论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)作为一种高效、清洁的能量转换装置，被视为是解决能源短缺和环境污染问题的多种可能途径之一。在过去的三十年里，SOFC技术取得了很大的进展，其性能不断提高，成本也有显著下降。随着SOFC技术的进步，定位于为住宅提供电能和热能的SOFC微型热电联供(micro Combined Heat and Power，micro-CHP，1-10 kW)系统越来越受到人们的重视，被认为是有望最早实现商业化的SOFC系统之一。出于开发完善的SOFC micro-CHP系统的需要，对其动态特性与控制的研究就变得特别重要。良好的控制设计不仅可以提高系统性能，保证系统安全，还可以延长系统的使用寿命，对提高SOFC micro-CHP系统的市场竞争力，加速其商业化进程大有裨益。
本文的主要目的在于以建模和仿真为手段研究SOFC micro-CHP系统的动态特性与控制问题，为实际系统的开发提供依据。本文的工作主要包含以下四个部分的内容：
(1)平板式直接内重整(Direct Internal Reforming，DIR)SOFC的一维动态建模与仿真。根据摩尔数守恒、能量守恒和电化学原理，建立了一个平板式DIR-SOFC的一维动态模型，并藉之对几种运行参数(包括平均电流密度、进入阳极和阴极的气体流量)扰动下阳极支撑中温平板式DIR-SOFC的动态行为进行了详细的仿真研究。仿真结果表明，由于电池温度和电流密度的空间分布特性，它们的动态行为随空间位置的不同而有所不同;电流密度和电压的快动态过程主要受气体组分特别是阳极流道内H2的摩尔分数影响，而它们的慢动态过程则都由固体部分的温度所支配。SOFC作为SOFC micro-CHP系统中的核心部件，对其动态特性的深入认识构成了进一步研究整个系统的动态特性和进行控制设计的基础。
(2)简化的DIR-SOFC一维动态模型的建立。针对之前给出的DIR-SOFC模型形式复杂、计算耗时长的缺点，通过运用“集成”和“平均”两种简化策略，给出了一个适合系统仿真使用的简化的一维动态模型。该简化模型具有形式简单、计算速度快的优点，被用于本文随后的SOFC micro-CHP系统研究之中。
(3)SOFC micro-CHP系统的动态建模与仿真。完成了SOFC micro-CHP系统的设计(包括流程与参数)，建立了系统的动态模型(由SOFC和各辅助部件的模型组成)，并对平均电流密度扰动下系统的动态行为进行了仿真。仿真结果表明，部件对部件的影响是决定系统动态行为的重要因素；由于包含多个部件并涉及不同的化学、物理过程，因此系统包含有几种不同时间尺度的动态过程；较大的换热面积造成空气预热器的热惯性较大，导致了其长达104 s级的缓慢温度动态过程，通过系统部件之间的相互关联，该动态过程影响了多个部件。
(4)SOFC micro-CHP系统的控制设计与闭环仿真。在对SOFC micro-CHP系统控制问题进行深入分析的基础上，给出了控制设计方案，并对闭环系统的静态和动态性能进行了细致的仿真研究。控制系统主要由燃料利用率控制器、水/碳比控制器、电功率控制器、电功率分配器、SOFC出口温度控制器、阴极入口温度控制器和热水温度控制器等部分构成。电功率控制器和SOFC出口温度控制器分别采用了前馈-反馈和前馈-串级控制策略，提高了控制系统对各种扰动的抑制能力；SOFC出口温度控制器、阴极入口温度控制器和热水温度控制器都采用了单神经元自适应PID控制算法，提高了控制系统的鲁棒性和自适应性；引入了电功率分配器，用于处理SOFC电功率的分配问题，并给出了“温度控制优先”(Temperature Control Priority，TCP)和“负荷跟踪优先”(Load Following Priority，LFP)两种分配策略。闭环仿真结果表明，LFP策略比TCP策略具有更优的电负荷跟踪性能，不过采用该策略时风机需要承受更大的电功率波动；无论采用TCP还是LFP分配策略，SOFC出口温度、阴极入口温度和热水温度都具有良好的动态性能，这说明所设计的控制方案是有效的和成功的。