一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法技术

本发明专利技术提供一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法，包括：当DC微网外部负载变化时，得到与最大输出效率相对应的最优操作曲线；在固定的系统燃料传输延迟的条件下，采用电流时滞控制防止燃料亏空；得到除SOFC供能外，锂电池和超级电容所需的补充能量；设计SOFC、锂电池和燃料电池所需的DC/DC boost变压器，用以完成能量变换；基于所述最优操作曲线得到锂电池与超级电容所需电流；设计电流电压调节器用以控制DC微网电压稳定；得到的能源优化管控策略预期可解决效率最大化、燃料亏空以及快速负载跟踪的问题。本发明专利技术适用于实际的工程应用，为系统功率切换控制、混合能源管理提供了新的解决思路。提供了新的解决思路。提供了新的解决思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法


[0001]本专利技术涉及微型电网混合能量系统管理领域，尤其涉及一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法。

技术介绍

[0002]直流微型电网具有高效、可靠、低功率损耗等优点，在智能电网的发展中起着至关重要的作用。为了解决日益增长的电力消耗需求，目前有不同类型的新型分布式发电系统。其中基于固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)的直流微型电网是目前最有效和高效发电的直流微网之一。与传统的能源装备相比，它可以直接通过电化学反应发电，具有功率密度高、全固态结构、设备简单、无卡诺循环的限制、转化效率高等优点。
[0003]然而目前以及未来，基于SOFC直流微型电网具有以下挑战：最优效率。为了获得更高的转换效率，需要进行参数分析和多目标优化，得到不同操作条件下的最优工况。由于SOFC电堆中的电化学反应在毫秒内，燃料和氧气/空气的供应在几秒内。时间的差异会导致燃料亏空，从而导致燃料电池的微观结构变化和不可逆转的损伤。因此，应在外部负荷功率上升过程中解决燃料亏空问题。快速负载跟踪。由于SOFC系统瞬时特性较差，通过能源管控策略，利用其他能源快速补充电能，以达到快速负载跟踪的目的。
[0004]同时，由于基于SOFC直流微型电网造价昂贵，实际上不可能通过多次实际实验对上述问题进行综合性分析，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。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法，在避免燃料亏空与高效率的同时，保证快速负载跟踪。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法，包括以下步骤：
[0008]S1、当DC微网外部负载变化时，得到与最大输出效率相对应的最优操作曲线；
[0009]S2、在固定的系统燃料传输延迟的条件下，采用电流时滞控制防止燃料亏空；
[0010]S3、得到除SOFC供能外，锂电池和超级电容所需的补充能量；
[0011]S4、设计SOFC、锂电池和燃料电池所需的DC/DC boost变压器，用以完成能量变换；
[0012]S5、基于所述最优操作曲线得到锂电池与超级电容所需电流；
[0013]S6、设计电流电压调节器用以控制DC微网电压稳定。
[0014]进一步，所述S1中，当DC微网外部负载变化时，为了得到最大输出效率，通过参数寻优与数据拟合，以得到不同操作参数的最优操作曲线作为SOFC独立发电系统的输入依据，具体为
[0015]选择SOFC的输出电流I
SOFC
与旁路阀开度BP为控制量时，选择通过SOFC的输入氢气流量与空气流量F
air
为随系统输出电流变化的因变量；
[0016]即，电流为随SOFC净输出功率变化的函数，假设为I
SOFC
＝f(P
SOFC
)；
[0017]即，氢气流量与空气流量为随SOFC输出电流变化的函数，假设为F
H2
＝f(I
SOFC
)，F
air
＝f(I
SOFC
)；
[0018]即，SOFC所需输出功率等于DC负载功率，
[0019]进一步，所述S2中，采用电流时滞控制防止燃料亏空的具体为：
[0020][0021]其中，τ为时滞控制的延迟时间；为基于最优操作曲线得到的SOFC所需电流；为时滞控制后的电流。
[0022]进一步，所述S3中，锂电池和超级电容所需的补充能量，具体为：
[0023]锂电池以及超级电容输出总能量需求为：
[0024][0025]其中，为SOFC所需的功率；P
SOFC
为实际输出功率；
[0026]锂电池输出电能的变化率为：
[0027][0028]其中，t(i)为当前时间；t(i
–
1)为上一离散时间；为所需锂电池的功率；
[0029]设定上升沿压摆参数R和下降沿压摆参数F，得到分段函数为：
[0030][0031]其中，
[0032]则超级电容所需输出电能为：
[0033][0034]进一步，所述S4的具体步骤为：
[0035]SOFCboost变压器输入为SOFC输出电压与电流，输出连接DC微网给负载供能；
[0036]锂离子电池boost变压器输入为锂电池输出电压与电流，输出连接DC微网给负载供能；
[0037]超级电容boost变压器输入为超级电容输出电压与电流，输出连接DC微网给负载
供能。
[0038]进一步，所述S5中：
[0039]所述锂电池所需电流：
[0040]其中，U
ba
为锂电池电压；
[0041]所述超级电容所需电流：
[0042]其中，U
sc
为超级电容电压。
[0043]进一步，所述S6中，控制DC微网电压稳定的具体步骤为：
[0044]SOFC电流电压调节器电流控制误差为：
[0045][0046]其中，为所需SOFC电流；I
SOFC
为实际SOFC输出电流；
[0047]锂电池电流电压调节器电流控制误差为：
[0048][0049]其中，为所需锂电池电流；Iba为实际锂电池输出电流；
[0050]超级电容电流电压调节器电流控制误差为：
[0051][0052]其中，为所需超级电容电流；Isc为实际超级电容输出电流；
[0053]锂电池、超级电容电流电压调节器电压控制误差均为
[0054]其中，为所需超级电容电流；U
DC
为实际超级电容输出电流。
[0055]本专利技术的有益效果为：本专利技术的第一目的是基于物理模型，进行参数分析和多目标优化，得到不同操作条件下的最优工况，实现系统最大效率输出；第二目的是采用基于SOFC电流的时滞控制，有效操纵电堆内的电化学反应速率，避免燃料亏空；第三目的是采用能源优化管控策略，实现SOFC、锂离子电池、超级电容能量的有效分配，取长补短，实现快速负载跟踪，满足外部负载能量需求。第四目的是采用电流电压调节器，保证DC负载端电源保持稳定。
[0056]本专利技术对DC微型电网系统混合能源管理有很好的指导作用，克服了负载功率上升时的诸多问题。
[0057]此方法得到的能源优化管控策略预期可解决效率最大化、燃料亏空以及快速负载跟踪的问题。本专利技术适用于实际的工程应用，为系统功率切换控制、混合能源管理提供了新
的解决思路。
附图说明
[0058]图1为本专利技术一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法的流程图；
[0059]图2为实施例一的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、当DC微网外部负载变化时，得到与最大输出效率相对应的最优操作曲线；S2、在固定的系统燃料传输延迟的条件下，采用电流时滞控制防止燃料亏空；S3、得到除SOFC供能外，锂电池和超级电容所需的补充能量；S4、设计SOFC、锂电池和燃料电池所需的DC/DC boost变压器，用以完成能量变换；S5、基于所述最优操作曲线得到锂电池与超级电容所需电流；S6、设计电流电压调节器用以控制DC微网电压稳定。2.根据权利要求1所述的一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法，其特征在于，所述S1中，当DC微网外部负载变化时，为了得到最大输出效率，通过参数寻优与数据拟合，以得到不同操作参数的最优操作曲线作为SOFC独立发电系统的输入依据，具体为选择SOFC的输出电流I
SOFC
与旁路阀开度BP为控制量时，选择通过SOFC的输入氢气流量F
H2
与空气流量F
air
为随系统输出电流变化的因变量；即，电流为随SOFC净输出功率变化的函数，假设为I
SOFC
＝f(P
SOFC
)；即，氢气流量与空气流量为随SOFC输出电流变化的函数，假设为F
H2
＝f(I
SOFC
)，F
air
＝f(I
SOFC
)；即，SOFC所需输出功率等于DC负载功率，3.根据权利要求2所述的一种基于SOFC的直流微型电网的能源优化方法，其特征在于，所述S2中，采用电流时滞控制防止燃料亏空的具体为：其中，τ为时滞控制的延迟时间；为基于最优操作曲线得到的SOFC所需电流；为时滞控制后的电流。4.根据权利要求3所述的一种基于SOFC的直流微型电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琳，张玉波，张成胜，张昭建，崔思远，徐震宇，陈施思，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军预警学院，
类型：发明
国别省市：