1.一种可逆高温SOFC热电能量智能控制系统,其特征在于,该系统包括:燃料电池堆(1)、供电系统、能量循环系统、供水系统、太阳能系统、氧化剂循环系统及控制系统;
所述供电系统为整个系统提供电能;
所述能量循环系统实现输送燃料给燃料电池堆并在控制系统的控制下进行发电,并控制SOFC的可逆过程实现剩余电能的能量转换;
所述供水系统一路给系统提供冷却水来冷却高温的燃料,另一路和燃料一起进入燃料电池堆;
所述太阳能系统包括太阳能储热器和太阳能采集器,所述太阳能储热器的一端口与太阳能采集器连接,另一端与燃料电池堆连接,且太阳能储热器与燃料电池堆之间设有换热器电控阀门(22);
所述氧化剂循环系统为系统提供氧化剂;
所述控制系统用于控制整个系统的运行状态;
所述燃料电池堆包括电池堆本体(1-1)、保温层(1-2)和电池堆储热工质(1-5);
所述燃料电池堆本体和电池堆储热工质设置于保温层内,所述电池堆储热工质位于燃料电池本体的两端,且分别与太阳能储热器连接;
所述保温层上设置有燃料电池负极(1-3)、氧化剂进口(1-4)、氧化剂出口(1-6)、燃料出口(1-7)、燃料进口(1-8)和燃料电池正极;
所述燃料电池负极(1-3)和燃料电池正极与供电系统连接,所述能量循环系统通过所述燃料出口(1-7)和燃料进口(1-8)与燃料电池堆连接,所述氧化剂循环系统通过氧化剂进口(1-4)和氧化剂出口与燃料电池堆连接;
所述供电系统包括光伏电池直流斩波器(3)、逆变器(4)、交流负载(5)、光伏阵列(12)、燃料电池直流斩波器(18)和电解直流斩波器(19);
所述燃料电池堆(1)的正极、负极分别与燃料电池直流斩波器(18)的输入连接,燃料电池直流斩波器(18)的输出与逆变器(4)的输入连接,逆变器(4)的输出与交流负载(5)的输入连接,构成第一供电回路;
所述光伏阵列(12)的输出与光伏电池直流斩波器(3)的输入连接,光伏电池直流斩波器(3)输出与逆变器(4)的输入连接,逆变器(4)的输出与交流负载(5)的输入连接,构成第二供电回路;
所述光伏阵列(12)的输出与光伏电池直流斩波器(3)的输入连接,光伏电池直流斩波器(3)输出与电解直流斩波器(19)的输入连接,电解直流斩波器(19)的输出与燃料电池堆(1)的正极、负极连接,构成第三供电回路;
所述能量循环系统包括氢气出口换热器(8)、储氢罐(9)和联通阀(2);所述氢气出口换热器的第一输入口与燃料电池堆连接,第二输入口与供水系统连接,第一输出口与储氢罐连接,第二输出口通过循环水进口电控阀门(17)与联通阀的第一输入口连接,氢气出口换热器(8)与氧气出口换热器(7)利用换热管道连接;所述储氢罐的输出口通过循环氢进口电控阀门(16)与联通阀的第二输入口连接;所述联通阀的第三输入口通过氢气进口电控阀门(15)与氢气补给连接,第四输入口通过水蒸气进口电控阀门与供水系统连接;所述联通阀的输出与燃料电池堆连接;
所述氧化剂循环系统包括储氧罐(6)和氧气出口换热器(7);所述氧气出口换热器(7)进口与燃料电池堆连接,其出口与储氧罐的输入口连接,储氧罐的输出口通过氧化剂进口电控阀门与燃料电池堆连接;
所述控制系统包括采集模块(20)和控制器(21),所述采集模块(20)采集交流负载(5)的需求功率P1、燃料电池堆(1)的输出功率P2、光伏阵列(12)的输出功率P3和燃料电池堆(1)的温度T1、太阳能储热器(10)的温度T2,将采集的信号送至控制器(21),控制器(21)输出分别与冷却水进口电控阀门(13)的控制端口F6、水蒸气进口电控阀门(14)的控制端口F5、氢气进口电控阀门(15)的控制端口F4、循环氢进口电控阀门(16)的控制端口F3、循环水进口电控阀门(17)的控制端口F2、换热器电控阀门(22)的控制端口F1、光伏电池直流斩波器(3)的控制端口C1、逆变器(4)的控制端口C2、燃料电池直流斩波器(18)的控制端口C3、电解直流斩波器(19)的控制端口C4连接;
该系统的控制方法为:
(1)确定输入输出变量
模糊控制器的输入一为燃料电池堆(1)实际输出功率与目标功率的误差e;
模糊控制器的输入二为误差e的变化率de/dt,所述燃料电池堆(1)实际输出功率为PF-cell,目标功率为P,P=Pload-Ppv,Pload为负载所需要的功率,Ppv为光伏阵列(12)的输出功率;
输出变量为u,u为目标功率P的控制变量,即负载所需要的功率Pload减去光伏阵列的发电输出功率Ppv,u=P=Pload-Ppv;当u>0时,燃料电池堆(1)工作在SOFC状态,u的值大小控制氢气进口电控阀门(15)、循环氢进口电控阀门(16)、氧化剂进口电控阀门(23)的开度,当u<
0时,燃料电池堆(1)工作在SOEC状态,u的值大小控制水蒸气进口电控阀门(14)、循环水进口电控阀门(17)、氧化剂进口电控阀门(23)的开度和电解直流斩波器(19)的控制相位角;
(2)输入输出变量论域和量化因子
误差e的基本论域设计为(-20kW,+20kW),经过归一化处理:其中,ae为误差e的基本论域的左边,be为误差e的基本论域的右边,xe为误差e的基本论域中的变量,x′e是误差e的基本论域归一化后的标准论域;
将(-20Kw,+20kW)的连续变量转化为(-6,+6)之间的连续变化量,然后将这个变化量分为7个语言变量E,即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大;
进一步选定语言变量E的论域为:
X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6} (2);
则得到误差e的量化因子Ke=6/20=0.3;
设计在论域X上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数,即:
其中,σ1为论域X的隶属度函数的宽度,c1为论域X的隶属度函数的中心,μ1(x)表示论域X的隶属度函数;
进一步建立语言变量E的赋值表;
误差e的变化率de/dt的基本论域为(-5kW/s,+5Kw/s);
经过归一化处理:
其中,aec为误差e的变化率de/dt的基本论域的左边,bec为误差e的变化率de/dt的基本论域的右边,xec为误差e的变化率de/dt的基本论域中的变量,x′ec是误差e的变化率de/dt的基本论域归一化后的标准论域;
将(-5kW/s,+5Kw/s)的连续变量转化为(-6,+6)之间的连续变化量,然后将这个变化量分为7个语言变量EC,即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大;
进一步选定语言变量EC的论域为:
Y={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6} (5);
则得到误差e的变化率de/dt的量化因子Kec=6/5=1.2;
设计在论域Y上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数,即:
其中,σ2为论域Y的隶属度函数的宽度,c2为论域Y的隶属度函数的中心,μ2(x)表示论域Y的隶属度函数;
进一步建立语言变量EC的赋值表;
输出变量u基本论域为(-60kW,+60kW);
经过归一化处理:
其中,au为输出变量u的基本论域的左边,bu为输出变量u的基本论域的右边,xu为输出变量u的基本论域中的变量,x′u是输出变量u的基本论域归一化后的标准论域;
将(-60kW,+60kW)的连续变量转化为(-6,+6)之间的连续变化量,然后将这个变化量分为7个语言变量U,即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大;
进一步选定语言变量U的论域为:
Z={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6} (8);
则得到输出变量u的量化因子Ku=6/60=0.1;
设计在论域Z上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数,即:
其中,σ3为论域Z的隶属度函数的宽度,c3为论域Z的隶属度函数的中心,μ3(x)表示论域Z的隶属度函数;
进一步建立语言变量U的赋值表;
(3)模糊控制规则的设计
设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时,选择控制量以尽快消除误差为主,而当误差小或者较小时,选择控制量要控制超调量;
(4)解模糊
解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。
2.一种可逆高温SOFC热电能量智能控制方法,其特征在于,该方法采用的控制系统包括:燃料电池堆(1)、联通阀(2)、光伏电池直流斩波器(3)、逆变器(4)、交流负载(5)、储氧罐(6)、氧气出口换热器(7)、氢气出口换热器(8)、储氢罐(9)、太阳能储热器(10)、碟式太阳能集热器(11)、光伏阵列(12)、冷却水进口电控阀门(13)、水蒸气进口电控阀门(14)、氢气进口电控阀门(15)、循环氢进口电控阀门(16)、循环水进口电控阀门(17)、燃料电池直流斩波器(18)、电解直流斩波器(19)、采集模块(20)、控制器(21)、换热器电控阀门(22)和氧化剂进口电控阀门(23);
所述燃料电池堆(1)的正极、负极分别与燃料电池直流斩波器(18)的输入连接,燃料电池直流斩波器(18)的输出与逆变器(4)的输入连接,逆变器(4)的输出与交流负载(5)的输入连接,构成第一供电回路;
所述光伏阵列(12)的输出与光伏电池直流斩波器(3)的输入连接,光伏电池直流斩波器(3)输出与逆变器(4)的输入连接,逆变器(4)的输出与交流负载(5)的输入连接,构成第二供电回路;
所述光伏阵列(12)的输出与光伏电池直流斩波器(3)的输入连接,光伏电池直流斩波器(3)输出与电解直流斩波器(19)的输入连接,电解直流斩波器(19)的输出与燃料电池堆(1)的正极、负极连接,构成第三供电回路;
所述第一供电回路、第二供电回路、第三供电回路由控制电路控制三个供电回路的工作状态;
氢气出口换热器的第二输出口通过循环水进口电控阀门(17)与联通阀(2)的第一输入口连接,储氢罐的输出口通过循环氢进口电控阀门(16)与联通阀的第二输入口连接,联通阀的第三输入口通过氢气进口电控阀门(15)与氢气补给连接,第四输入口通过水蒸气进口电控阀门(14)与供水系统连接;联通阀的输出与燃料电池堆连接;
碟式太阳能集热器(11)与太阳能储热器(10)利用换热管道连接,太阳能储热器(10)另一侧利用换热管道与燃料电池堆(1)连接,且太阳能储热器与燃料电池堆之间设有换热器电控阀门(22);
光伏阵列(12)的输出与光伏电池直流斩波器(3)的输入连接;
采集模块(20)采集交流负载(5)的需求功率P1、燃料电池堆(1)的输出功率P2、光伏阵列(12)的输出功率P3和燃料电池堆(1)的温度T1、太阳能储热器(10)的温度T2,将采集的信号送至控制器(21),控制器(21)输出分别与冷却水进口电控阀门(13)的控制端口F6、水蒸气进口电控阀门(14)的控制端口F5、氢气进口电控阀门(15)的控制端口F4、循环氢进口电控阀门(16)的控制端口F3、循环水进口电控阀门(17)的控制端口F2、换热器电控阀门(22)的控制端口F1、光伏电池直流斩波器(3)的控制端口C1、逆变器(4)的控制端口C2、燃料电池直流斩波器(18)的控制端口C3、电解直流斩波器(19)的控制端口C4连接;
氧化剂进口电控阀门(23)的进口与储氧罐(6)的出口连接,氧化剂进口电控阀门(23)的出口与燃料电池堆(1)的氧化剂进口(1-4)连接;
所述燃料电池堆工作在SOEC模式和SOFC模式,两种模式的切换基于模糊控制,具体控制方法为:(1)确定输入输出变量
模糊控制器的输入一为燃料电池堆(1)实际输出功率与目标功率的误差e;
模糊控制器的输入二为误差e的变化率de/dt,所述燃料电池堆(1)实际输出功率为PF-cell,目标功率为P,P=Pload-Ppv,Pload为负载所需要的功率,Ppv为光伏阵列(12)的输出功率;
输出变量为u,u为目标功率P的控制变量,即负载所需要的功率Pload减去光伏阵列的发电输出功率Ppv,u=P=Pload-Ppv;当u>0时,燃料电池堆(1)工作在SOFC状态,u的值大小控制氢气进口电控阀门(15)、循环氢进口电控阀门(16)、氧化剂进口电控阀门(23)的开度,当u<
0时,燃料电池堆(1)工作在SOEC状态,u的值大小控制水蒸气进口电控阀门(14)、循环水进口电控阀门(17)、氧化剂进口电控阀门(23)的开度和电解直流斩波器(19)的控制相位角;
(2)输入输出变量论域和量化因子
误差e的基本论域设计为(-20kW,+20kW),经过归一化处理:其中,ae为误差e的基本论域的左边,be为误差e的基本论域的右边,xe为误差e的基本论域中的变量,x′e是误差e的基本论域归一化后的标准论域;
将(-20Kw,+20kW)的连续变量转化为(-6,+6)之间的连续变化量,然后将这个变化量分为7个语言变量E,即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大;
进一步选定语言变量E的论域为:
X={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6} (11);
则得到误差e的量化因子Ke=6/20=0.3;
设计在论域X上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数,即:
其中,σ1为论域X的隶属度函数的宽度,c1为论域X的隶属度函数的中心,μ1(x)表示论域X的隶属度函数;
进一步建立语言变量E的赋值表;
误差e的变化率de/dt的基本论域为(-5kW/s,+5Kw/s);
经过归一化处理:
其中,aec为误差e的变化率de/dt的基本论域的左边,bec为误差e的变化率de/dt的基本论域的右边,xec为误差e的变化率de/dt的基本论域中的变量,x′ec是误差e的变化率de/dt的基本论域归一化后的标准论域;
将(-5kW/s,+5Kw/s)的连续变量转化为(-6,+6)之间的连续变化量,然后将这个变化量分为7个语言变量EC,即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大;
进一步选定语言变量EC的论域为:
Y={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6} (14);
则得到误差e的变化率de/dt的量化因子Kec=6/5=1.2;
设计在论域Y上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数,即:
其中,σ2为论域Y的隶属度函数的宽度,c2为论域Y的隶属度函数的中心,μ2(x)表示论域Y的隶属度函数;
进一步建立语言变量EC的赋值表;
输出变量u基本论域为(-60kW,+60kW);
经过归一化处理:
其中,au为输出变量u的基本论域的左边,bu为输出变量u的基本论域的右边,xu为输出变量u的基本论域中的变量,xu′是输出变量u的基本论域归一化后的标准论域;
将(-60kW,+60kW)的连续变量转化为(-6,+6)之间的连续变化量,然后将这个变化量分为7个语言变量U,即正大、正中、正小、零、负小、负中、负大;
进一步选定语言变量U的论域为:
Z={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6} (17);
则得到输出变量u的量化因子Ku=6/60=0.1;
设计在论域Z上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数,即:
其中,σ3为论域Z的隶属度函数的宽度,c3为论域Z的隶属度函数的中心,μ3(x)表示论域Z的隶属度函数;
进一步建立语言变量U的赋值表;
(3)模糊控制规则的设计
设计模糊控制规则的原则是当误差大或者较大时,选择控制量以尽快消除误差为主,而当误差小或者较小时,选择控制量要控制超调量;
(4)解模糊
解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。
3.根据权利要求2所述的可逆高温SOFC热电能量智能控制方法,其特征在于,所述燃料电池堆(1)包括:电池堆本体(1-1)、保温层(1-2)、燃料电池负极(1-3)、氧化剂进口(1-4)、电池堆储热工质(1-5)、氧化剂出口(1-6)、燃料出口(1-7)、燃料进口(1-8)和燃料电池正极;
太阳能储热器(10)一侧利用换热管道与燃料电池堆(1)的电池堆储热工质(1-5)连接;
所述氧气出口换热器(7)进口与燃料电池堆(1)的氧化剂出口(1-6)连接,氧气出口换热器(7)的出口与储氧罐(6)的进口连接,储氧罐(6)的出口与氧化剂进口电控阀门(23)的进口连接,氧化剂进口电控阀门(23)的出口与燃料电池堆(1)氧化剂进口(1-4)连接;
所述氢气出口换热器(8)的进口与燃料电池堆(1)的燃料出口(1-7)连接,氢气出口换热器(8)的氢气出口与储氢罐(9)的进口连接,储氢罐(9)的出口与联通阀(2)的第一进口连接;氢气出口换热器(8)的水出口与联通阀(2)的第二进口连接,氢气出口换热器(8)与氧气出口换热器(7)利用换热管道连接。