【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源转换与储存，具体涉及一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池模型及其建模方法。
技术介绍
1、可逆固体氧化物电池(reversible solid oxide cell，rsoc)由于整合了电转气及气转电的功能，因此不仅可以作为发电装置，也可以作为储能装置应用于电网中，从而提高新能源的利用率。rsoc的并网提高了系统的新能源渗透率，在保证系统安全性的同时降低了用能成本。采用“rsoc+新能源+储能”的模式可以集合电-热-气等多种能流，极大增强不同能源之间的耦合性，实现多能互补，提高系统的运行灵活性和经济性。rsoc不仅可以实现电能与氢能的双向转换，而且由于rsoc往往工作在较高的温度(800℃-1000℃)，因此可以利用余热进行热电联产，从而实现电-热-气三联产，增加微电网的经济收益。
2、目前，对于rsoc优化模型在系统中的应用很多都是采用简单的线性模型，只反应了输入功率与输出功率的线性关系。相比rsoc在大电网中的运行，由于rsoc模型作为微电网中的关键设备，其操作细节对于微电网经济收益的影响会更大，因此在微电网中rsoc的模型需要更准确地贴近实际运行中的灵活运行情况，单纯的线性模型是不够的；同时由于微电网只有一个网络节点，相比大电网的多节点来讲，计算规模大大下降，这对于在微电网中考虑更多的rsoc运行细节是可行的。
3、rsoc作为综合能源系统中不同能流的转换枢纽，其运行模式的选择对综合能源系统调度的灵活性有很大的影响。目前rsoc优化运行时，发电状态和电解状态之间的转换时只考虑两
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池模型及其建模方法，能够提高rsoc运行过程中的能量利用效率，增加rsoc并网运行中安全运行的约束条件，增强rsoc并网运行的安全性；同时，能够极大增强rsoc运行的灵活性，降低rsoc的功率切换成本，提高rsoc的运行效率。
2、本专利技术是通过以下技术方案来实现：
3、本专利技术公开的一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，包括：建立包括热力学模型、电化学模型和状态切换模型的rsoc模型，其中，状态切换模型包括发电、电解、停机和热备用四种运行状态；通过加入松弛变量计算不同运行状态下rsoc作为负荷或发电机的阻抗特性，并拟合出rsoc的温度、电流及电压随时间变化的关系。
4、优选地，建立所述rsoc模型时，发电状态下，rsoc视为发电机组，通过燃烧气体进行发电；电解状态下，rsoc视为电力负荷，消耗电能并产生燃料气；热备用状态下，rsoc既不发电也不产生氢气，只维持rsoc内部的压强和温度不变，以备快速启动；停机状态下，rsoc完全不工作，不再维持rsoc内部的温度和气压，该状态下系统不消耗任何能量。
5、优选地，构建rsoc的热力学模型，具体为：
6、建立由rsoc电堆和热回收系统组成的电池热管理系统，通过计算化学反应构建热平衡方程，通过平衡电池与外界的能量交换、电池的热损耗和反应焓变，建立电池温度与电池功率、环境温度的线性模型，从电堆排出的废气经过热回收系统进行热回收，计算热回收效率。
7、进一步优选地，所述电池热管理系统中，进气口的气体先进入热回收系统，利用热回收系统中回收的热量进行预热，如果热量不够，通过额外的电能进行电加热，之后进入rsoc进气口；从电堆排出的废气经过热回收系统进行热回收，对热能进行二次利用。
8、进一步优选地，构建的rsoc热力学模型时，
9、soec模式热力学模型为：
10、pin+qheat＝δh+qcell+qloss+qre
11、qloss＝ht(t-ta)
12、
13、式中，qheat为外界提供的热能；qcell为电堆吸收的热量；qloss为热对流损失的热量；qre为热回收的能量；ht是电解池和空气的对流换热系数；ta是环境温度。ch是电解池的热容；
14、sofc模式热力学模型为：
15、
16、式中，qre为热回收的能量；ht是电解池和空气的对流换热系数；ta是环境温度；ch是电解池的热容。
17、优选地，构建rsoc的电化学模型，具体为：通过实际运行中rsoc的电压随电流密度与温度的变化曲线，结合能斯特方程以及活化过电压反应机理构建，绘出rsoc在soec和sofc模式下功率-电流密度-温度形成的三维曲面，并通过切平面对实际曲面进行线性拟合。
18、进一步优选地，构建的rsoc电化学模型为：
19、ptp2g＝tt+beit+ce
20、式中，pp2g为能量消耗、氢气产生和温度之间的关系；
21、其中，soec模式下：p＝0.04798t+0.02627i-19.57
22、sofc模式下：p＝-0.04798t+0.02922i+34.78。
23、本专利技术公开的一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池模型，包括：
24、包括热力学模型、电化学模型和状态切换模型的rsoc模型，状态切换模型包括发电、电解、停机和热备用四种运行状态。
25、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
26、本专利技术公开的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，构建了可逆固体氧化物燃料电池的电化学与热力学数学模型和发电、电解、停机、热备用四种状态的rsoc运行模型，根据rsoc不同的运行模式，拟合出rsoc电压随电池中电流密度与温度的关系，以所得温度与电流密度为边界条件，检测rsoc是否安全运行；建立由rsoc电堆和热回收系统组成的电池热管理系统，建立电池温度与电池功率、环境温度的线性模型，从而构建rsoc的热力学模型，从电堆排出的废气经过bop系统进行热回收，通过上述热力学模型计算热回收效率，可以进一步提高rsoc运行过程中的能量利用效率，可以增加rsoc并网运行中安全运行的约束条件，增强rsoc并网运行的安全性，充分利用电池的反应余热，既降低了电池运行的温度，又提高了电池的能源利用效率。另外，现有方案考虑rsoc优化运行多考虑发电状态和电解状态之间的转换，只考虑两种状态的rsoc模型并不能准确反映机组的运行状况并且限制了调度的灵活性，此专利技术提出的四状态rsoc运行方式能够极大增强rsoc运行的灵活性，降低rsoc的功率切换成本，提高rsoc的运行效率。
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1.一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，包括：建立包括热力学模型、电化学模型和状态切换模型的RSOC模型，其中，状态切换模型包括发电、电解、停机和热备用四种运行状态；通过加入松弛变量计算不同运行状态下RSOC作为负荷或发电机的阻抗特性，并拟合出RSOC的温度、电流及电压随时间变化的关系。
2.如权利要求1所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，建立所述RSOC模型时，发电状态下，RSOC视为发电机组，通过燃烧气体进行发电；电解状态下，RSOC视为电力负荷，消耗电能并产生燃料气；热备用状态下，RSOC既不发电也不产生氢气，只维持RSOC内部的压强和温度不变，以备快速启动；停机状态下，RSOC完全不工作，不再维持RSOC内部的温度和气压，该状态下系统不消耗任何能量。
3.如权利要求1所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，构建RSOC的热力学模型，具体为：
4.如权利要求3所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，所述电池热管理系统中，进气口的气体先进入
5.如权利要求3所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，构建的RSOC热力学模型时，
6.如权利要求1所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，构建RSOC的电化学模型，具体为：通过实际运行中RSOC的电压随电流密度与温度的变化曲线，结合能斯特方程以及活化过电压反应机理构建，绘出RSOC在SOEC和SOFC模式下功率-电流密度-温度形成的三维曲面，并通过切平面对实际曲面进行线性拟合。
7.如权利要求6所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，构建的RSOC电化学模型为：
8.一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池模型，其特征在于，包括热力学模型、电化学模型和状态切换模型的RSOC模型，状态切换模型包括发电、电解、停机和热备用四种运行状态。
...【技术特征摘要】
1.一种基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，包括：建立包括热力学模型、电化学模型和状态切换模型的rsoc模型，其中，状态切换模型包括发电、电解、停机和热备用四种运行状态；通过加入松弛变量计算不同运行状态下rsoc作为负荷或发电机的阻抗特性，并拟合出rsoc的温度、电流及电压随时间变化的关系。
2.如权利要求1所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，建立所述rsoc模型时，发电状态下，rsoc视为发电机组，通过燃烧气体进行发电；电解状态下，rsoc视为电力负荷，消耗电能并产生燃料气；热备用状态下，rsoc既不发电也不产生氢气，只维持rsoc内部的压强和温度不变，以备快速启动；停机状态下，rsoc完全不工作，不再维持rsoc内部的温度和气压，该状态下系统不消耗任何能量。
3.如权利要求1所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，构建rsoc的热力学模型，具体为：
4.如权利要求3所述的基于动态热电特性的可逆固体氧化物电池建模方法，其特征在于，所述电池热管理...
【专利技术属性】
技术研发人员：周峻，李儒欢，吴锴，邱子桐，李锦满，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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