CN112736268A - 一种提高sofc系统寿命的控制优化方法和系统 - Google Patents

一种提高sofc系统寿命的控制优化方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统，属于燃料电池控制领域。本发明首先通过历史数据训练模糊神经网络，得到系统输入、时间与衰减电压的关系，并结合机理模型，构建数据‑机理结合的固体氧化物燃料电池系统衰减模型；其次，利用该模型获得长时间尺度下的数据，获得不同目标功率下，三个关键状态量在不同情况下对应的衰减速率，从中选取衰减速率处于较优区间时对应的关键状态量的取值范围，即可作为三个关键状态量的最优工作区间。将这些关键状态量进行有效的控制，可保证对系统衰减的影响是最小的，从而实现长寿且高效的控制。

Description

一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统
技术领域
本发明属于燃料电池控制领域，更具体地，涉及一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统。
背景技术
燃料电池作为一种高效率、低排放的能源转换技术，通过电化学反映将存储在燃料(如氢气、甲烷)中的化学能直接转化为电能。其中，中温固体氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell，SOFC)以其全固体结构、良好的燃料适应性的优点，并且发电效率可达60％以上，通过CHP(热电联产)回收能量效率达到90％以上，是当今最具发展前景的能源转换技术之一。经过数十年发展，SOFC技术在材料、电堆制造、系统集成等方面已经逐渐走向成熟，许多公司也成功地展示了SOFC系统，但寿命较短的问题仍然是阻碍着其大规模商业化应用的瓶颈。
影响SOFC系统寿命的关键因素主要有三点：首先是SOFC电堆的固有特性，如材料和加工工艺让电堆自身所具有的性能，其在理想工况下会产生一个基础的自然衰减，其次是系统运行时所应用的操作点并非最优，导致了系统的自然衰减加速，第三则是在长期运行中，控制系统未能识别系统衰减累积导致的系统输入输出特性变化，控制参数不匹配当前系统状态，控制率失调，进一步导致系统工作状态恶化，加速系统的自然衰减。以上三个因素的叠加导致SOFC系统衰减速率加大，系统寿命大幅下降。
一方面，系统衰减是必然的，然而系统当前的健康状态是难以观测的，系统的状态通常都是随着时间越来越差直至故障停机，而系统衰减会对系统的正常运行造成影响，轻则消耗更多的燃料，难以达到额定功率或温度，重则系统控制失效，导致系统电堆发生不可逆的损坏而无法正常工作。另一方面，系统中电堆等主要部件衰减到一定程度时需要更换，而这些部件本身的成本较高，每次更换都会带来较大的损失，衰减的不可控甚至快速衰减会对系统运行成本带来极大的负担。而系统衰减中以电堆衰减为主要影响因素。
电堆的工作温度处于700摄氏度以上的高温，且燃料利用率不足时发生的燃料亏空会对内部材料性能造成不可逆的影响，故电堆的健康状态与其自身温度及电堆的燃料利用率高度相关。而目前的控制器又因没有良好的参考轨迹而难以有效控制电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率这三个关键状态量。
因此，如何获得系统电堆关键状态量的最优工作区间，使得对电堆衰减的影响最小，是实现系统长寿命控制的关键所在。目前关于控制研究主要都是针对运行状态较为稳定的系统，但是衰减会导致系统特性发生变化，原有的控制率将不适合衰减后的系统，导致控制不匹配甚至失效。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法和系统，其目的在于解决现有健康状态难以获取，且难以有效降低系统衰减速率，导致系统寿命快速降低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法，该方法包括：
(S1)将SOFC系统的输入作为决策变量，即一组操作点，将SOFC系统效率最大作为优化目标，求得不同目标功率、不同目标关键状态量下，能使系统满足温度约束、效率最大且满足目标功率的最优操作点；
(S2)向SOFC系统衰减模型输入最优操作点集合，获得衰减模型在不同输入的情况下，系统三个关键状态量及输出数据，三个关键状态量包含电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率，输出数据包含衰减速率、系统效率、系统输出功率和系统运行时间；
(S3)根据所获得的输入输出数据，在不同目标功率下，构建衰减速率与三个关键状态量及系统运行时间之间一对四的关系模型；
(S4)根据所构建的关系模型，计算获得在不同目标功率下，随着系统运行时间变化，三个关键状态量对系统衰减影响最小的最优参考值；
(S5)基于三个关键状态量随时间变化的最优参考值对实际SOFC系统进行控制优化；
所述SOFC系统衰减模型为电堆部分的电特性机理中加入系统输入、时间与电堆衰减电压的关系；所述系统输入、时间与电堆衰减电压的关系通过预训练模糊神经网络学习得到，预训练过程中模糊神经网络的输入为SOFC历史系统输入和系统运行时间，输出为对应的电堆衰减电压。
优选地，系统输入包括：燃料流量、空气流量、电堆电流；
所述系统输入、时间与电堆衰减电压的关系表示为：
ΔU＝F[F_fuel，F_air，I，Time]
其中，ΔU为电堆衰减电压，F_fuel为燃料流量，F_air为空气流量，I为电堆电流，Time为系统运行时间，F[·]为模糊神经网络。
优选地，所述SOFC系统衰减模型中电堆电特性表示如下：
Figure BDA0002842964380000031
χ＝1000/(TPEN-273)-1.1463
其中，Vcell为电堆单电池的电压，VOCV为单电池的开路电压，i为单电池的电流密度，αj为多项式系数，j＝1，2，3，4，χ为电阻温度参数，ΔU为电堆衰减电压，I为电堆电流，TPEN为电堆PEN的温度。
优选地，一组操作点包括电堆电流、重整器烟气分流比、燃烧室燃料旁路流量、空气旁路流量、燃料流量和空气流量。
优选地，通过遗传-粒子群算法求解最优操作点，具体如下：
根据目标功率，首先为操作点定义合理的初始位置；
然后在初始位置周围随机产生操作点组合群体；
根据每个群体的目标函数评估其适应度，将最优群体的操作点组合应用于新一轮迭代的操作点，并以一定的概率遗传之前的操作点；
接着检查判定是否满足最优目标函数以及约束，若满足则停止检查，否则，继续在新的操作点位置周围随机产生操作点组合群体；
往复迭代，最终获得能使系统满足温度约束、效率最大且满足目标功率的最优操作点。
优选地，约束条件如下：
-0.005Pnet＜Pnet-P＜0.005Pnet
Tb≤1273
Tr≤1173
|maxTPEN|≤1173
|maxΔTPEN|≤8
|ΔTin|≤200
-0.05Ts，net＜Ts，net-Ts＜0.05Ts，net
-0.05Tg，net＜Tg，net-Tg＜0.05Tg，net
-0.05ηfuel，net-10＜ηfuel＜0.05ηfuel，net
其中，P为系统输出功率，Pnet为目标功率，Tb为燃烧室温度，Tr为重整器温度，maxTPEN为电堆PEN层最大温度，|maxΔTPEN|为电堆PEN层最大温度梯度，|ΔTin|为电堆入口温差，Ts为电堆平均温度，Ts，net为目标电堆平均温度，Tg为最大电堆温度梯度，Tg，net为目标最大电堆温度梯度，ηfuel为燃料利用率，ηfuel，net为目标燃料利用率。
优选地，衰减速率定义如下：
dr＝ΔU·I/((ΔU·I+P)Time)
其中，dr为衰减速率，ΔU为电堆衰减电压，I为电堆电流，P为系统输出功率，Time为系统运行时间。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种提高SOFC系统寿命的控制优化系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的提高SOFC系统寿命的控制优化方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明首先通过模糊神经网络训练历史数据，得到系统输入、时间与衰减电压的关系，并结合过往的机理模型，构建数据-机理结合的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统衰减模型；其次，利用该模型获得长时间尺度下的数据，获得不同目标功率下，三个关键状态量在不同情况下对应的衰减速率，从中选取衰减速率处于较优区间时对应的关键状态量的取值范围，即可作为三个关键状态量的最优工作区间。通过优化控制系统参数，对这些关键状态量进行有效的控制，可保证对衰减的影响是最小的，使SOFC系统始终在最优的工作状态下运行，从而实现长寿且高效的控制。给固体氧化物燃料电池长寿高效的控制提供了有效的依据，适用于实际工程的应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法，包括：
应用模糊神经网络，将燃料电池系统历史数据中的固体氧化物燃料电池系统输入以及对应的系统运行时间共四个变量作为训练模糊神经网络模型的输入，其中系统输入包括：燃料流量、空气流量、电堆电流，将燃料电池系统历史数据中的电堆衰减电压作为训练模糊神经网络模型的输出(如果固体氧化物燃料电池系统有多个电堆，那么每个电堆将单独分析)，基于SOFC的特性设置输入输出变量语言值的模糊子集，误差即模糊量设置为0.1，每个变量定义了3个隶属函数，选择重心法作为解模糊化方法来判决出一个确切的精确量，训练周期设为100，并进行训练。训练所得的模型即可反映系统输入、时间与电堆衰减电压的关系，该关系表示为：
ΔU＝F[F_fuel，F_air，I，Time]
其中，ΔU为电堆衰减电压，F_fuel为燃料流量，F_air为空气流量，I为电堆电流，Time为系统运行时间，F[·]为模糊神经网络。
现有的机理模型以质量守恒定律、能量守恒定律和电特性机理为基础，包含风机、水泵、燃烧室、重整器、换热器、电堆六个部分，其中电堆部分为2D机理模型，重整器与换热器为1D机理模型，其余部件为集总参数模型；
其中，电堆部分的电特性机理能有效反映电堆电压与电堆电阻的关系，机理如下：
Vcell＝VOCV-iRcell
其中，ΔU为电堆衰减电压，F_fuel为燃料流量，F_air为空气流量，I为电堆电流，Time为系统运行时间，F[·]为模糊神经网络，等效内阻Rcell是与电池温度相关的非线性的多项式形式，如下所示：
Rcell＝α0+α1χ+α2χ2+α3χ3+α4χ4
χ＝1000/(TPEN-273)-1.1463
其中，TPEN为电堆PEN的温度，本发明中温度的单位均为开尔，χ是电阻的温度参数，αj为多项式系数，j＝1，2，3，4。
向所述的机理模型的电堆部分的电特性机理中加入该反映系统输入、时间与电堆衰减电压的关系模型后，电堆的新电特性机理如下：
Figure BDA0002842964380000071
使得电堆电压会随着系统输入和时间的变化而发生衰减，从而获得固体氧化物燃料电池系统衰减模型。
向所建立的固体氧化物燃料电池系统衰减模型输入与历史数据相同的系统操作点，包括：电堆电流I、重整器烟气分流比Pr、燃烧室燃料旁路流量BP1、空气旁路流量BP2、燃料流量F_fuel和空气流量F_air，衰减模型可以得到相对应的输出，包括：系统功率、电堆电压、电堆平均温度、电堆最大温度梯度、电堆PEN层最大温度梯度、电堆PEN层最大温度、燃烧室温度、重整器温度、换热器温度，并将衰减模型的输出与历史数据进行对比，模型仿真特性与系统实际特性匹配良好，即对该模型的热特性与电特性进行了验证，保证了固体氧化物燃料电池系统衰减模型的准确性。
基于所述的衰减模型，选择衰减模型的输入作为决策变量，即一组操作点，包含6个输入变量的数组，分别为固体氧化物燃料电池系统的6个输入变量：
X＝(I，Pr，BP1，BP2，F_fuel，F_air)∈R6
选择衰减模型效率为优化目标，系统效率最大为最终目的。
所述的优化目标为算法最大诉求，目标函数F定义如下：
minF＝-SE(X)
其中，SE(X)为系统效率。
选择约束目标为系统功率及多个系统温度，分别为系统输出功率P及多个系统温度，包含燃烧室温度Tb、重整器温度Tr、电堆PEN层最大温度梯度|maxΔTPEN|、电堆PEN层最大温度maxTPEN、电堆入口温差|ΔTin|、电堆平均温度Ts、目标电堆平均温度Ts，net、最大电堆温度梯度Tg、目标最大电堆温度梯度Tg，net，燃料利用率ηfuel、目标燃料利用率ηfuel，net、功率输出P与目标功率Pnet以及所有温度应满足以下关系：
-0.005Pnet＜Pnet-P＜0.005Pnet
Tb≤1273
Tr≤1173
|maxTPEN|≤1173
|maxΔTPEN|≤8
|ΔTin|≤200
-0.05Ts，net＜Ts，net-Ts＜0.05Ts，net
-0.05Tg，net＜Tg，net-Tg＜0.05Tg，net
-0.05ηfuel，net-10＜ηfuel＜0.05ηfuel，net
以上作为遗传-粒子群算法的目标函数与约束设置，接着通过算法计算求得最优操作点，其原理为根据目标功率，首先为操作点定义合理的初始位置，然后在初始位置周围随机产生分配方案群体，根据每个群体的目标函数评估其适应度，将最优群体的分配方案应用于新一轮迭代的操作点，并以一定的概率遗传之前的操作点，接着检查判定是否满足最优目标函数以及约束，若满足则停止检查，否则继续在新的操作点位置周围随机产生分配方案群体，并往复迭代，最终获得能使系统满足温度约束、效率最大且满足目标功率的最优操作点。
向所建立并验证的固体氧化物燃料电池系统衰减模型中，输入所获得的最优操作点集合，并使衰减模型进行长时间的运行，获得在长时间尺度下(本实施例中为1000小时)，系统各个状态量及输出的数据集，包含电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率、衰减速率、系统效率、系统输出功率和系统运行时间。其中衰减速率dr定义如下：
dr＝ΔU·I/((ΔU·I+P)Time)
基于数据，对不同目标功率下的最优操作点及对应输出数据，选择电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率三个关键状态量在不同情况下对应的衰减速率，对不同的燃料利用率，分别画出以电堆平均温度为横轴，电堆最大温度梯度为纵轴，对应的衰减速率以颜色填充二维图并绘制出等高线。
按此方法可较好的展示不同功率下，不同的电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率对应的衰减速率。从而获得对于不同目标功率，在不同的燃料利用率时，不同的电堆平均温度与电堆最大温度梯度对应的衰减速率，并可利用等高线图，获得衰减速率小于0.02/kh的区间范围，即可确定处于较优区间时的衰减速率。
表1为SOFC系统运行1000小时，不同操作点下的电堆平均温度、衰减速率与系统效率的表格示例。
Figure BDA0002842964380000091
表1
根据处于较优区间的衰减速率，即可获取对应的三个关键状态量的取值范围，该范围即为三个关键状态量对系统衰减影响最小的最优参考值。从而给固体氧化物燃料电池长寿高效的控制提供了有效的依据，适用于实际工程的应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提高SOFC系统寿命的控制优化方法，其特征在于，该方法包括：
(S1)将SOFC系统的输入作为决策变量，即一组操作点，将SOFC系统效率最大作为优化目标，求得不同目标功率、不同目标关键状态量下，能使系统满足温度约束、效率最大且满足目标功率和目标关键状态量的最优操作点；
(S2)向SOFC系统衰减模型输入最优操作点集合，获得衰减模型在不同输入的情况下，系统三个关键状态量及输出数据，三个关键状态量包含电堆平均温度、电堆最大温度梯度、燃料利用率，输出数据包含衰减速率、系统效率、系统输出功率和系统运行时间；
(S3)根据所获得的输入输出数据，在不同目标功率下，获得衰减速率与三个关键状态量之间一对三的映射关系；
(S4)选取衰减速率处于较优区间时，对应的三个关键状态量的取值范围，作为三个关键状态量的最优工作区间；
(S5)基于三个关键状态量的最优工作区间对实际SOFC系统进行控制优化；
所述SOFC系统衰减模型为电堆部分的电特性机理中加入系统输入、时间与电堆衰减电压的关系；所述系统输入、时间与电堆衰减电压的关系通过预训练模糊神经网络学习得到，预训练过程中模糊神经网络的输入为SOFC历史系统输入和系统运行时间，输出为对应的电堆衰减电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，系统输入包括：燃料流量、空气流量、电堆电流；
所述系统输入、时间与电堆衰减电压的关系表示为：
ΔU＝F[F_fuel，F_air，I，Time]
其中，ΔU为电堆衰减电压，F_fuel为燃料流量，F_air为空气流量，I为电堆电流，Time为系统运行时间，F[·]为模糊神经网络。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述SOFC系统衰减模型中电堆电特性表示如下：
Figure FDA0002842964370000021
χ＝1000/(TPEN-273)-1.1463
其中，Vcell为电堆单电池的电压，VOCV为单电池的开路电压，i为单电池的电流密度，αj为多项式系数，j＝1，2，3，4，χ为电阻温度参数，ΔU为电堆衰减电压，I为电堆电流，TPEN为电堆PEN的温度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，一组操作点包括电堆电流、重整器烟气分流比、燃烧室燃料旁路流量、空气旁路流量、燃料流量和空气流量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过遗传-粒子群算法求解最优操作点，具体如下：
根据目标功率，首先为操作点定义合理的初始位置；
然后在初始位置周围随机产生操作点组合群体；
根据每个群体的目标函数评估其适应度，将最优群体的操作点组合应用于新一轮迭代的操作点，并以一定的概率遗传之前的操作点；
接着检查判定是否满足最优目标函数以及约束，若满足则停止检查，否则，继续在新的操作点位置周围随机产生操作点组合群体；
往复迭代，最终获得能使系统满足温度约束、效率最大且满足目标功率的最优操作点。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，约束条件如下：
-0.005Pnet＜Pnet-P＜0.005Pnet
Tb≤1273
Tr≤1173
|maxTPEN|≤1173
|maxΔTPEN|≤8
|ΔTin|≤200
-0.05Ts，net＜Ts，net-Ts＜0.05Ts，net
-0.05Tg，net＜Tg，net-Tg＜0.05Tg，net
-0.05ηfuel，net-10＜ηfuel＜0.05ηfuel，net
其中，P为系统输出功率，Pnet为目标功率，Tb为燃烧室温度，Tr为重整器温度，maxTPEN为电堆PEN层最大温度，|maxΔTPEN|为电堆PEN层最大温度梯度，|ΔTin|为电堆入口温差，Ts为电堆平均温度，Ts，net为目标电堆平均温度，Tg为最大电堆温度梯度，Tg，net为目标最大电堆温度梯度，ηfuel为燃料利用率，ηfuel，net为目标燃料利用率。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，衰减速率定义如下：
dr＝ΔU·I/((ΔU·I+P)Time)
其中，dr为衰减速率，ΔU为电堆衰减电压，I为电堆电流，P为系统输出功率，Time为系统运行时间。
8.一种提高SOFC系统寿命的控制优化系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至7任一项所述的提高SOFC系统寿命的控制优化方法。
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