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

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）不通過燃燒以及機械傳動，直接將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能，具有高效率、低排放以及安靜等優(yōu)點，從而成為最具發(fā)展前景的供電技術(shù)之一。為了實現(xiàn)SOFC獨立發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、長壽命地運行，其熱特性安全、效率優(yōu)化、防止燃料虧空以及快速負載跟蹤是必須解決的關(guān)鍵問題?；诂F(xiàn)有的發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺，以5 kW純氫氣SOFC發(fā)電系統(tǒng)為研究目標，本文從SOFC系統(tǒng)熱電耦合機理建模、動靜態(tài)性能分析與優(yōu)化，系統(tǒng)控制這三個層次對上述關(guān)鍵

2、問題展開了深入研究。
　　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)為對象，并且搭建了熱電耦合物理模型用于動靜態(tài)分析。為了保證模型的準確性，對SOFC系統(tǒng)的核心部件電堆建模進行了實驗驗證。⑵基于已驗證過的物理模型，對SOFC系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)性能分析與效率優(yōu)化，揭示了操作參數(shù)對熱電特性的影響，獲得了系統(tǒng)的安全操作范圍以及最優(yōu)操作點，并擬合獲取了最優(yōu)操作曲線。進一步地，在穩(wěn)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，重點分析了系統(tǒng)熱特性以及負載跟蹤的開環(huán)

3、動態(tài)響應(yīng)情況，討論了“燃料虧空”、“負載跟蹤過慢”、“溫度過高”等關(guān)鍵性控制問題，并通過分析其相互耦合關(guān)系提出了解決的基礎(chǔ)方法體系。上述動靜態(tài)分析為SOFC安全、快速、高效的動態(tài)控制奠定了基礎(chǔ)。⑶在動靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，針對上述負載跟蹤的幾個關(guān)鍵性問題，分別針對電堆單元以及整個SOFC獨立發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計了預(yù)測控制器。一方面，針對電堆單元，在外圍設(shè)計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)計了基于電流控制的控制器，并

4、且針對SOFC動態(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，快速地跟蹤外部負載。另一方面，針對整個SOFC系統(tǒng)級的控制，首先，重點考慮“燃料虧空”、“快速負載跟蹤”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)計了雙步電流預(yù)控的控制策略；其次，重點考慮“熱安全”問題，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)測控制策略，特別地，考慮電控單元的電流工況并進行

5、簡單耦合，設(shè)計了帶約束的全局溫度預(yù)測控制器，保證了SOFC系統(tǒng)的熱安全性能。⑷針對目前SOFC系統(tǒng)級控制存在的溫度約束、功率跟蹤、系統(tǒng)效率、燃料虧空這幾個關(guān)鍵性問題，將其相互耦合的關(guān)鍵控制要素進行了有效的分析與協(xié)調(diào)管控，以SOFC系統(tǒng)安全、快速負載跟蹤為目標，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”的控制策略。實現(xiàn)了SOFC系統(tǒng)級的熱電耦合協(xié)同控制，為SOFC系統(tǒng)產(chǎn)品級控制技術(shù)的解決提供了一種可供