部负载通常在不同的时刻启动、加载、卸载、制动等动态变化，提出参考模型法来实现外部功率负载的跟踪。搭建一个负载动态跟踪模型，把SOFC电堆电特性模型做参考模型。通过模型构建的功率与氢气流量二者之间对应关系，实现外部功率负载的跟踪功能。