（动力工程及工程热物理专业论文）mcfcgt混合动力系统非线性特征及其协调控制研究.pdf

f ：洵交通人学博f j 学位论文 摘璎 i i 舅鼍曼曼! 曼量皇曼皇皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼舅曼曼皇! 曼! 曼曼曼曼皇曼曼鼍曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓曼皇曼曼曼皇曼曼曼! 曼量曼曼量曼皇! 曼 m c f c g t 混合动力系统非线性 特征及其协调控制研究 摘要 高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统是上世纪末、本世纪初刚刚 兴起的一种高效、环保的新型动力系统，在未来发电领域具有广阔的应 用前景。然而，高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统是一个复合过程、 一个复杂的能量转换过程，该类系统的非线性特性及其协调控制问题是 个世界难题。本文以由熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 和燃气轮机( g t ) 等组成的混合动力系统为研究对象，提出了基于m c f c g t 混合动力系 统非线性特征的协调控制方法。具体如下： ( 1 ) m c f c g t 混合动力系统数学模型的建立 本文采用机理建模的方法，建立了m c f c g t 混合动力系统的集总 参数模型，研究m c f c g t 混合动力系统的稳定运行以及对外界扰动的 相应特性。 ( 2 ) 基于总能概念的m c f c g t 混合动力系统特性分析 本文讨论了m c f c g t 混合动力系统不同工况下的工作性能，结果表 明：m c f c g t 混合动力系统具有较高的发电效率，但系统的工况变化范 第1 页 卜海交通人学博l j 学位论文 围较小，可通过调节燃气轮机的转速来改善系统的变工况性能。然而， 采用变转速燃气轮机的运行方式将削弱底层循环的作用，不利于充分发 挥m c f c g t 混合动力系统的优势。 ( 3 ) m c f c g t 混合动力系统的动态特性分析 本文首先对m c f c 的动态特性进行深入研究，得到了m c f c 的温度分 布特性。在此基础上来研究m c f c g t 混合动力系统的动态性能。结果表 明：m c f c g t 混合动力系统在设计点工况下的工作性能最佳；系统对外 界扰动的响应速度较慢，稳定时间较长。 ( 4 ) 实验研究 本文进行了m c f c 电堆、压气机性能及透平性能实验，对m c f c g t 混合动力系统的仿真模型进行了部分验证。仿真结果与实验数据能很好 吻合。 ( 5 ) m c f c g t 混合动力系统的协调控制研究 m c f c g t 混合动力系统是被控特性非常复杂的对象，针对系统的非 线性特性，本文提出了三种协调控制策略，建立了一个模糊协调控制器。 对m c f c g t 混合动力协调控制系统的仿真研究表明，该控制方法稳定 性好，且动态性能具有较小超调量和较短调节时间。 关键词：m c f c ，燃气轮机，混合动力系统，动态特性，非线性，协调控 制 第1 i 页 i ：海交通人学博f j 学f t 论史a b s t r a c t r e s e a r c ho nn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o o r d i n a t e d c o n t r o lo fm c f c - - g t h y b r i ds y s t e m a b s t r a c t t h eh i 曲t e m p e r a t u r ef u e lc e l l g a st u r b i n eh y b r i ds y s t e mi sa na d v a n c e d e f f i c i e n c ya n de c o l o g i c a lp o w e rs y s t e m ，w h i c hr o s ea tt h ee n do fl a s tc e n t u r y a n dt h eb e g i n n i n go ft h i sc e n t u r y i th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h e f i e l do fe l e c t r i cp o w e r h o w e v e r , t h ep r o b l e mo ft h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lo nh y b r i ds y s t e mi saw o r l d w i d ed i f f i c u l tp r o b l e m f o ri t sc o m p o u n da n dc o m p l e xc o n v e r s i o np r o c e s so fe n e r g y t h i sp a p e r p r e s e n t sam o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l - g a st u r b i n e ( m c f c g t ) h y b r i ds y s t e m a st h es t u d yo b je c tt or e s e a r c ht h em e t h o do ft h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lb a s e do n n o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so fm c f c g th y b r i ds y s t e m t h ed e t a i l sa r el i s t e da s b e l o w ： ( 1 ) m o d e lb u i l d i n go fm c f c - g th y b r i ds y s t e m b a s e do nt h em e c h a n i s mm o d e l i n gm e t h o d ，al u m p e dp a r a m e t e rm o d e lo f m c f c g th y b r i ds y s t e mi sp r e s e n t e d t h es t a b l eo p e r a t i n ga n dt h ed y n a m i c 第l i l 贝 i ：海交通人学博l ：学位论文 a b s t r a c t 曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼i 一一； 曼i 曼皇舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍 r e s p o n s ep e r f o r m a n c eo ft h eh y b r i d s y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r ( 2 ) r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c so fm c f c g th y b r i ds y s t e mb a s e do n t o t a le n e r g yc o n c e p t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fm c f c g th y b r i ds y s t e ma t d i f f i r e n tw o r kc o n d i t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh y b r i ds y s t e mi s h i g h e f f i c i e n c yb u tt h ec h a n g er a n g eo fw o r kc o n d i t i o n si sn a r r o w t h ew o r k c o n d i t i o nc a nb ee x t e n d e db yav a r i a b l e s p e e dg a st u r b i n e h o w e v e r , t h i s m e t h o do fo p e r a t i o nw e a k e n st h ea c t i o no fb o t t o m i n gc y c l e t h ea d v a n t a g eo f h y b r i ds y s t e mc a n tb e e ng o o du s ef u l l y ( 3 ) r e s e a r c h o nd y n a m i c p e r f o r m a n c eo fm c f c g th y b r i ds y s t e m t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm c f c b a s e do nt h e d i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm c f c ，t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm c f c g th y b r i ds y s t e mi sp r e s e n t e d t h er e s u l t s s h o wt h eb e s tw o r k i n gp e r f o r m a n c eo fh y b r i ds y s t e ma p p e a r sa td e s i g n w o r k i n gc o n d i t i o n t h eh y b r i ds y s t e mn e e dl o n g e rt i m et os t a b i l i z a t i o nf o r e x t e m a ld i s t u r b a n t e 第1 v 贝 f ：海交通人学博f j 学位论文 a b s t r a c t ! ii 1 ；i i 曼曼曼曼曼曼詈皇曼曼曼皇曼鼍曼曼曼皇皇曼皇皇寡量皇量曼曼皇曼曼曼皇曼量皇葛 ( 4 ) e x p e r i m e n t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t so fm c f c ，c o m p r e s s o ra n d t u r b i n et op r o o ft h es i m u l a t i o nm o d e lo fm c f c g th y b r i ds y s t e mp a r t i a l l y t h es i m u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n o s c u l a t ev e r yw e l l ( 5 ) r e s e a r c h o nc o o r d i n a t e dc o n t r o lo fm c f c g t h y b r i ds y s t e m t h ec o n t r o ll e dp e r f o r m a n c eo fm c f c g th y b r i ds y s t e mi sv e r yc o m p li c a t e d a c c o r d i n gt ot h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fh y b r i ds y s t e m ，t h r e ec o o r d i n a t e d c o n t r o ls t r a t e g i e sa r ep r e s e n t e da n daf u z z yc o o r d i n a t e dc o n t r o l l e ri sb u i l t t h es i m u l a t i o no fc o n t r o lp e r f o r m a n c eo fh y b r i ds y s t e mr e s u l t ss h o wt h e c o n t r o lm e t h o di sg r e a ts t a b l e t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eb r i n g ss m a l l e r o v e r s h o o ta n ds h o r t e ra d ju s t i n gt i m e k e yw o r d s ：m c f c ，g a st u r b i n e ，h y b r i ds y s t e m ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e ， n o n l i n e a r , c o o r d i n a t e dc o n t r o l 第v 负 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： ，一、 乡年 | 7 ，7 月6 日 似施 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作糍：印铭趣指剥雠：翁甙 吼。7 年，7 月6 日 n， 日期： d 年7 月( 日 f ：淘交通人学博i j 学化论丈 第一一章绪论 ii t ii, m 皇曼舅曼量曼量曼皇曼舅舅 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着人们对经济性和环境保护意识的持续增长，要求发展能量利用率高、环保性 能良好的能源技术。具有高效、无污染的突出优点而被誉为“绿色能源”的燃料电池， 既适合于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站，是2 1 世纪最有吸引力 的发电方法之一u 圳。 燃料电池在反应过程中不涉及到燃烧，能量转换效率不受“卡诺循环”的限制，其 能量转换率高达6 0 - - 8 0 。但在实际使用中，当燃料电池独立运行时，其效率潜 能不能充分发挥。尤其是高温燃料电池( 工作温度在6 0 0 1 0 0 0 ) ，其排气温度高， 有很大的余热利用价值，这使它可以和其它动力装置组成各种联合循环系统，从而更 好地利用能源，大幅度地提高装置整体效率。因此高温燃料电池又被称为面向高质量 排气而进行联合开发的燃料电池【卯j 。 g r i l l o 掣1 0 j 分析和比较了多种高温燃料电池混合动力系统，结果表明，高温燃料 电池一燃气轮机( g t ) 混合动力系统是最佳的选择。因为微型燃气轮机发电经济性 好而且排放低，但其效率因受卡诺循环的限制而较低；而燃料电池发电具有高效、低 排放的潜能，但成本昂贵。将燃料电池和燃气轮机相结合组成的混合动力系统具有高 效、环境友好、发电成本较低以及可以独立供电等优点。而且，将燃料电池和传统发 电循环系统联合使用，能加快燃料电池技术的发展。因此，高温燃料电池一燃气轮机 混合动力系统自一提出就受到了人们的普遍重视，其显著特点使其被视作新一代能源 设备的希望之星，在未来发电领域具有广阔的应用前景。美国、日本和欧洲等国家纷 纷进行混合动力系统的商业化研发，我国也正在进行混合动力系统的基础研究【l l 】。 近几年来，许多高温燃料电池相继发电成功，以及燃气轮机的实验积累，都为建立高 温燃料电池一燃气轮机混合动力系统创造了条件，使得这类混合动力系统的研究也得 到了迅速发展l l 厶j 。 然而，高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统是一个复合过程、一个复杂的能量 转换过程。因而混合动力系统是被控特性很复杂的对象，其系统运行的稳定性、可靠 性、可用率都很大程度上依赖于高性能的控制系统，只有采用协调控制才能正常工作。 ， ：海交通人学博f ：学 、7 ：论文第一带绪论 但是，燃料电池工作过程是从燃料化学能转换为电能的电化学反应过程，伴随着内部 复杂的传热传质过程，高温燃料电池和燃气轮机构成的混合动力系统的工作过程更为 复杂。而目前对高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统的控制系统的研究还非常有 限，难以达到高的控制质量，甚至不能保证系统正常有效地长期工作。再加上高温燃 料电池一燃气轮机混合动力系统的动态特性至今未曾得到充分的研究，其协调控制始 终是一个悬而未决的难题。本课题拟在高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统性能研 究的基础上，对系统的非线性被控对象特性进行研究，探讨其非线性协调控制，提高 变工况适应能力和控制质量，为我国发展这类混合动力系统提供必要的技术准备，具 有非常重要的理论价值和现实意义。 1 2m c f c 的基本原理及研究现状综述 1 2 1m c f c 的基本原理及特点 1 2 1 1m c f c 的基本原理 燃料电池主要由电解质、燃料电极( 阳极) 和氧化剂电极( 阴极) 三个部分组成。 其中电解质的类型决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应 的化学物质。按电解质划分，燃料电池大致可分为五类【1 4 1 ： ( 1 ) 碱性燃料电池( a f c ) ，工作温度2 5 g , 0 1 0 0 ； ( 2 ) 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) ，工作温度8 0 1 0 0 ： ( 3 ) 磷酸盐酸性燃料电池( p a f c ) ，工作温度1 7 0 2 2 0 ； ( 4 ) 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) ，工作温度6 5 0 ： ( 5 ) 固体氧化物燃料电池( s o f c ) ，工作温度1 0 0 0 。 。 还有一种燃料电池的分类方法是按照电池的工作温度来分类，此时燃料电池可分 为：低温燃料电池( 工作温度在0 1 0 0 之间) ：中温燃料电池( 工作温度在1 0 0 - - 3 0 0 之间) 和高温燃料电池( 工作温度在6 0 0 以上) 。所以，通常称m c f c 和s o f c 为高温燃料电池。 燃料电池是一种能量转化装置，它能将化学能直接转化为电能，当发生氧化还原 反应时，伴随着电子的迁移，反应的过程即是能量转化的过程。一般燃料电池所发生 的氧化还原反应是相同的，都是采用氢气作为还原剂，氧气作为氧化剂，但对于不同 类型的燃料电池，由于电解质( 导电离子) 的不同，电极反应方程式是不相同的。如 陶1 1 所示为m c f c 的i 。作原列 f h h m l w i “”i 图1 1m c f c 工作原理示意图 f i g 】- 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f m c f c m c f c 的 u 橄反应为： m 极反府： h 2 + 1 2 c 0 3 ，c 0 2 + h 2 0 十2 e 垌极水l 转换( s h i f t ) 反心： c o + h 2 0 卜 c 0 2 + h 2 川极反应 总反应 ( 1 4 ) 如图1 一i 所示，燃料流经垣整反应后产生富集h 2 的气体，h 2 在刚极发牛氧化反 应，和电解质中的c 0 3 2 作j h 生成i t z o 和c 0 2 ，同时释放出电子；氧化剂流。p 的0 2 在阴极和c 0 2 作用并捕获电子，二成c 0 3 2 - 进入电解质，然后c 0 3 2 - 游离扩散到燃料 流的阳极，补充消耗的c o ，2 。极产生的电子通过外电路传到阴极，从而构成了一 个包括电子传输和离子移动在内的完整网路。燃料电池的燃料和氧化齐0 可以山外界源 源不断的供给，所以燃料电池可以持续的供电，这是燃料电池和普通化学电池最大的 区别，燃料电池的这种工作方式和各种热机相类似。 为确保电池稳定工芏续地r 作，；卉将在阳极产生的c 0 2 返叫到阴极。人们通常的 i ：海交通人学博l ：学化论文 第一章绪论 做法是，将电池阳极产生的c 0 2 经由外部循环输送到阴极，并在阴极被消耗掉。初 看，这增加了m c f c 电池的复杂性，是这种燃料电池的一个缺点。但是，也可以使 用下面这种方法克服上述缺点：把阳极排出的气体输送到一个燃烧室，燃烧室将任何 未利用的氢气或燃料气体转化为水和c 0 2 。然后，从燃烧室中排出的气体与新鲜空气 混合，再输送到阴极入口中。这种方法并不比其它类型的燃料电池复杂，因为这个过 程同时可以预热反应物空气，燃烧未使用的燃料，并将排除的废热以蒸汽的形式用于 底层循环或派作它用。 氢气是最早用于燃料电池的燃料，可以通过化石燃料、生物质气体、或其它燃料 的重整和处理来获取氢气，也可以通过电解水获得。所以，一些燃料电池系统的设计 还包括燃料的处理装置，以利用天然气、石油馏出物或煤气等燃料发电。一种最常用 的有效裂解碳氢化合物获得氢气的方法是进行水蒸气重整反应。对于甲烷含量较高的 天然气，其与水蒸气发生完全催化重整的反应过程如以下方程式所示： 甲烷与水蒸气重整反应： c h 4 + h2 0 3 h 2 + c o ( 1 - 5 ) 水气转换( s h i f t ) 反应： c o + h 2 0 c 0 2 + h 2 f 1 - 6 ) 总反应： c h 4 + 2 h 2 0 一4 h 2 + c 0 2 ( 1 - 7 ) 从上述方程可以看出，若想提高甲烷的转化率，防止碳的沉积，反应平衡应向右 移动，这就需要充足的水蒸气。因此，实际运行时水蒸气的供给比例要大于化学平衡 计量数( 通常水蒸气和碳的比值大于2 ) 。当温度接近6 5 0 - - 一7 0 0 时，重整反应不再 需要使用特殊的催化剂。而且，该重整反应是吸热反应，需要不断地从外界获取足够 的热量以使反应进行下去。对于高温燃料电池，其电化学反应所产生热为重整反应的 进行提供了理想的反应环境。 1 2 1 。2m c f c 的特点 自1 8 9 3 年英国的r g r o v e 爵士提出燃料电池的概念以来，燃料电池已经经历了 一百余年的发展历史，但近四十年来才得以真正的快速发展。燃料电池可以广泛地应 用于现代生活中密不可分的各种交通工具，如汽车、火车、轮船以及电脑、通讯设备 和其它用电设备。潜在的燃料电池市场可能超过计算机、电子晶片和软件业，发展成 第 4 页 l ：海交通人号：博l 。学位论文第一章绪论 曼曼曼! 曼鼍曼! 曼曼曼曼蔓曼曼曼皇鼍曼曼曼皇量曼曼曼皇曼皇! 鼍。 i , , i i 曼曼鼍曼皇曼璺曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼量曼曼! 曼曼曼曼曼 为有史以来规模最大的行业。燃料电池潜在的巨大商机完全是由其优越性能决定的。 其具有能量转换效率高、可靠性高、清洁无污染、噪声低、模块结构、积木性强、比 功率高等特点【1 5 ，16 1 。 作为高温燃料电池的m c f c ，除了具有一般燃料电池的优点外，还有如下特点 1 1 7 - 2 0 】： a 电池反应不需要用贵金属作催化剂，制造成本低； b c o 可以直接作为燃料； c 改质反应可在内部进行； d 杂质的耐受水平高，因而可以使用煤气化和生物质气化气体作为燃料； e 高工作温度加快了反应速度，减少了极化损失。排气品味高，可与燃气轮机、 汽轮机等组成高效的联合循环发电系统。 m c f c 又有着多种类型，根据加压方式可将其分为常压型和加压型两类；根据燃 料的来源，可将其分为内部重整和外部重整两类；根据燃料气体和氧化剂气体的流动 方向关系，可将其分为顺流型( 氧化剂气体和燃料气体的流动方向相同) 、对流型( 氧 化剂气体和燃料气体流动方向相反) 、直交流型三种( 氧化剂气体和燃料气体的流动 方向则成直角) 2 1 】。 m c f c 的发电效率可达到5 0 - - - - 6 0 ，而且其污染物排放远远低于火力发电设备， 既适用于作分布式电源，又可在将来组成大容量中心发电站。从其技术特点和发展趋 势看，m c f c 是未来民用电力的理想选择之一。 1 2 2m c f c 的研究现状 m c f c 在2 0 世纪5 0 年代初作为大规模民用发电装置引起了世界范围内的重视， 之后发展很快，到了8 0 年代，m c f c 被作为第二代地面用的燃料电池，成为近期实 现兆瓦级燃料电池电厂的主要研究目标。现在m c f c 的研究在国外已经进入早期商 业化阶段，主要集中在美国、日本、西欧等国家。美国f u e l c e l le n e r g y 、日本i h i 以 及德国的m t u 等公司正在推进m c f c 的商业化【2 2 2 5 】。 至今为止，最大的m c f c 发电装置是在1 9 9 4 年开始在美国s a n t ac l a r a 城建造的 2 m w 的示范电站。该电站由1 6 个1 2 5 k w 的电堆组成，发电效率为4 4 ，它的建成 为大规模m c f c 电站提供了有益的经验。美国对m c f c 的开发重点是对大容量兆瓦 级机组的开发，2 m w 内部改质型设备已经投运，并计划向2 5 0 k w 和2 8 m w 级联合 ：海交通人学博f j 学位论文 第一章 绪论 循环发电装置发展。受市场前景看好鼓舞，美国f u e l c e l le n e r g y 公司在2 0 0 4 年把 m c f c 的年生产能力从2 0 0 1 年的5 0 k w 提高到了4 0 0 k w l z 。 在德国，m t uf r i e d r i c h s h a f e n 公司已经建成了一种内部重整式的m c f c 堆发电装 置，该电池堆是由3 0 0 个交叉流型的单电池组成，其发电功率为2 5 0 k w ，总发电效 率超过了5 0 t 2 7 1 。德国还研制出一种使用污水废气为燃料的l k w 的m c f c 发电系统， 这种技术使污水废气成为1 0 0 的可回收利用资源【2 引。 m i y a k e 等【2 9 】建造了一台由6 2 个有效面积为4 8 4 6 c m 2 的单电池组成的m c f c 电 堆。该电堆连续稳定运行了2 0 0 0 小时，最大功率为3 5 k w 。日本还在1 9 9 5 年建造了 第一个外部重整式加压m c f c 发电装置，它是一个由4 个2 5 0 k w 的电池堆组成的 1 0 0 0 k w 级的m c f c 发电装置。这个装置的建造是为将来实现大型商业化m c f c 发 电系统做准备【3 0 】。日本m c f c 研究组合在“新阳光计划”支持下，于1 9 9 9 年8 月至2 0 0 0 年1 月完成了1 m w 级的m c f c 电站实验p 。其2 0 0 0 年至2 0 0 5 年的第三期工程侧 重于高压性能系统和几百k w 级模块的开发，加速了m c f c 的商业化进程。 荷兰、意大利、西班牙等国分别完成了1 0 k w 、1 0 0 k w 、2 8 0 k w 级m c f c 电堆 的开发【3 2 】。 在国内，燃料电池还处于研究的初期阶段，尚未建立实验电厂【3 引。从事m c f c 研究的主要有中科院大连化物所、长春应用化学研究所、上海交通大学等单位。大连 化物所从1 9 9 3 年开始对m c f c 的研究，实现了单电池发电，其电池电极板的面积 1 1 0 c m 2 , 电流密度1 0 0 m a c m 2 ，燃料利用率达到8 0 。上海交通大学已经研制成功千 瓦级的m c f c ，并实验发电，现在正在进行1 0 k w 和5 0 k wm c f c 电堆的研究。但是， 目前国内各研究单位比较独立，还没有形成系统，离商业化还有很长的一段距离。 鉴于m c f c 自身特点，实验运行费用非常高，且存在测量上的困难等问题，因 此，数值模拟成为其性能研究的重要手段。通过建立m c f c 数学模型，可以研究影 响电池运行的各种因素，也可以反映电池运行过程中的各种输出性能，是m c f c 研 究的一个重要手段，并可节约大量的资金。燃料电池的建模已经有二十多年的历史 【3 4 | ，模型按建模目的大致可以分为：局部模型、系统模型和控制模型。按照模型的 规模可分为电极模型、单电池模型、电堆模型、系统集成模型。按照建模的理论依据 可分为电化学模型、热力学模型、流体力学模型等。按照模型的几何和时间尺度不同 可分为集总参数、二维、三维模型，稳态、瞬态模型。其中电极模型和单电池模型是 各种模型的基础，电堆模型是研究的关键，建立系统集成模型是工程化和产业化的必 由之路3 5 - 4 8 1 。在m c f c 建模研究方面，m i t s u s h i m a1 4 9 】建立了m c f c 电堆的寿命模型， 分析了电堆结构与寿命的关系。b o s i o 等【5 0 】基于单电池模型建立了一个大规模多电池 第6贞 卜海交通大学博l j 学佗论文 第帝 绪论 串联的全尺寸电堆的三维模型，通过仿真研究，得到了在多种工作条件和不同电流时 的电压一电流曲线，研究还表明由于材料的高温热传导，使得除边界处的单电池外， 电堆中的其它单电池工作特性近似相同。f s t a n d a e r t t 5 1 l 建立了简单的静态、等温“基本 模型”，该模型与燃料电池类型无关，可作为所有以气体燃料和氧化剂的燃料电池单 体的通用模型。得到了电池电压与总的燃气利用率和电池电流间的双线性关系，获得 单体模型的解析解。其工作具有一定价值，但其全体积内等温的假设与实际是不相符 的，只能看作一种近似。仅当温度梯度对局部等效电动势与准欧姆电阻的影响可忽略 时才可应用该模型。h e 等用计算流体力学于1 9 9 5 年建立了一个三维、静态的电堆模 型，它给出了重要参数( 如温度、压力、浓度) 的计算，并考虑了物质传输、化学反 应、热传递和电压电流关系等电堆的主要过程。他在1 9 9 8 年又建立了一个三维、动 态的电堆模型，在w a t a n a b e 模型的基础上，考虑了瞬态时在不同堆结构下热的传递 和气体运动过程1 5 2 - 5 4 】。 1 3m c f c g t 混合动力系统研究现状综述 高温燃料电池燃气轮机混合动力系统是上世纪末、本世纪初刚刚兴起的一种高 效、环保的新型动力系统。为了获得高发电效率，混合系统中大部分的电能通常由燃 料电池产生( 通常占7 0 8 0 以上) 。根据系统组织结构的不同，混合动力系统的发 电效率为5 8 ( 小型混合装置) 到7 2 ( 大型混合装置) ，甚至可以达到8 0 ( 大型 混合联合循环系统) 1 5 5 - 6 0 】。同时，混合动力系统的排放指标( n o 。和c 0 ) 很低，可以 满足环保方面的要求。 1 3 1m c f c g t 混合动力系统的研究现状 如今，虽然m c f c 还没有完全实现商业化，但这并不影响为了对其高温排气进 行回收利用而设计的混合动力系统技术的研究。从文献来看，人们对m c f c 与燃气 轮机组成的混合动力系统进行了大量研究。最早成功开发出混合动力系统的是美国 w e s t i n g h o u s e 科技中心和北方研究和工程公司( n r e ) 。他们在1 9 9 5 年开发出了 2 2 0 k w 的混合动力系绀6 1 j 。第二代混合装置的开发任务是由t h en a t i o n a le n e r g y t e c h n o l o g yl a b o r a t o r y ( n e t l ) 承担的，他们的研究对象是2 0 m w 以下的混合动力系 统。这个项目涉及到美国和欧洲，项目一定程度上代表了世界燃料电池一燃气轮机混 合动力系统的发展水平和方向。项目要达到的目标是：到2 0 1 0 年，混合动力系统的 i ：海交通人学博i j 学位论文第一章绪论 转换效率达到7 0 以上( l o wh e a tv a l u e ，简称l h v ) ，按照燃料的高热值( h i g hh e a t v a l u e ，简称h h v ) 计算，转换效率达到5 3 以上。分布式发电的成本比现在低 1 0 - - 2 0 ；到2 0 1 5 年，混合动力系统的转换效率达到8 0 以上( l h v ) ，按照燃料的 高热值( h h v ) 计算的转换效率达到6 0 以上。 美国f u e l c e l le n e r g y 建立了一个常压下运行的底层循环式混合动力系统示范项 目。该示范项目由m c f c 和c a p s t o n ec 3 0 型微型燃气轮机( m g t ) 组成，功率为 2 1 0 k w ，发电效率为5 1 7 。该m c f c g t 混合动力系统已连续运行了2 9 0 0 小时， m c f c 单独运行已达6 8 0 0 小时。 日本在2 0 0 2 年启动了一个m c f c m g t 项目，该项目使用的m c f c 为3 3 0 k w ，m g t 为4 0 k w ，m c f c 运行压力为0 2 4 m p a ，燃料利用率为8 0 ，系统发电效率为5 5 ( 低 热值，l h v ) ，综合效率为7 5 ( l h v ) 6 2 】。为了实现中型的m c f c g t 高效混合动 力系统，日本正致力于加压式m c f c 系统的研剧6 3 】。l o b a c h o v 和r i c h t e r 预言将现有的 2 5 m w 的中型m c f c 力n - - 个间接燃烧式燃气轮机循环组成的混合动力系统的总热效 率可达到7 0 畔j 。 文献【6 5 】报道了一个2 0 0 k w 的间接燃烧式混合动力系统，系统中7 0 的功率由燃 料电池提供，剩下的3 0 由燃气轮机提供，该混合动力系统的效率为7 2 6 ( l h v ) 。 m a r u 等嘲】研究了一个常压型内部重整式m c f c 和g t 组成的2 0 m w 的间接燃烧式 混合动力系统，预测其期望效率可达7 5 。l i e s e 等对1 m w 的m c f c m g t 混合动力系 统进行研究时也得到了相似的结果1 6 。 s i m o n 等【6 副对m c f c g t 混合动力系统的稳态性能进行了仿真研究，结果显示， 混合动力系统的发电效率总能保证在5 0 5 5 以上，最高可达7 5 ，其中6 0 的功率由 m c f c 提供。 在意大利，有很多高校都在从事混合装置的研究，女 i p o l i t e c n i c o 大学动力系的 m a c c h i 和c a m p a n a r i 对2 5 0 0 k w 的m c f c g t 混合装置进行了仿真试验【6 9 】。l u n g h i 等7 0 】 对以天然气为燃料的m c f c 发电系统进行了研究，当使用m c f c - - 换热器混合动力系 统时，发电效率为5 9 。通过热力学性能分析，结果表明：系统的不可逆损失主要出 现在换热器和催化燃烧环节。当采用m c f c g t 底层循环式混合动力系统时，可得到 6 6 8 的发电效率。 目前，关于混合动力系统动态特性方面的研究相对较少，但随着对h s 动态特性 研究的发展，这方面的研究工作也在日益增加。美国t l en m i o n a le n e r g yt e c h n o l o y l a b 利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真平台研制出了适用于m c f c 混合动力系统的通用模 型。 i ： f 丁交通人学博l j 学化论史第市绪论 k o r t b e e k 等【7 1 】对2 5 0 k w 的m c f c 混合动力系统的仿真研究表明，当负载减少1 0 时，m c f c 电堆的电流下降约1 3 ，电压增加约3 ，系统在负荷变化后1 2 0 s 左 右稳定。 g r i l l o 等7 2 1 研究了多种分布式供能系统，这些系统是由m c f c 和涡轮增压器、燃 气轮机等动力装置组成的混合动力系统。文中对不同混合动力系统设计点工况下的效 率、比功率、发电成本、适应性等性能参数进行了分析和比较。并针对各种混合动力 系统提出了相应的改进方法，以改善和提高系统的发电性能。文中混合动力系统 1 0 0 1 5 0 k w 的发电规模非常适合应用于分布式供能系统。 为设计混合动力系统的控制系统，l i e s e 等【7 3 j 首先进行了一个5 0 0 k w 的m c f c 发电系统的动态仿真研究，在此基础上建立了一个1 m w 的m c f c g t 混合动力系 统。 在国内，对高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统的研究才刚起步，还处于理论 研究的初级阶段。杨华研究了一个1 m w 的外部重整m c f c 发电系统的动态特性，分 析了天然气流率、电流密度变化时系统的负荷能力，以及电堆与重整器之间的相互影 响1 7 引。上海交通大学也正在进行m c f c 与燃气轮机组成的混合动力系统的研究，所使 用的高温燃料电池是自行研制的m c f c 电堆。 总而言之，作为目前世界上最现金的高效、清洁发电方式之一的高温燃料电池一 燃气轮机组成混合动力系统已经呈现出诱人的发展前景，将会成为未来分布式电源系 统的一种重要形式。对m c f c g t 混合动力系统的研究具有非常重要的现实意义1 7 5 1 。 1 3 2m c f c g t 混合动力系统的控制系统研究现状 从国内外现有的资料和报道来看，目前对燃料电池和燃气轮机模型的研究比较 多，对燃料电池一燃气轮机混合动力系统的控制系统的研究却还很有限。美国d o e 首先将鲁棒( r o b u s t ) 控制方法运用到燃料电池技术中，随后其他一些国家也采用了 相类似的方法，并投入了大量的财力和资源 7 6 1 。 r o r ya r o b e r t s 等【77 j 通过两种建模方法对m c f c g t 的动态性能进行了分析比 较，所得混合动力系统的发电效率均为5 6 左右。为了维持系统的正常工作温度， 文中还对混合动力系统的控制策略进行了研究，所使用的是传统的p i d 控制器。但 该控制器仅能对小范围的燃料电池负荷扰动有一定控制作用，其系统鲁棒性和对负荷 变化的适应性较差。 j u r a d o1 7 8 j 对一个底层循环式的m c f c g t 混合动力系统的控制性能进行了研究。 卜海交通人学博l j 学f 髓论文第一章绪论 文中建立了集总模型，并利用燃气轮机的特性曲线建立了燃气轮机的仿真模型。文献 为了对混合动力系统进行鲁棒控制，在m c f c 电堆使用了一个p i 控制器。j u r a d o l 7 刿 还做了通过一个自适应最小变量控制器来对m c f c g t 混合动力系统进行控制的研 究。 g h e z e l a y a g h t 8 0 ，8 1j 等也进行了m w 级m c f c g t 混合动力系统的动态模型及仿 真分析，并使用了一个p i d 控制器，对系统在受到外界负荷干扰时进行控制。研究 结果表明，为使混合动力系统正常运行，其功率只能在额定功率的7 5 以上变化， 在此范围，系统的效率保持在5 0 以上。 国内目前对m c f c g t 混合动力系统控制系统的研究还几乎是一片空白。 综上所述，从国内外现有的资料和报道来看，对m c f c g t 混合动力系统的控制 系统的研究还刚刚开始，还有待进行深入的开发研究。 1 4 本文主要工作 高温燃料电池一燃气轮机混合动力系统的非线性特征及其协调控制问题是个世 界难题。本文的工作便是在国家自然基金：“燃料电池一燃气轮机混合动力系统非线 性对象的协调控制”( 5 0 3 7 6 0 3 8 ) 和教育部重点科研项目：“燃料电池一燃气轮机混合 动力系统动态特性及协调控制研究”( 1 0 4 0 7 8 ) 资助的基础上，结合本课题组现有研 究条件开展的。 本文以一个m c f c g t 混合动力系统为研究对象，立足于整个混合动力系统，在 分析系统非线性特性的基础上，进行协调控制研究。其主要研究内容及目标如下： ( 1 ) m c f c g t 混合动力系统的总能分析 本文所研究的m c f c g t 混合动力系统的性能包括热力学性能( 系统温度t 、压 力p 、工质流量q 等) 和电性能( 电流i 、电压v 、电阻值r 及电功率p 等) 。要在 保证混合动力系统热力学和电化学平衡的前提下，研究混合动力系统中热力学参数、 电负荷以及控制参数之间的匹配关系。所以，在确定好系统组成结构后，本文首先进 行了系统组成部件的热力学参数和发电功率的匹配研究。全面评价了m c f c 循环与 g t 循环组成的新型混合动力系统循环的应用范围及特点，研究在额定负荷、部分负 荷情况下循环系统的效率，对混合动力系统进行总能分析。 f j 海交通人学博 j 学化论文第一章绪论 ( 2 ) m c f c g t 混合动力系统数学模型的建立及其非线性特性分析 m c f c g t 混合动力系统是一个复合过程，是一个复杂的能量转化过程。主要表 现为燃料电池动态特性受到各种因素的影响，是一个可变的、复杂的和相对慢速的响