SOFC-MGT混合發(fā)電系統(tǒng)的半實物仿真方案研究

包 成, 蔡寧生

(1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,北京 100083;2.清華大學(xué) 熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室,北京 100083)

系統(tǒng)的匹配規(guī)律、操作條件優(yōu)化及瞬態(tài)性能與控制策略的研究是固體氧化物燃料電池(SOFC)-微型燃?xì)廨啓C(jī)(MGT)混合發(fā)電系統(tǒng)集成的重要基礎(chǔ).為了減小研發(fā)成本和降低風(fēng)險,半實物仿真(hard-ware-in the loop simu lation)方法被廣泛用于高溫燃料電池-MGT系統(tǒng)集成與控制方面的研究.在Hyper項目的支撐下,美國國家能源技術(shù)實驗室建立了250 kW的增壓型SOFC-MGT混合系統(tǒng)測試裝置[1],用于評估在啟動、停車和負(fù)荷變化等瞬態(tài)工況下的系統(tǒng)性能和控制算法.韓國宇航研究所利用燃燒器和渦輪增壓器分別作為SOFC和MGT的模擬器[2].中國臺灣國立成功大學(xué)則采用兩級燃燒器,并配置了水的噴霧裝置來模擬水蒸氣外部重整器[3].意大利Genova大學(xué)在原有MGT的低溫回?zé)崞骰A(chǔ)上,加裝了高溫回?zé)崞骱屯獠咳紵?用于常壓型熔融碳酸鹽燃料電池-MGT混合系統(tǒng)的集成測試,并對帶有陽極和陰極回收的燃料電池子系統(tǒng)進(jìn)行了臺架集成測試[4].上述試驗系統(tǒng)均只適用于增壓型或常壓型的單一工作模式,且其控制算法與開發(fā)流程仍表現(xiàn)為傳統(tǒng)的慢速迭代模式.

我國在SOFC-MGT系統(tǒng)集成與商用化方面相對滯后[5].筆者主要研究采用 SOFC模擬器和MGT模擬器等關(guān)鍵部件并結(jié)合控制器設(shè)計構(gòu)建試驗系統(tǒng),并通過半實物仿真試驗來分析系統(tǒng)的集成和控制.

1 系統(tǒng)預(yù)集成的總體技術(shù)路線

圖1為SOFC-MGT系統(tǒng)的預(yù)集成技術(shù)路線示意圖.

圖1 SOFC-MGT系統(tǒng)的預(yù)集成技術(shù)路線示意圖Fig.1 Technology route of SOFE-MGT system integration

1.1 系統(tǒng)設(shè)計方案和SOFC單電池試驗與模型

試驗系統(tǒng)設(shè)計方案主要考慮系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的柔性,以適應(yīng)不同的工作模式(如增壓型和常壓型模式)和較寬的工作范圍.SOFC的前期試驗數(shù)據(jù)可以來自鈕扣式、板式、管式或其他構(gòu)型單電池及系統(tǒng)的相關(guān)測試結(jié)果[5-8],結(jié)合模型預(yù)測與驗證,研究氣體流量、壓力、溫度、燃料組分以及電流密度等對電池性能的影響.忽略單電池和電堆間的差異,SOFC單電池試驗或仿真數(shù)據(jù)可近似放大為電堆性能.筆者與所在課題組在SOFC鈕扣電池試驗平臺上進(jìn)行了H2-H2O-CO-CO2-CH4-N2多組分燃料體系下的V-I極化特性和電化學(xué)阻抗譜測試[9],對現(xiàn)有的SOFC機(jī)理模型進(jìn)行了多方面改進(jìn),包括通用膜電極傳遞模型的完善與近似解析解[10]、基于串聯(lián)型等效擴(kuò)散電路模型的改進(jìn)膜電極模型[11-12],包括詳細(xì)輻射換熱子模型的分布式參數(shù)動態(tài)SOFC模型等[12-13];并自主開發(fā)了基于gPROM S商用環(huán)境的SOFC-GT混合發(fā)電系統(tǒng)多層次仿真平臺[13-14],完成了西門子-西屋220 kW示范系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、關(guān)鍵部件反設(shè)計和動態(tài)特性分析等[14-15].在前期工作的基礎(chǔ)上,再進(jìn)一步提高SOFC模型的實時性并保證模型的精度,然后應(yīng)用于控制SOFC模擬器.

1.2 主體部件的選型、購買與研制

根據(jù)功率等級、流量范圍、工作溫度和試驗成本等,對SOFC模擬器、MGT模擬器、換熱器、流量計、燃燒器以及閥件等主要部件進(jìn)行選型、購買以及研制.

1.3 控制器設(shè)計和實時環(huán)境構(gòu)建

綜合考慮測量和控制信號,以 M atlab/xPC Target和MPC5xx系列單片機(jī)構(gòu)成控制器主體,并結(jié)合實時操作系統(tǒng)和人機(jī)交互等進(jìn)行軟件開發(fā).

1.4 系統(tǒng)動態(tài)離線仿真與控制策略開發(fā)

建立面向控制的系統(tǒng)模型,預(yù)測系統(tǒng)的動態(tài)特性,并研究不同控制策略對系統(tǒng)性能和運行范圍的影響.

1.5 系統(tǒng)試驗、匹配規(guī)律和控制策略研究

在半實物仿真平臺上,研究系統(tǒng)匹配規(guī)律、啟動和停車等瞬態(tài)工況特性以及控制策略驗證等.

2 半實物仿真試驗系統(tǒng)主體構(gòu)建方案

在SOFC-MGT混合發(fā)電系統(tǒng)中,SOFC電堆與MGT的功率比通常約為 5∶1,即1個10 kW 的SOFC電堆需要配置2 kW的MGT,很難選擇如此小功率的商用MGT,而加大功率等級又會造成實際SOFC電堆的集成問題.因此,筆者采用模擬器來替代仿真試驗系統(tǒng)中的SOFC電堆和MGT真實部件.

通常,采用1個燃?xì)馊紵髯鳛镾OFC模擬器來模擬實際SOFC電堆的運行,即將電堆作為1個黑箱,基于其輸入輸出特性產(chǎn)生與實際SOFC出口氣體組分和工作溫度相近的高溫燃?xì)?與燃燒過程不同,SOFC包含熱效應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng),因此在保持入口燃料和空氣狀態(tài)相同時,在燃燒器中不能獲得與SOFC出口完全相同的氣體組分和反應(yīng)溫度.考慮到實際SOFC中的空氣流量一般遠(yuǎn)大于燃料流量,因此采用保持進(jìn)入SOFC模擬器的空氣流量與實際SOFC相同,而SOFC模擬器中的入口燃料流量則根據(jù)模擬器和SOFC的出口氣體溫度相同來確定.這樣,相對于空氣流量,燃料流量的較小變化不會造成氣體組分和溫度的顯著誤差,通常將額定燃料利用率取為85%左右.因此,在研制SOFC模擬器時,除了功率等級和流量范圍外,還應(yīng)考慮到燃燒器內(nèi)部的冷卻、燃燒效率和穩(wěn)定性以及氣體出口溫度控制(應(yīng)低于透平最高入口溫度)等多種因素[3].此外,在燃燒器的氣體流量分配上,也應(yīng)該能夠一定程度地反映電堆的組合方式,即stack stage技術(shù).

盡管車用的渦輪增壓器的工作溫度通常低于燃?xì)廨啓C(jī),且無發(fā)電能力,但其價格低廉、工作可靠,至今仍被廣泛應(yīng)用于模擬MGT.渦輪增壓器的空氣流量和透平最高入口溫度(如PC200-5渦輪增壓器,額定空氣流量為0.18 kg/s,透平最高入口溫度為760°C)決定了SOFC模擬器的工作范圍(假設(shè)空氣計量比為10,20 kW的SOFC電堆需要0.1 kg/s左右的空氣流量),并根據(jù)可選的商用渦輪增壓器技術(shù)參數(shù)來匹配研制SOFC模擬器.

圖2為半實物仿真試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖.從圖2可知,半實物仿真試驗系統(tǒng)主要包括:SOFC模擬器、渦輪增壓器、熱交換器、外部燃燒器、流量控制器、閥門以及氣源和控制器等.通過閥門的切換可以實現(xiàn)增壓型和常壓型2種工作模式,即SOFC在增壓或常壓狀態(tài)下工作.

2.1 增壓型模式

在正常工況下,空壓機(jī)出口增壓空氣經(jīng)熱交換器加熱后,由閥1進(jìn)入SOFC模擬器,與來自流量控制器1的燃料進(jìn)行燃燒.SOFC模擬器出口的富氧氣體進(jìn)入外部燃燒器,與來自流量控制器2的燃料進(jìn)一步燃燒,通過控制這部分燃料量可以模擬實際SOFC中燃料利用率的變化.燃燒器出口的高溫氣體經(jīng)過閥6、透平和閥10,在熱交換器中對空壓機(jī)出口空氣加熱后排出.該工作過程與實際SOFC-MGT系統(tǒng)的正常工況基本相同.

在啟動工況下,流量控制器1不提供燃料,由空氣氣室提供空氣,與來自流量控制器2的燃料在外部燃燒器中進(jìn)行燃燒,燃燒尾氣在驅(qū)動透平后排出.待渦輪增壓器正常運行后,切斷來自空氣氣室的空氣,空壓機(jī)出口的一部分增壓空氣經(jīng)閥2或閥3進(jìn)入外部燃燒器中進(jìn)行燃燒;另一部分增壓空氣則經(jīng)閥1進(jìn)入SOFC模擬器并對其進(jìn)行預(yù)熱.待SOFC模擬器的溫度上升到預(yù)定溫度后,燃料逐漸經(jīng)過流量控制器1進(jìn)入SOFC模擬器,與空氣進(jìn)行燃燒并對SOFC模擬器進(jìn)一步加熱,待其溫度上升到正常溫度后,切換到正常工況.該工作過程與實際SOFC-MGT系統(tǒng)的啟動工況基本相同.

圖2 半實物仿真試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the hardw are-in-the-loop experimental sy stem

在部分負(fù)荷工況下,保持燃料利用率并相應(yīng)減小燃料流量,流量控制器 2的燃料流量為實際SOFC模擬器的未反應(yīng)燃料和補燃燃料之和.該過程與實際SOFC-MGT系統(tǒng)中通過補充燃料保持透平入口溫度的過程基本相同.

2.2 常壓型模式

在正常工況下,空氣經(jīng)空壓機(jī)增壓和熱交換器加熱后,經(jīng)閥5后驅(qū)動透平做功,膨脹后的空氣由閥9進(jìn)入SOFC模擬器,與來自流量控制器1的燃料燃燒.SOFC模擬器出口的富氧氣體進(jìn)入外部燃燒器,與來自流量控制器2的燃料進(jìn)一步燃燒,并通過控制這部分燃料量可以模擬實際SOFC中燃料利用率的變化.燃燒器出口高溫氣體經(jīng)過閥7,并在熱交換器中對空壓機(jī)出口空氣加熱后排出.該工作過程與實際SOFC-MGT系統(tǒng)的正常工況基本相同.

在啟動工況下,流量控制器1不提供燃料,由空氣氣室提供空氣與來自流量控制器2的燃料在外部燃燒器中進(jìn)行燃燒.待渦輪增壓器正常運行后,切斷來自空氣氣室的空氣,空壓機(jī)出口的一部分增壓空氣經(jīng)閥8進(jìn)入外部燃燒器中與來自流量控制器2的燃料進(jìn)行燃燒;另一部分增壓空氣則經(jīng)閥 9進(jìn)入SOFC模擬器并對其進(jìn)行預(yù)熱,待SOFC模擬器的溫度上升到預(yù)定溫度后,燃料逐漸經(jīng)過流量控制器1進(jìn)入SOFC模擬器,與空氣燃燒并對SOFC模擬器進(jìn)一步加熱,待其溫度上升到正常溫度后,切換到正常工況.該工作過程與實際SOFC-MGT系統(tǒng)的啟動工況基本相同.

在部分負(fù)荷工況下,保持燃料利用率并相應(yīng)減小燃料流量,流量控制器 2的燃料流量為實際SOFC未反應(yīng)燃料和補燃燃料之和.該過程與實際SOFC-MGT系統(tǒng)中通過燃料補燃保持透平入口溫度的過程基本相同.

增壓型模式中的閥2和閥3以及常壓型模式中的閥8均可以控制進(jìn)入外部燃燒器的空氣旁通量,用于調(diào)節(jié)透平入口溫度(TIT),閥4為空壓機(jī)放氣閥.通過調(diào)節(jié)閥門開度可以分析當(dāng)實際系統(tǒng)中SOFC失去負(fù)荷時,怎樣避免過多的燃料燃燒后使得TIT過高等瞬態(tài)問題.

試驗系統(tǒng)的氣源主要由 H2、CH4、C3H8和N2組成,其中C3 H 8用于降低試驗成本,N2用于管路的置換和吹掃.此外,系統(tǒng)還包括測量和控制子系統(tǒng).通過配置溫度、壓力、流量和轉(zhuǎn)速傳感器,對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行測量.通過計算SOFC模擬器的工作電壓、溫度和出口氣體組分實現(xiàn)SOFC模型調(diào)節(jié)流量控制器和閥件的開度,以實現(xiàn)相應(yīng)的控制策略.

3 V型控制器的開發(fā)

V型控制器的開發(fā)是SOFC-MGT系統(tǒng)集成的重要環(huán)節(jié).SOFC模擬器本身需要精確的流量控制來模擬實際SOFC工況,同時也需要將離線仿真的控制算法快速地移植到底層的控制器之中.

以dSPACE為代表的V型控制器開發(fā)模式,即離線仿真→快速控制原型→自動代碼生成的控制器快速成型,其已被廣泛地應(yīng)用于汽車和電子等領(lǐng)域的控制器開發(fā)中.與傳統(tǒng)的控制器開發(fā)模式比較,其核心是基于自動代碼生成的快速控制原型(RCP),以實現(xiàn)從高級語言算法到底層代碼間的快速迭代.

M atlab/Simu link軟件是控制器設(shè)計的理想平臺,它不僅具有良好的離線動態(tài)仿真環(huán)境,還提供了實時仿真和硬件在環(huán)(H IL)功能.在試驗系統(tǒng)的控制器開發(fā)中,可以選用Realtime W indow s Target、xPC Target和M otolora PowerPC5xx系列單片機(jī)相結(jié)合的開發(fā)模式.

xPC Target是一種基于標(biāo)準(zhǔn)配制的PC機(jī)硬件加裝針對實時系統(tǒng)控制原型、測試和配置的解決方案,包括主機(jī)和從機(jī),主機(jī)和從機(jī)間采用串行通訊或網(wǎng)卡連接.通常,從機(jī)采用的是工控機(jī),可以合理地選擇工控板卡或模塊,并配置信號調(diào)理單元進(jìn)行信號的濾波、隔離和放大等處理.由于M atlab軟件提供的xPC環(huán)境下的工控板卡驅(qū)動較少,通常需要采用S函數(shù)自行編寫驅(qū)動程序,在M atlab下將其編譯成動態(tài)鏈接庫文件并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b,實現(xiàn)與Matlab/Simu link環(huán)境的無縫連接.采用Matlab軟件的命令行和網(wǎng)頁監(jiān)控等方式,可以方便地實現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)間的信息交互、數(shù)據(jù)的跟蹤和參數(shù)的實時修改等.此外,還可采用Matlab/Guide軟件建立良好的人機(jī)交互界面用于監(jiān)控.筆者曾經(jīng)基于xPC環(huán)境,實現(xiàn)了質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM FC)系統(tǒng)陽極回收與壓力跟隨的實時控制[16],并建成了我國首臺10 kW級天然氣-PEMFC分布式電站的快速控制原型[17].

圖3為快速控制原型Power PC5xx的開發(fā)思路[18].與 xPC Target快速原型比較,PowerPC5xx系列單片機(jī)更適合作為最終的控制器,因此dSPACEM icro-AutoBox采用了PowerPC555微控制器,并由M atlab提供了自動代碼生成機(jī)制.

系統(tǒng)的硬件核心是PowerPC5xx系列嵌入式微控制器,其自帶的Quickstart工具可以方便地嵌入CodeWarrior集成環(huán)境進(jìn)行圖形化的驅(qū)動配置.同時,由于與M atlab軟件有良好的接口,可以運用自動代碼生成技術(shù)將M atlab/Sim link環(huán)境中的模型和控制算法快速移植為嵌入式微控制器需要的底層代碼,結(jié)合 μC-OSII(或 OSEK)實時操作系統(tǒng)、Flash在線編程以及PCM aster監(jiān)控平臺可以實現(xiàn)任務(wù)的實時調(diào)度、良好的人機(jī)交互、控制參數(shù)的在線監(jiān)控以及修改等.對于啟動、停車等離散工況,可采用基于Stateflow的有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行上層算法管理,結(jié)合RTW和xPC Target技術(shù)將其用于PowerPC控制器的驗證,這對于保護(hù)試驗系統(tǒng)和加快控制器設(shè)計具有重要作用.

以分散控制算法為基礎(chǔ),結(jié)合xPC Target硬件在環(huán)仿真環(huán)境和嵌入式控制器軟、硬件平臺,可實現(xiàn)試驗系統(tǒng)的整體集成.在臺架試驗中,通過改變透平轉(zhuǎn)速、氣體流量和閥門開度等可以對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能進(jìn)行測試與分析.

圖3 快速控制原型Pow erPC5xx的開發(fā)思路Fig.3 Developmen t idea of rapid con trol prototype Pow er PC5x x

4 結(jié) 論

(1)提出了一種固體氧化物燃料電池(SOFC)-微型燃?xì)廨啓C(jī)(MGT)混合發(fā)電系統(tǒng)的半實物仿真和預(yù)集成方案.該方案以基于模型的燃燒器和渦輪增壓器分別作為SOFC和MGT模擬器,結(jié)合其他實際部件,構(gòu)建半實物仿真平臺,可以兼容增壓型和常壓型2種工作模式,適用于正常、啟動、部分負(fù)荷以及瞬態(tài)等多種工況的模擬.

(2)通過與傳統(tǒng)的慢速迭代控制算法開發(fā)模式進(jìn)行對比,研究了基于快速控制原型的V型控制器開發(fā)模式.

(3)在前期的單電池實驗數(shù)據(jù)和高精度SOFC模型基礎(chǔ)上,結(jié)合試驗系統(tǒng)主體和控制器平臺,今后可以進(jìn)一步研究SOFC-MGT混合發(fā)電系統(tǒng)集成中的匹配規(guī)律、動態(tài)特性和控制策略.

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