申请/专利权人：华中科技大学

申请日：2016-03-30

公开（公告）日：2016-06-29

公开（公告）号：CN105720286A

主分类号：H01M8/10(2016.01)I

分类号：H01M8/10(2016.01)I;H01M8/04(2016.01)I;H01M8/04298(2016.01)I;H01M8/04992(2016.01)I

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2018.07.06#授权;2016.07.27#实质审查的生效;2016.06.29#公开

摘要：本发明公开一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法，包括：在系统为跟踪外部负载实现功率上升切换的过程中，通过仿真分析，在设定不同延迟时间的条件下，获得相对应的最优功率上升速率，使得系统既满足快速负载跟踪能力，又不导致燃料亏空问题；基于模型预测控制设计了功率参考轨迹，并结合功率参考轨迹，使系统的功率输出值能够快速、平滑地跟踪到目标约束轨迹，实现SOFC独立发电系统快速、安全负载跟踪的目标。本发明在系统功率切换的过程中，获得了在设定燃料延迟时间下的最优功率上升速率；并基于MPC控制方法设计了功率参考轨迹，实现功率增长速率的限制，解决了快速负载跟踪所面临的燃料亏空问题，适用于实际的工程应用。

主权项：一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法，其特征在于，包括：步骤一，在系统为跟踪外部负载实现功率上升切换的过程中，通过仿真分析，在设定不同延迟时间的条件下，获得相对应的最优功率上升速率，使得系统既满足快速负载跟踪能力，又不导致燃料亏空问题；步骤二，基于模型预测控制设计了功率参考轨迹，并结合功率参考轨迹，使系统的功率输出值能够快速、平滑地跟踪到目标约束轨迹，实现固体氧化物燃料电池独立发电系统快速、安全负载跟踪的目标。

全文数据：一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法技术领域[0001]本发明属于固体氧化物燃料电池领域，更具体地，涉及一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法，具体涉及固体氧化物燃料电池系统在限制功率上升速率的条件下进行功率切换，通过设计的功率参考轨迹实现负载跟踪，并且系统不产生燃料亏空问题的控制方法。背景技术[0002]固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，简称S0FC是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，它高效率、无污染、全固态、无机械振动和对多种碳氢燃料气体具有广泛适应性等特点，使之成为21世纪最具吸引力的绿色发电方式之一。[0003]SOFC可用于民用固定电站、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域，其开发研究与开发在80年代以后得到蓬勃发展。一些发达国家如美国、德国、日本等过均投入大量人力物力致力于SOFC系统发电的研究与开发，最终目标是实现SOFC的商业化。SOFC国际上一些具有代表性的科研机构与公司的SOFC技术水平都日趋完善，也有能够连续运行数万小时而不衰减的成功记录，但是这些数据都是在试验台的恒温条件下获得的，实际的工程应用因环境条件苛刻，缺乏完备的技术与优化的控制方法，使得系统的性能无法与试验台获得的相提并论。[0004]其中，对于快速负载跟踪功率上升而言，若保证最快切换时间，SOFC系统的外部负载在切换后，输出功率发生上升的阶跃变化时，因电化学反应消耗燃料极快，时间为毫秒级，将瞬间加大对燃料的需求，而气体管道中输送存在延时，时间为秒级，两者存在的时间差，使得电堆内所需燃料得不到及时供应，而产生燃料亏空问题，使得电堆阳极材料氧化，电堆温度变化剧烈，极易造成电池材料降解损坏。另外，SOFC系统是一个典型的强耦合、多变量、非线性的系统，且造价昂贵，实际上不可能通过多次重复性试验对系统进行研究，因此有必要基于实验验证的物理模型对系统进行仿真研究。发明内容[0005]针对现有技术的不足，本发明的第一目的是基于物理模型，在设定的燃料延时时间下，找到负载跟踪时的最优功率上升速率，避免系统负载跟踪时产生的燃料亏空问题，保证电堆使用寿命。[0006]本发明的第二目的是基于MPC控制和最优功率上升速率，提供一种功率切换参考轨迹，对功率进行反馈控制，快速、安全地跟踪设定功率，完成系统控制目标。[0007]为实现本发明的第一目的，本发明的技术方案为：[0008]为有效、快速的进行功率切换，又不导致燃料亏空，必须增加电化学反应消耗燃料的速率，即延长切换时间，获得既能保证固体氧化物燃料电池系统进行快速切换，又不引起燃料亏空的系统最短切换时间，及最优切换时间。在最优切换时间内，对应不同的功率上升速率和燃料延迟时间的操作条件。经过分析，系统负载跟踪中功率切换越迅速，燃料越易亏空;系统燃料延迟时间越长，燃料越易亏空。本发明在提供了不同的功率增长速率和燃料延迟时间的切换条件下，逐一考察系统燃料是否亏空。[0009]为不失一般性，根据分析结果设定燃料延迟时间为3s，为避免燃料亏空，得到最佳功率上升速率为97.5Ws，则在功率从3kW上升到5kW的最优切换时间为20s左右，此时既保证了快速负载跟踪，又避免系统燃料亏空。本发明中的控制器的设计也将运用本组选定参数。[0010]为实现本发明的第二目的，本发明的技术方案为：[0011]在MPC控制功率跟踪的过程中，控制器并不是直接跟踪系统设定的目标输出，而是以设计的功率参考轨迹为跟踪目标。一个设计良好的参考轨迹能够驱使系统的输出值快速、平滑地跟踪到目标轨迹。在本发明中，设定燃料延迟时间为3s，最佳功率增加速率为97.5Ws，在功率从3kW上升到5kW的最优切换时间为20s左右，则MPC的控制过程中，根据以上选定的参数：[0012]设计的功率目标约束轨迹为：[0013]y⑴=97.5t+3000[0014]y⑴为t时刻的目标约束轨迹值；[0015]设计的功率参考轨迹为：[0017]其中，s为目标功率设定值，y⑹，yrk分别为和系统在第k时刻的功率输出值和功率参考轨迹值，α为平滑因子，j为设定步长，yrk+j为k+j时刻的功率参考轨迹值。功率参考轨迹值是离散的点，它们平滑连接后而得到功率参考轨迹，功率参考轨迹根据功率输出值与功率设定值的重新加权分配下一时刻的功率参考值。功率参考轨迹只有在目标约束轨迹的下方，才能避免燃料亏空。[0018]在本发明中，参考以上控制参数取，并取一例j=4，a=〇.95,可保证设计的功率参考轨迹在目标约束轨迹的下方，并且功率参考轨迹快速、平滑地跟踪到目标约束轨迹，因此既保证功率跟踪过程中的快速性，又避免了系统燃料亏空，实现了功率的控制目标。[0019]本发明的有益效果体现在:在负载跟踪过程中，当要求功率上升时，本发明获取了特定参数下的最优功率上升速率或称临界功率上升速率），既保证快速进行负载跟踪，又避免了以往负载跟踪过程中的燃料亏空问题;在MPC控制器的功率控制中，结合最优功率上升速率与最优功率切换时间，设计的功率参考轨迹，能在控制器中加以运用，实现快速功率跟踪，并且避免燃料亏空，适用于实际的工程运用，为系统功率切换控制提供了新的解决思路。附图说明[0020]图1是功率目标约束轨迹与功率参考轨迹示意图。具体实施方式[0021]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。[0022]表1是不同的功率切换条件下系统是否产生燃料亏空示意图。固体氧化物燃料电池系统相当于一个功率提供装置，当外部负载要求功率从3kW变化到5kW，为保证为有效、快速的进行功率切换，又不导致燃料亏空，则系统在不同的燃料延迟时间下，切换功率时会对应不同的功率上升速率。表1明示了系统负载跟踪越迅速，燃料越易亏空；系统燃料延迟时间越长，燃料越易亏空。其中刚好不出现燃料亏空时的功率上升速率即为相应的燃料延迟时间条件下的最优功率上升速率或称临界功率上升速率例如当燃料延迟时间为3s，最优功率上升速率位97.5Ws。[0023]表1不同的功率切换条件下系统是否产生燃料亏空[0024][0025]图1是功率目标轨迹与功率参考轨迹示意图。本发明中选择设定燃料延迟时间为3s，为避免燃料亏空，得到最优功率上升速率为97.5Ws，则在功率从3kW上升到5kW的最优切换时间为20s左右，对应一个功率切换目标轨迹。此目标轨迹既保证切换时间足够短，又避免燃料亏空，通过在MPC控制过程中设计功率参考轨迹，使系统的功率输出值能够快速、平滑地跟踪到目标轨迹，同样的在工程上实现快速功率跟踪，又能避免燃料亏空的目标。图1明示了若在功率切换时，功率上升速率大于目标轨迹的功率上升速率，虽然使得功率切换更快速，但是系统燃料亏空严重。而在功率目标参考轨迹下方的参考轨迹，不会使得系统燃料亏空，但是切换的快速性也能够得到一定保证。因此可得在选定操作参数下，设计的功率参考轨迹，能够实现系统快速功率跟踪，又能避免燃料亏空的目标，适应于实际的工程应用。[0026]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法，其特征在于，包括：步骤一，在系统为跟踪外部负载实现功率上升切换的过程中，通过仿真分析，设定不同的功率增长速率和燃料延迟时间，考察系统是否会出现燃料亏空，刚好不出现燃料亏空时的功率增长速率即为相应的燃料延迟时间条件下的最优功率上升速率k;步骤二，基于最优功率上升速率k确定功率目标约束轨迹yt=kt+po，PO为初始功率，基于模型预测控制设计功率参考轨迹，并结合功率参考轨迹，使系统的功率输出值能够跟踪到目标约束轨迹，实现固体氧化物燃料电池独立发电系统快速、安全负载跟踪的目标；所述参考轨迹为其中，s为目标功率设定值，y⑹，yr⑹分别为和系统在第k时刻的功率输出值和功率参考轨迹值，α为平滑因子，j为设定步长，yrk+j为k+j时刻的功率参考轨迹值，功率参考轨迹根据功率输出值与功率设定值的重新加权分配下一时刻的功率参考值。

百度查询： 华中科技大学 一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD