本發(fā)明涉及燃料電池空氣供給系統(tǒng)，特別涉及一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源危機(jī)的加劇和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，尋找清潔、高效、可持續(xù)的能源成為了全球共同的目標(biāo)。氫能具有來源豐富、應(yīng)用廣泛、燃燒熱值高、清潔綠色等特點(diǎn)，是目前最有潛力替代傳統(tǒng)化石能源的“未來”能源之一。

2、氫燃料電池是將氫氣和氧氣反應(yīng)的電化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，具有功率密度大、工作溫度低、無污染等諸多優(yōu)勢，以氫燃料電池為動力裝置的電動車輛也在迅速發(fā)展。近幾十年來，世界各地對其進(jìn)行了廣泛的研究，空氣供給系統(tǒng)一般由空氣壓縮機(jī)、加濕器、電堆、背壓閥以及它們的連接管路組成，是燃料電池的重要組成部分。質(zhì)子交換膜燃料電池的效率和使用壽命很大程度上取決于空氣供給系統(tǒng)的控制性能。高壓氫燃料電池系統(tǒng)能夠提高氫燃料電池的系統(tǒng)效率，但同時也增加了輔助設(shè)備(空氣壓縮機(jī))的損耗，其損耗可達(dá)到系統(tǒng)總功率的20％。當(dāng)氫燃料電池用于儲能發(fā)電時，需求功率往往以兆瓦為單位，此時需要多臺氫燃料電池串聯(lián)運(yùn)行來滿足所需功率。這種情況下，可以采用集中供氣的解決方案，即選用一個大功率螺桿式空壓機(jī)和大容量的空氣緩沖罐，空壓機(jī)向緩沖罐輸送壓縮空氣，再由空氣緩沖罐向各個電堆空氣路入口供氣。多個電堆采用空氣集中供應(yīng)的系統(tǒng)，多個電堆只需配一臺壓縮機(jī)，降低儲能發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，同時必然降低了氫燃料電池的寄生功率，從而提高系統(tǒng)凈輸出功率，提高了能量的利用效率。

3、與傳統(tǒng)氫燃料電池空氣供給系統(tǒng)控制一樣，對于多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，也需對各個電堆的進(jìn)氣流量和陰極壓力進(jìn)行協(xié)同控制，以保證系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行，同時提高系統(tǒng)的凈輸出功率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個電堆儲能發(fā)電時，空氣集中供應(yīng)時的各個氫燃料電池的陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力的協(xié)同控制。

2、本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，包括兩個以上電堆6和進(jìn)入電堆的空氣管路，空氣管路上依次布置空氣壓縮機(jī)1、中冷器2、空氣緩沖罐3、狀態(tài)觀測器和狀態(tài)反饋控制器，每個電堆6出入口處均設(shè)置有節(jié)氣門5；所述的狀態(tài)反饋控制器用于得到狀態(tài)反饋控制量，將陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力面向控制的模型線性化，利用運(yùn)用lqr理論求解系統(tǒng)最優(yōu)的反饋矩陣，進(jìn)而得到狀態(tài)反饋控制量；所述的狀態(tài)觀測器，用于對陰極內(nèi)部壓力值和系統(tǒng)擾動進(jìn)行估計(jì)得到集總誤差，將狀態(tài)反饋控制量和集總誤差輸入到控制器中得到系統(tǒng)實(shí)際控制量，將實(shí)際控制量輸入到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各個電堆陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力的解耦控制。

4、具體的，所述的狀態(tài)反饋控制器用于得到狀態(tài)反饋控制量，具體包括如下步驟：將陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力面向控制的模型線性化，利用運(yùn)用lqr理論求解系統(tǒng)最優(yōu)的反饋矩陣，進(jìn)而得到狀態(tài)反饋控制量；

5、所述的陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力面向控制的模型如式(1)所示，

6、

7、具體的，所述的狀態(tài)觀測器，用于對陰極內(nèi)部壓力值和系統(tǒng)擾動進(jìn)行估計(jì)得到集總誤差：

8、所述的陰極進(jìn)氣流量擴(kuò)張狀態(tài)觀測器如式(2)

9、

10、式中為陰極進(jìn)氣流量的估計(jì)值，為陰極進(jìn)氣流量擾動的估計(jì)值；

11、所述的陰極壓力擴(kuò)張狀態(tài)觀測器如式(3)

12、

13、具體的，將狀態(tài)反饋控制量和集總誤差輸入到控制器中得到系統(tǒng)實(shí)際控制量，所述的控制器如公式(4)所示，

14、

15、本發(fā)明還有一個目的是提供一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)控制方法，包括如下步驟：

16、通過狀態(tài)反饋控制器計(jì)算得到狀態(tài)反饋控制量，具體包括如下步驟：將陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力面向控制的模型線性化，利用運(yùn)用lqr理論求解系統(tǒng)最優(yōu)的反饋矩陣，進(jìn)而得到狀態(tài)反饋控制量；

17、所述的陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力面向控制的模型如式(1)所示，

18、

19、通過狀態(tài)觀測器對陰極內(nèi)部壓力值和系統(tǒng)擾動進(jìn)行估計(jì)得到集總誤差：

20、所述的陰極進(jìn)氣流量擴(kuò)張狀態(tài)觀測器如式(2)

21、

22、式中為陰極進(jìn)氣流量的估計(jì)值，為陰極進(jìn)氣流量擾動的估計(jì)值；

23、所述的陰極壓力擴(kuò)張狀態(tài)觀測器如式(3)

24、

25、將狀態(tài)反饋控制量和集總誤差輸入到控制器中得到系統(tǒng)實(shí)際控制量，所述的控制器如公式(4)所示，

26、

27、將實(shí)際控制量輸入到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各個電堆陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力的解耦控制。

28、作為本發(fā)明更優(yōu)的技術(shù)方案，使用pid控制器實(shí)現(xiàn)對空氣緩沖罐壓力快速穩(wěn)定的控制。

29、本發(fā)明還有一個目的是提供一種燃料電池，包括上述多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)。

30、本發(fā)明還有一個目的是上述燃料電池應(yīng)用于儲能發(fā)電設(shè)備。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要如下：

32、本發(fā)明提供的空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)提出了多個電堆用一臺空氣壓縮機(jī)集中供氣的結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的寄生功率，提高了系統(tǒng)的凈輸出功率，且降低了系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池在大規(guī)模儲能發(fā)電端的應(yīng)用；對各個電堆陰極進(jìn)氣流量的平穩(wěn)控制，防止因供氣管道壓力波動帶來的流量劇烈波動；。

33、本發(fā)明提供的控制方法采用eso狀態(tài)觀測器與lqr狀態(tài)反饋相結(jié)合的策略，用于跟蹤各個電堆陰極進(jìn)氣流量和陰極壓力，不僅具有簡單且直觀的結(jié)構(gòu)和良好的性能，而且對未知的模型不確定性和擾動具有較強(qiáng)的魯棒性。

技術(shù)特征：

1.一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于：包括兩個以上電堆和進(jìn)入電堆的空氣管路，空氣管路上依次布置空氣壓縮機(jī)、中冷器、空氣緩沖罐、狀態(tài)觀測器和狀態(tài)反饋控制器，每個電堆出入口處均設(shè)置有節(jié)氣門；所述的狀態(tài)反饋控制器用于得到狀態(tài)反饋控制量，將陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力面向控制的模型線性化，利用運(yùn)用lqr理論求解系統(tǒng)最優(yōu)的反饋矩陣，進(jìn)而得到狀態(tài)反饋控制量；所述的狀態(tài)觀測器，用于對陰極內(nèi)部壓力值和系統(tǒng)擾動進(jìn)行估計(jì)得到集總誤差，將狀態(tài)反饋控制量和集總誤差輸入到控制器中得到系統(tǒng)實(shí)際控制量，將實(shí)際控制量輸入到系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各個電堆陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力的解耦控制。

2.如權(quán)利要求1所述的多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于：所述的狀態(tài)反饋控制器用于得到狀態(tài)反饋控制量，具體包括如下步驟：

3.如權(quán)利要求1所述的多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于：所述的狀態(tài)觀測器，用于對陰極內(nèi)部壓力值和系統(tǒng)擾動進(jìn)行估計(jì)得到集總誤差；

4.如權(quán)利要求1所述的多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于：所述的控制器如公式(4)所示，

5.一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

6.如權(quán)利要求5所述的多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)控制方法，其特征在于：使用pid控制器實(shí)現(xiàn)對空氣緩沖罐壓力快速穩(wěn)定的控制。

7.一種燃料電池，其特征在于：包括如權(quán)利要求1所述的多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)。

8.一種儲能發(fā)電設(shè)備，其特征在于：包括如權(quán)利要求7所述的燃料電池。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明的目的是提供一種多堆式氫燃料電池空氣集中供應(yīng)系統(tǒng)及控制方法，首先面向控制的系統(tǒng)模型存在未建模動態(tài)，且系統(tǒng)中存在的不確定性以及外界干擾，采用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器對陰極內(nèi)部壓力值和系統(tǒng)擾動進(jìn)行估計(jì)；構(gòu)建陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力的狀態(tài)空間方程，并將其線性化；求解系統(tǒng)最優(yōu)的反饋矩陣，進(jìn)而得到狀態(tài)反饋控制量；根據(jù)狀態(tài)反饋控制量和狀態(tài)觀測器觀測到的集總誤差，得到系統(tǒng)實(shí)際控制量，將其輸入到系統(tǒng)中完成電堆陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力解耦控制，實(shí)現(xiàn)多個電堆儲能發(fā)電時，空氣集中供應(yīng)時各個氫燃料電池陰極進(jìn)氣流量與陰極壓力的協(xié)同控制。

技術(shù)研發(fā)人員：高金武,秦亞朝,隋振,陳虹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14