一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统转让专利
申请号 : CN202011634102.0
文献号 : CN112820913B
文献日 : 2021-11-12
发明人 : 赵青 , 张宸 , 王勤 , 吴荣生
申请人 : 宁波申江科技股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,包括燃料供给模块、甲醇重整模块、燃料电池模块、储能模块及控制模块;
所述控制模块与燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块通信连接;
所述控制模块以储能模块输出功率PB、燃料电池输出功率Pmfc之和作为需求功率Pr和/或储能模块剩余容量数值SOC以实现对燃料供给模块、燃料电池模块分别进行控制,控制步骤如下:
1)对需求功率值进行功率区域化处理,形成需求功率区域变量Ui;
2)根据储能模块剩余容量数值进行剩余容量区域化处理,形成剩余容量区域变量Cj;
3)当功率区域变量Ui和/或剩余容量区域变量Cj变化时,根据相应的需求功率区域值与和/或剩余容量区域值与f(Ui,Cj)规则数据库进行比对得出对应燃料电池输出功率;
4)迟滞预定时间后,再对燃料电池DCDC的输出进行调整,同时调节燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量。
2.根据权利要求1所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,将用户需求功率区域化处理为至少5个,将剩余容量区域化处理为至少4个。
3.根据权利要求2所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,将所述功率区域变量Ui分为n个子集Ui,i=1……n,将所述剩余容量区域变量Cj分为n个模子集Cj,j=1……n,任一对组合(Ui,Cj)推理得到控制模块的信号的模糊子集Pmfcx,x=1……n,从而形成模糊推理规则((Ui,Cj)‑‑Pmfcx)。
4.根据权利要求3所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,所述需求功率区域变量为Ui,U={U1,U2,……,Un‑1,Un}其中U1为[0~
0.3Pmax],U1为非灵敏区,U2~Un为高效区;
所述剩余容量区域变量Cj,C={C1,C2,……,Cn‑1,Cn},其中C1为[0~0.7Pmax],C1为风险区,C2~Cn‑1为正常区,Cn为[0.9‑1Pmax];Cn为警戒区;
其中,系统的最大输出功率为Pmax。
5.根据权利要求4所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,当Ui不变,Cj变化时,所述迟滞时间为0;当Ui变化,Cj不变时,所述迟滞时间为1.5‑3分钟。
6.根据权利要求1所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,功率调整速率为0.005Pmax/s‑0.02Pmax/s。
7.根据权利要求1所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,所述甲醇重整模块与燃料电池模块连接,为燃料电池提供氢气,同时燃料电池未利用的氢气进入甲醇重整模块进行燃烧。
8.根据权利要求1所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,所述控制模块采集储能模块剩余容量、电流、电压、功率等数据,采集燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气流量并进行调节,采集燃料电池模块的参数并控制DCDC的调节。
9.根据权利要求8所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,甲醇重整燃料电池降低输出功率步骤为a:接收到降低输出功率指令后,首先调节燃料泵,降低甲醇水的输入量,甲醇水先降到目标值Q的80~90%,然后再升到目标值Q进而降低燃料电池系统的输出功率。
10.根据权利要求8所述的一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统,其特征在于,甲醇重整燃料电池升高输出功率步骤为b:接受到升高输出功率指令后,首先调节燃料泵,增加甲醇水的进液量,甲醇水先升到目标值Q的110~120%,然后再降到目标值Q提高燃料电池系统的输出功率。
说明书 :
一种甲醇重整燃料电池发电系统变动负载工况下的控制系统
技术领域
背景技术
电堆的高功率密度、高能效特点;同时,采用甲醇作为燃料电池输入能源,氢气即产即用,避
免了氢气储存过程中的高压危险、运输过程中的效率低下及使用成本高等问题。甲醇水蒸
气重整反应是一个吸热反应,所以需要外部提供热源,以维持重整吸热以及原料预热所需
的能量,为了提高系统效率,通常使用燃料电池未利用的氢气通过回烧利用方式给甲醇重
整系统供热,燃烧尾气和燃料电池高温废气通常以给原料预热的方式进行回收热量,所以
其是一个多热质传输的系统,但传热传质是一个相对缓慢的过程,系统输出功率调节也是
缓慢的,所以燃料电池输出频繁变化会影响甲醇重整燃料电池系统运行的稳定性。
启动期间给用户需求功率供电,同时提供系统启动同电。在很多移动用电场合,例如房车、
移动设备检测车、军用指挥车辆,受用户使用习惯、环境和空调的影响其用户需求功率通常
是变化的,用电也是间断的;为了减小体积重量,甲醇燃料电池系统内部配备的储能模块容
量有限,需要储能模块一直保持较佳的剩余容量,以备下次启动用。
发明内容
状态,弥补甲醇重整燃料电池系统响应慢的缺点,规避变动用户需求功率对甲醇重整燃料
电池系统的冲击,满足用户全域变动用户需求功率和间断用电需求,又能保证整个发电系
统高效、平稳运行;特别在作为孤岛型发电系统使用,或者无基础电力的移动式用电场合,
需要让系统始终维持较佳状态。
制模块;
控制步骤如下:
率;
用电设备小范围功率波动对甲醇重整燃料电池系统的影响,同时又能在一定程度上响应用
户需求功率变化,及时调整甲醇重整燃料电池系统的输出功率;对储能模块剩余容量进行
区域化处理,能够有效减少甲醇重整燃料电池调整频率,减少系统内部温度和流量的波动
性,让发电系统能够高效、平稳运行,同时又能让储能模块维持在较佳状态;采用燃料电池
输出迟滞性调整方法能够有效过滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干
扰。
通过与f(Ui,Cj)模糊规则数据库进行比对得出对应燃料电池输出功率,多组区域的划分,
能够提升系统的适用性以及功能性。
块的信号的模糊子集Pmfc,m=1……n,从而形成模糊推理规则((Ui,Cj)‑‑Pmfc)。
功率变化,及时调整甲醇重整燃料电池系统的输出功率,同时能够有效过滤部分用电设备
短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰,又能保持储能电池的较佳荷电状态。
重整产生的氢气急剧消耗导致燃料电池极化损伤,回烧氢气量不足导致甲醇重整温度不
够;同时也不会因为甲醇重整产生的氢气急剧过剩,导致回烧的氢气急剧增加而引起甲醇
重整温度过高,进而增加尾气中CO的含量,毒化燃料电池的电极。
系统的系统效率,同时避免有害或者可燃气体的排放。
参数并控制DCDC的调节。
然后再升到目标值Q进而降低燃料电池系统的输出功率。通过上述改进,能短时中和降载过
程中燃料电池内部残余氢气过多的状况,防止未利用氢气过多进入甲醇重整模块燃烧,导
致急剧升温的状况,保征系统降载过程平稳过渡。
120%,然后再降到目标值Q。通过上述改进,能迅速弥补加载过程中燃料电池内部氢气不足
的状况,减小因燃料不足导致电极极化损伤,同时防止回烧氢气不足导致甲醇重整模块温
度过低,保征系统加过程平稳过渡。
重整燃料电池系统的输出功率;对储能模块剩余容量进行区域化处理,能够有效减少甲醇
重整燃料电池调整频率,减少系统内部温度和流量的波动性,让发电系统能够高效、平稳运
行,同时又能让储能模块维持在较佳状态;采用燃料电池输出迟滞性调整方法能够有效过
滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰;
求功率;
高效、平稳运行。特别在作为孤岛型发电系统使用,或者无基础电力的移动式用电场合,需
要让系统维持较佳状态,防止下次启动时无法提供启动用电和用户需求功率供电,导致设
备瘫痪。
附图说明
具体实施方式
控制步骤如下:
率;
模块、燃料电池模块、储能模块与控制模块通信连接。
运行阶段,甲醇重整燃料电池系统与储能模块对用户需求功率进行耦合供电,储能模块慢
充、慢放能够有效的减少甲醇重整燃料电池输出调整频率,减少系统内部温度和流量的波
动性,让发电系统能够高效、平稳运行。特别在作为孤岛型发电系统使用,或者无基础电力
的移动式用电场合,需要让系统维持较佳状态,防止下次启动时无法提供启动用电和用户
需求功率供电,导致设备瘫痪。
余容量数值进行剩余容量区域化处理。当功率区域Ui或剩余容量区域Cj变化时,根据用户
需求功率区域、剩余容量区域进行数据库比对得出对应燃料电池输出电流数值,迟滞一定
时间后,对燃料电池的DCDC输出进行调整,同时调节燃料供给模块中甲醇水的进液量、空气
流量。通过对需求功率进行区域化处理,能够有效规避用电设备小范围功率波动对甲醇重
整燃料电池系统的影响,同时又能在一定程度上响应用户需求功率变化,及时调整甲醇重
整燃料电池系统的输出功率;对储能模块剩余容量进行区域化处理,能够有效减少甲醇重
整燃料电池调整频率,减少系统内部温度和流量的波动性,让发电系统能够高效、平稳运
行,同时又能让储能模块维持在较佳状态;采用燃料电池输出迟滞性调整方法能够有效过
滤部分用电设备短时通断对甲醇重整燃料电池系统的干扰。
气量会发生相应变化,产氢不足时会损伤燃料电池电极,另一方面回烧氢气过多时,热点的
产生容易导致甲醇重整尾气中CO含量过大,进而毒化燃料电池电极,降低了系统运行的稳
定性,影响系统使用寿命。同时系统调节频率过高,使得系统稳定性降低,也会使得系统的
燃料利用率降低,降低系统效率。
Pmfcx,x=1……n,从而形成模糊推理规则((Ui,Cj)‑‑Pmfcx)。
最大输出功率为Pmax。用户需求功率区域函数为Ui,U={U1,U2,U3,U4,U5}其中U1为[0~
0.3Pmax],U2为[0.3~0.5Pmax],U3为[0.5~0.7Pmax],U4为[0.7~0.9Pmax],U5为[0.9~
1Pmax],其中U1为非灵敏区,其范围略大于其他区域范围,此功率段甲醇重整燃料电池系统
的发电效率较低,燃料电池系统输出功率设置大于0.3Pmax,此区域段的系统几乎不响应。
U2~U5为高效区,此功率段甲醇重整燃料电池系统的发电效率较高。储能模块剩余容量区
域函数为Cj,C={C1,C2,C3,C4,C5},其中C1为[0~0.7Pmax],C2为[0.7~0.8Pmax],C3为
[0.8~0.85Pmax],C4为[0.85~0.9Pmax],C5为[0.9~1Pmax],通常移动式应用场合要求体
积小、重量轻,不会配备较多的储能电池,其中C1区域范围较大,此区域剩余电量不足会影
响下次启动以及缩短待机时间,C2~C4正常区。其中C5为高风险区域,此区域电池荷电量比
较足,无法接受短时大电流,如果用户关闭突然负载,燃料电池电能无处释放,会导致系统
损坏。
电池快速充电;随着蓄电池充电的进行,0.8<SOC<0.85,根据U1,C3,比对数据库中燃料电
池输出功率得出Pfc2,Pfc2≈0.05Pmax+Pr,该状况下用户用电仍单独由燃料电池提供,并
对蓄电池小电流充电,其中Pfc5降到Pfc2过程中,不延时,迅速执行步骤a;随着充电进一步
进行,SOC>0.9时,根据U1,C5,比对数据库中燃料电池输出功率得出为Pfc1,Pfc1≈Pr‑PB,
开始消耗蓄电池的用电,随着持续消耗蓄电池电量,SOC<0.85时,此时根据模糊数据库规
则C1,C4,燃料电池需要增大功率对蓄电池充电,执行步骤b,如此反复循环。在整个过程中,
燃料电池调节次数较少,系统平稳时间长,满足客户用电功率的同时,又能使电池处于良好
的荷电状态,另外以合理的速度升降载,可以使系统平稳的达到需求功率。
用电设备(时间为20S),根据规则库数据燃料电池输出为Pfc15,此时应调节Pfc,但是由于
设置延时判断时间为2min,系统并不会执行步骤a。所以延时调节能有效过滤掉用户需求功
率短期变化带来的干扰,另外甲醇重整燃料电池系统升降载过程中需要额外提高温度,会
降低系统发电效率,所以延时调节一定程度上能保证系统的高效、稳定性。
降低燃料电池系统的输出功率。能短时中和降载过程中燃料电池内部残余氢气过多的状
况,防止未利用氢气过多进入甲醇重整模块燃烧,导致急剧升温的状况,保征系统降载过程
平稳过渡。
能迅速弥补加载过程中燃料电池内部氢气不足的状况,减小因燃料不足导致电极极化损
伤,同时防止回烧氢气不足导致甲醇重整模块温度过低,保征系统加过程平稳过渡。
护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。