一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法技术方案

本发明专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，包括：选取固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，通过静态最优化分析所述操作参数，得到的最优操作点组；获取固体氧化物燃料电池系统在最优操作点组下的开环输出响应特性，并找出不同类型阶跃变化负载扰动下的性能现象；根据性能现象确定最优控制方式和最优负载跟踪时间，进而得到最优控制策略。通过对固体氧化物燃料电池系统动静态协同最优化分析，发掘系统热电耦合基本规律，找出性能现象，设计基本控制策略，实现固体氧化物燃料电池系统安全、高效、快速运行。

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法
本专利技术涉及燃料电池
，特别是涉及一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法。
技术介绍
能源关乎着一个国家的经济安全和社会稳定，对现代社会的发展至关重要。工业革命以来，煤、石油等不可再生能源被大量消耗，人类面临着能源危机。同时，火力发电仍然是目前最主要的发电方式，然而火力发电技术存在效率较低、环境破坏严重的问题。因此，具有安静、清洁、高效和燃料多样等特点的固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFC)发电技术受到国际社会广泛关注，具有良好的发展前景和应用前景。固体氧化物燃料电池系统发电过程中存在热电耦合机理复杂性：电堆内部温度过低，电化学反应无法进行；电堆内部温度越高，电化学反应越剧烈，产生的电流密度越大，发电效率越高，但是电堆内部温度过高或者电堆内部温度梯度过大又会造成电池不可逆转的损坏；在增加负载、降低负载、提高效率等各类动态过程中均存在复杂的热电强耦合，以增加负载的动态过程为例，欲实现负载功率增加→燃料利用率增加→电堆内部温度增加→热安全风险增加，同时：燃料利用率增加→电堆尾气中燃料减少→燃烧室温度降低→系统反应速度降低→负载功率降低。可见，固体氧化物燃料电池系统的强热电耦合特性给其热特性安全和发电效率优化的协同控制带来了很大的挑战。近些年来，很多学者对固体氧化物燃料电池系统的热安全和发电效率优化问题进行了一系列研究：从电堆运行温度和燃料利用率等方面对固体氧化物燃料电池系统的热安全问题进行了研究；从系统结构和操作参数等方面对固体氧化物燃料电池系统发电效率优化问题进行了研究。但是目前的研究工作均未充分综合考虑固体氧化物燃料电池外围系统、燃料利用率、燃烧室温度等对系统热安全和电效率相互关联的影响，无法对固体氧化物燃料电池系统热电协同控制器设计做出有效指导。基于本人申请号为201410185972.2，名为一种确定固体氧化物燃料电池系统参数的方法的专利专利技术的专利技术，对固体氧化物燃料电池系统进行动静态结合最优化分析，发掘固体氧化物燃料电池系统热电耦合基本规律，找出性能现象，设计基本控制策略，对固体氧化物燃料电池系统热电协同控制设计具有十分重要指导意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，通过静态最优化分析得到的最优操作点组，并在此基础上根据性能现象确定最优控制方式和最优负载跟踪时间，进而得到最优控制策略有效控制了电池系统高效运行。本专利技术的技术方案为：一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，包括：选取固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，通过静态最优化分析操作参数，得到的最优操作点组；获取固体氧化物燃料电池系统在最优操作点组下的开环输出响应特性，并找出不同类型阶跃变化负载扰动下的性能现象；根据性能现象确定最优控制方式和最优负载跟踪时间，进而得到最优控制策略。优选的是，操作参数包括电堆电流、旁路阀开度、空气过量比和燃料利用率。优选的是，固体氧化物燃料电池系统开环输出响应特性包括输出电特性、输出温度特性、单电池片各个节点的燃料输出特性。优选的是，阶跃变化负载扰动类型包括：阶跃上升负载扰动和/或阶跃下降负载扰动。优选的是，性能现象包括燃料亏空、温度超限和负载快速跟踪。优选的是，最优控制方式，包括如下步骤：设定固体氧化物燃料电池系统的切换工况和负载跟踪时间；分别利用不同控制方式对固体氧化物燃料电池系统的电堆电流进行控制，得到不同控制方式下的开环输出响应特性曲线；比较开环输出响应特性曲线，确定最优控制方式；其中，切换工况为由固体氧化物燃料电池系统的初始功率切换到目标功率；控制方式包括：分步阶跃控制方式和/或直线控制方式。优选的是，最优负载跟踪时间，包括如下步骤：设定固体氧化物燃料电池系统的切换工况，并设定不同的负载跟踪时间；利用所述最优控制方式对所述固体氧化物燃料电池系统的电堆电流进行控制，观察不同负载跟踪时间下固体氧化物燃料电池系统性能现象；将不出现性能现象的工况对应的最小负载跟踪时间作为最优负载跟踪时间。优选的是，最优控制策略包括如下步骤：确定中间功率，并将所述切换工况划分为切换阶段和保持阶段；切换阶段，采用最优控制方式和最优负载跟踪时间对所述固体氧化物燃料电池系统的电堆电流进行控制，使固体氧化物燃料电池系统的实际输出功率的最大跟踪误差达到目标功率阈值下界，记下此时电流切换曲线上对应的界点坐标；保持阶段采用最优控制方式和最优负载跟踪时间对固体氧化物燃料电池系统的电堆电流进行控制，使得固体氧化物燃料电池系统的实际输出功率在目标功率允许阈值范围内，电流切换曲线经过所述电堆电流界点坐标；其中，所述目标功率阈值下界的计算公式为：其中，Pmin为目标功率阈值下界；为目标功率；γ为误差阈值。优选的是，切换阶段为控制电堆电流由所述初始功率对应的最优操作点电流切换到所述中间功率对应的最优操作点电流；所述保持阶段为控制电堆电流由所述中间功率对应的最优操作点电流切换到所述目标功率对应的最优操作点电流。优选的是，不同的控制方式包括分步阶跃控制方式和/或直线控制方式；其中，分步阶跃控制方式为每m秒阶跃上升n安培；直线控制方式按照直线方程轨迹上升，直线方程为Is(t)＝at+b；其中，m和n均为非负常数，Is(t)为电堆电流，a和b均为常数，t为变化时间。本专利技术所提出的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，综合考虑了固体氧化物燃料电池外围系统、燃料利用率、空气过量比、旁路阀开度等对系统热安全和电效率相互关联的影响。静态最优化分析电池系统的多个操作参数，通过设定温度约束条件，筛选出电池系统的安全操作点组，再通过电池系统输出功率筛选出最优操作点组，为电池系统快速、安全、高效运行提供了基础数据保证。通过动态最优化分析找到不同阶跃负载扰动下电池系统的性能情况，并在此基础上根据性能现象确定最优控制方式和最优负载跟踪时间，进而得到最优控制策略有效控制了电池系统高效运行。动静态最优化分析相结合，实现了固体氧化物燃料电池系统安全、高效、快速的动态控制。附图说明图1为本专利技术的一个实施例中5KW固体氧化物燃料电池系统框图。图2为本专利技术提供的一种固体氧化物燃料电池系统静态分析的最优化分析流程图。图3为本专利技术的一个实施例中树形分类统计法遍历采集数据流程图。图4为本专利技术提供的一种固体氧化物燃料电池系统动态分析的最优化分析流程图。图5为本专利技术的一个实施例的中系统在阶跃下降负载扰动下净输出功率图。图6为本专利技术的一个实施例的中系统在阶跃下降负载扰动下单片电池输出电压图。图7为本专利技术的一个实施例中系统在阶跃下降负载扰动下固体氧化物燃料电池系统电堆内最大阳极-电解质-阴极温度特性整体图。图8为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，包括：/n选取所述固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，通过静态最优化分析所述操作参数，得到的最优操作点组；/n获取固体氧化物燃料电池系统在所述最优操作点组下的开环输出响应特性，并找出不同类型阶跃变化负载扰动下的性能现象；/n根据所述性能现象确定最优控制方式和最优负载跟踪时间，进而得到最优控制策略。/n

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，包括：
选取所述固体氧化物燃料电池系统的多个操作参数，通过静态最优化分析所述操作参数，得到的最优操作点组；
获取固体氧化物燃料电池系统在所述最优操作点组下的开环输出响应特性，并找出不同类型阶跃变化负载扰动下的性能现象；
根据所述性能现象确定最优控制方式和最优负载跟踪时间，进而得到最优控制策略。


2.如权利要求1所述的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于：所述操作参数包括电堆电流、旁路阀开度、空气过量比和燃料利用率。


3.如权利要求2所述的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统开环输出响应特性包括输出电特性、输出温度特性、单电池片各个节点的燃料输出特性。


4.如权利要求3所述的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，所述阶跃变化负载扰动类型包括：阶跃上升负载扰动和/或阶跃下降负载扰动。


5.如权利要求4所述的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，所述性能现象包括燃料亏空、温度超限和负载快速跟踪。


6.如权利要求5所述的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，确定所述最优控制方式，包括如下步骤：
设定所述固体氧化物燃料电池系统的切换工况和负载跟踪时间；
分别利用不同控制方式对所述固体氧化物燃料电池系统的电堆电流进行控制，得到不同控制方式下的开环输出响应特性曲线；
比较所述开环输出响应特性曲线，确定最优控制方式；
其中，所述切换工况为由所述固体氧化物燃料电池系统的初始功率切换到目标功率；
所述控制方式包括：分步阶跃控制方式和/或直线控制方式。


7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池系统的动静态结合优化分析方法，其特征在于，确定所述最优负载跟踪时间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李曦，王贝贝，许元武，李冬，张琳，仲小博，
申请(专利权)人：华中科技大学鄂州工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42