基于增益调度模型预测控制的SOFC-GT混合动力系统温度控制

doi:10.3969/j.issn.2097-0706.2022.10.006

综合智慧能源 ›› 2022, Vol. 44 ›› Issue (10): 42-49.doi: 10.3969/j.issn.2097-0706.2022.10.006

基于增益调度模型预测控制的SOFC-GT混合动力系统温度控制

王丽¹, 李蓓², 张帆¹^,^*(), 陈金伟²

1. 北京化工大学机电工程学院，北京 100029
2. 上海交通大学动力机械及工程教育部重点实验室，上海 200240

收稿日期:2022-07-15 修回日期:2022-08-23 出版日期:2022-10-25 发布日期:2022-12-03
通讯作者: 张帆
作者简介:王丽（2000），女，在读硕士研究生，从事综合能源系统控制算法研究
李蓓（1997），女，在读硕士研究生，从事燃料电池建模与控制研究
陈金伟（1991），男，博士，从事燃气轮机性能仿真与控制策略研究
基金资助:
国家自然科学基金项目(52006006);电力系统国家重点实验室资助项目(SKLD21KM15)

Temperature control for a SOFC-GT hybrid power system based on gain scheduling model predictive control

WANG Li¹, LI Bei², ZHANG Fan¹^,^*(), CHEN Jinwei²

1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
2. Key Laboratory for Power Machinery and Engineering of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Received:2022-07-15 Revised:2022-08-23 Online:2022-10-25 Published:2022-12-03
Contact: ZHANG Fan

摘要/Abstract

摘要：

固体氧化物燃料电池（SOFC）因其发电效率高、环境污染小等优势得到了广泛应用。工作温度是影响SOFC寿命和性能的主要因素，为保证SOFC长期安全运行，需要将其工作温度控制在一定范围内。但SOFC具有耦合强、非线性特性显著等特点，尤其在大工况范围运行过程中温度变化显著。针对固体氧化物燃料电池-燃气轮机（SOFC-GT）混合动力系统中的SOFC温度控制系统，设计了一种基于增益调度模型预测控制的温度控制策略，以实现系统在大工况范围内变化时的SOFC工作温度调控，保证SOFC-GT混合动力系统在大工况范围内安全运行。

关键词: 固体氧化物燃料电池, 燃气轮机, 混合动力系统, 预测控制, 增益调度, 增益调度模型

Abstract:

Solid oxide fuel cells （SOFCs） have been widely used due to their high power generation efficiency and low pollutant emissions.Working temperature is a main factor affecting the service life and performance of an SOFC.In order to ensure its long-term safe operation，it is necessary to control the working temperature within a certain range.However，SOFCs are of strong coupling and significant nonlinear characteristics，especially working under large temperature differences.A temperature control strategy based on gain scheduling model predictive control is designed for the SOFC temperature controller in a solid oxide fuel cell-gas turbine （SOFC-GT） hybrid power system.The strategy can ensure the safe operation of the SOFC-GT hybrid power system by controlling the SOFC operating temperature in a wide range of operating conditions.

Key words: solid oxide fuel cell, gas turbine, hybrid power system, predictive control, gain scheduling, gain scheduling model

中图分类号:

TK01

王丽, 李蓓, 张帆, 陈金伟. 基于增益调度模型预测控制的SOFC-GT混合动力系统温度控制[J]. 综合智慧能源, 2022, 44(10): 42-49.

WANG Li, LI Bei, ZHANG Fan, CHEN Jinwei. Temperature control for a SOFC-GT hybrid power system based on gain scheduling model predictive control[J]. Integrated Intelligent Energy, 2022, 44(10): 42-49.

图/表 10

图1

表1

图2

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表3

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参考文献 21

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工况	功率/ kW	外界燃料量/ （kg·s^-1）	后燃室燃料流量/ （kg·s^-1）	GT转速/ （r·min^-1）
^#1	196.8	0.004 91	0.001 1	58 271
^#2	229.6	0.006 07	0.000 9	59 969
^#3	262.4	0.007 37	0.000 7	62 074
^#4	295.2	0.008 88	0.000 4	63 836
^#5	328.0	0.010 00	0	70 000

工况	采样时间/s	预测时域	控制时域	两输出增量权重	阳极进口温度权重	阴极进口温度权重
^#1	2	100	5	1.46	0.16	0.14
^#2	2	100	5	1.09	0.11	0.11
^#3	2	100	5	0.73	0.16	0.16
^#4	2	100	5	1.40	0.76	0.76
^#5	2	100	5	1.40	0.76	0.76

控制器	参数	数值
阳极进口温度控制PI	K_P	0.000 010
阳极进口温度控制PI	K_I	0.000 001
阴极进口温度控制PI	K_P	-1.000 000
阴极进口温度控制PI	K_I	0.500 000

基于增益调度模型预测控制的SOFC-GT混合动力系统温度控制

Temperature control for a SOFC-GT hybrid power system based on gain scheduling model predictive control

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