管式固体氧化物燃料电池(SOFC)建模与控制策略研究开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

能源问题一直都是人们最为关心的问题,能源是产生一切动力的源头。随着现代工业的日益蓬勃发展,以及人们对物质生活的要求越来越高,目前的环境污染、全球气候变暖以及能源缺失问题已经引起了世界范围的广泛关注。我们急需要找到高效、环保和能循环利用的能源。针对发电系统,目前应用最广,用量最大的仍然是火力发电,而火力发电对环境的污染不容小觑,且火力发电对燃料的利用率很低,所以急需要找到一种新型的能源利用方式,可再生能源的出现为化石燃料的保护和越来越多的分布式发电做出了巨大贡献。如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等,然而这些连接到电网的间歇能源会导致调峰能力严重不足,因此这限制了这些可再生能源的进一步发展,为此寻求新的调峰装置是近些年来在电力和能源工程领域的一个新问题。近几年也有通过一系列改造将一些大型火力发电厂纳入调峰装置,然而对于火力发电对于可变负荷的运行效率不是很乐观,并且会产生高昂的维修费用。学术界现普遍意识到电解制氢与储氢相结合可能是解决可再生能源带来的挑战的有希望的解决方案。作为氢能储存的补充技术,固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)近年来因其高效的能量转换而引起了很多关注,因其具有功率响应能力被视为峰值电厂的候选者。

运用计算机软件搭建的SOFC模型可以很好的模拟SOFC的主要动态性能,搭建的模型能够用来研究 SOFC 系统在各种不同工作条件下的响应情况,并可以发现那些由于设计以及材料选择而未能预料到的问题。然后通过合适的控制手段,使系统稳定工作,从而让 SOFC 获得更长的使用寿命。所以动态建模和控制设计都是发展SOFC的必经之路。

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2. 国内外研究现状分析

Achenbach[1]等人建立了一个三维的燃料电池模型,他们偏向对燃料电池内部温度分布的研究,模型能够反应燃料电池反应产生的总热量,还能反应电池和燃料气体之间的对流换热。Hussain[2]等人同样搭建了燃料电池的三维模型,他们将侧重点放在阳极和阴极内部物质的动态运作以及外电路内电子的传输动态。Ni[3]搭建了一个燃料电池的二维模型,他们着重分析的是燃料电池内部重整器的质量传输过程,以及电池内部的一系列反应过程。Qi[4]等人搭建了一个分布式温度动态模型,利用焓值来侧面体现反应产生的热量,模型体现出了燃料流量与空气流量和电池的阴极壁面、阳极壁面等固体部件间的动态温度特性。Hajimolana[5]和sun[6]则侧重运用动力学方程体现了阳极流和阴极流内的物质守恒和能量守恒,研究了阳极和阴极流道内温度、压力、流量等参数的分布情况。Kang[7]等人则将阳极的内重整反应和水的置换反应考虑在建立燃料电池的数学模型中,他们研究了阳极通道内各个不同气体的分布情况。

另外燃料电池电特性的动态过程会对其材料的要求和输出功率的控制有着至关重要的意义,因此也有研究将建模重点置于精准描述电池内部电特性的动态过程。但由于电反应过程涉及到活化极化、浓差极化以及欧姆极化等方面,要建立较为准确的模型,会使得求解困难,且模型在拟合燃料电池动态电特性时,往往会出现偏差过大或者过拟合的情况。为此一些研究者利用等效电路,换一种角度来建立电池的电特性动态模型。Choi[8]利用了频率响应分析法来创建等效电路。Haddad[9]则是综合考虑电池工作温度、工作压力和湿度对电池内阻的影响建立了电特性动态性能的等效电路。

SOFC系统的稳定运行离不开和它并联的其他设备,如预重整器,燃烧室,换热器和混合器等,因此对于SOFC系统模型的搭建不仅只关注电池的建立,SOFC的稳定运行离不开气体组件的配合。Magistri等人[10]搭建一个SOFC和与其匹配的设备的系统模型,即出了SOFC,还包括混合式、重整器和燃烧室等。Georgis等人[11]在分别搭建完SOFC以及与其配属的设备后,研究两种连接方式,一种是直接利用阳极的高品位余热对重整器内气体预热,一种是先将阳极尾气通入燃烧室,使为反应完的燃料气体反应完全后再与重整器相连,从而来预热重整器。最后通过比较得出第二中方案更优。

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3. 研究的基本内容与计划

文本以管式SOFC为研究对象,运用MATLAB/simulink建立电池的热力学模型和电化学模型,而后将建立完的SOFC通过DC-AC逆变器连接到微电网,最后对整个SOFC系统进行控制策略设计。

本文运用PID和LI-MPC两种控制方法。采用PID控制时,运用两个PID反馈控制回路,一条回路通过操纵阳极入口处氢气的流量来控制燃料的利用率,另一条通过产生VSI(电压源逆变器)的参考电流来控制输出功率,同时保持阴极入口处空气的流量为定值。在PID控制系统中加入了抗饱和积分环节以此来优化控制。而后考虑到传统PID控制在解决系统约束和非线性问题上的局限性,又采取了LI-MPC控制策略来对SOFC系统进行控制。对于LI-MPC控制策略的研究,综合考虑后采用分层控制结构,即上层的监督层和下层的基础层。上层为设定点调度程序,它可以接收SOFC系统的电压、电流以及燃料利用率的输出信号,同时也可以接收阳极入口氢气流量和阴极入口氧气流量的输入信号,而后输出优化后的电流和电压值。下层为跟踪控制器,以将输出变量引导到最佳设定点,处理所有的非线性和约束。

研究计划:

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4. 研究创新点

采用了两种不同的方法对管式SOFC进行控制研究

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