[发明专利]一种固体氧化物燃料电池系统避免燃料亏空的控制方法

说明书

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。

技术领域

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

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)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。

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。

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

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。

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。

为实现本发明的第一目的，本发明的技术方案为：

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。

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97.5W/s,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。

为实现本发明的第二目的，本发明的技术方案为：