面向高效率负载跟踪的固体氧化物燃料电池系统热电管控研究

The control strategy of oriented load following thermal-electric management and control for solid oxide fuel cell (SOFC) system is the key problem for achieving long-life and high efficiency. It is difficult to obtain the output power of SOFC for external load with high efficiency and thermal constraints by the traditional model analysis and control strategy.So, a thermoelectric coupling SOFC system physical model including fractional order electrical characteristics should be developed. An equal-weight memory principle is improved for the fast computation of fractional order differential equation. Based on the safe constraints satisfaction, static and dynamic performance of the thermal properties and efficiency optimization of the system are analyzed.The optimization operating range of efficiency optimization ,safe constraints satisfaction of thermal characteristic and regulated variables are obtained under various load power following. And the efficiency optimization mechanism is studied. Then,the control framework of fractional order sliding mode variable structure and the design methods of sliding surface and control law with quick approach and low chattering are developed. Based on the design methods of state observer with the combinatorial optimization of the minimum quantity of measurable state, which can assure the observability,the minimum dimension state observer is designed to observe the temperature gradient of stack accurately, which is critical and unmeasurable. Based on the fractional order sliding mode variable structure control and the design of observer, the overall method system is built up to provide theoretical basis and methods for designing independent SOFC power system with long-life and high efficiency, which satisfy the safe constraints of thermal management under load following and can be used to make SOFC system reach steady state fast and smoothly.

“面向负载跟踪的固体氧化物燃料电池（SOFC）系统热电管理”的控制策略是实现SOFC长寿命、高效率运行的关键环节。传统模型分析与管控策略难以在保障SOFC热特性约束下实现高效率输出需求功率。为此，搭建并验证含分数阶SOFC电特性的热电耦合系统物理模型；改进恒权重记忆分数阶方程快速算法，基于热管理安全约束，进行“系统热特性及效率优化”的动静态分析，获取不同功率下效率优化、热特性安全以及调节参数等不同类别的有效工作区间，并分析效率优化机理；构建“分数阶滑模变结构控制架构”和“快速趋近、低抖震的控制律和滑模面设计方法”；基于“组合优化全可测变量构建最小维状态空间”观测器设计方法，设计难以测得的热管理核心变量—电堆温度观测器；建立“满足负载跟踪下SOFC系统热管理安全约束条件，能快速、低抖震实现SOFC稳态高效率运行”的方法体系，为面向负载跟踪，安全高效运行的SOFC独立发电系统设计提供理论依据。

固体氧化物燃料电池（SOFC）通过电化学反应直接将燃料中的化学能转换为电能，没有燃烧与机械运动过程，因而具有安静、高效、无污染的优点，被誉为21世纪最具发展前景的发电技术之一。以本研究成果为基础形成SOFC独立发电系统产品，基于其技术的国际领先性、可广泛结合海洋、航空、工业用与民用等多领域，将有充分可能为深圳的高端装备产业发展提供合适的契机；基于本研究产品相对其他新能源产品在效率、成本上的综合优势，将可有力提升深圳市新能源产业及海洋科技产业的核心竞争力。针对SOFC系统复杂的热电耦合机理，本研究拟进行SOFC热电协同控制技术研究样机开发，拟解决关键科学问题包括：1）设计出最优稳态操作策略并拓展形成优化稳态操作策略集；进一步沿可选优化稳态操作区间行走，针对负载跟踪过程中安全、快速、平滑与避免燃料亏空的切换过程需求，设计出面向不同切换策略、不同切换时间需求的系列化可选切换策略。2）基于“全可测变量构建最小维状态空间”电堆内部温度梯度观测器设计方法，面向全负载跟踪过程中的多尺度热电特性响应，进行观测器优化设计，完成时间尺度匹配以实现观测的实时性和可靠性，从而保障系统整体控制策略的物理可实现性。3）在拟建立的分数阶滑模变结构控制架构体系下，基于优化稳态操作区间与系列优化切换策略集，快速确立趋近律与滑模区间，合理确定分数阶算子，降低系统的抖震，从而保障SOFC热电优化控制高品质实现及样机优化。主要研究内容包括：1）面向高效率负载跟踪的SOFC系统模型建立及分析；2）面向负载跟踪全过程电堆内部温度梯度观测器设计；3）基于模型分析成果及精确的电堆内部温度梯度观测，设计SOFC系统最优稳态操作策略、优化稳态操作策略集及优化切换策略集；4）面向负载跟踪的SOFC分数阶滑模变结构控制架构建立；5）基于SOFC系统实物平台验证及优化。预期目标如下：1）面向负载跟踪，建立SOFC独立发电系统级高精度模型集成与分析方法体系。实现产品级需求的最优操作区间确立方法与电堆内部温度梯度观测器设计方法，突破行业瓶颈。2）面向不同应用领域、不同燃料与扰动下，建立具有鲁棒性且快速收敛的分数阶滑模变结构热电协同最优控制方法体系，实现安全与效率协同优化控制。3）建立对各零部件及系统的结构优化评价方法体系，以面向产品级系统优化产品性能。