多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统及其电压均衡控制方法

本发明涉及高温燃料电池和新能源，尤其涉及一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统及其电压均衡控制方法。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(sofc)是一种工作在高温环境下的能量转换装置，它通过电化学反应将燃料电池中的化学能直接转化为电能，具有高效率、低污染等显著优点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电技术之一。对于小功率应用场景，单堆燃料电池系统可以满足功率需求，控制简单、可靠性比较强，对于大功率场合，需要多个燃料电池堆并联实现大功率电流输出，来满足负载功率需求。但是固体氧化物燃料电池随着运行时间的增长会出现镍粒子半径逐渐增长，导致阳极有效活化三相界面(triple phase boundary，tpb)的密度变大，从而使得阳极活化损耗增加进而导致燃料电池输出电压降低，影响多堆sofc燃料电池系统的效率。所以需要提出一个控制方法来减小燃料电池的衰退速率，在保证高效率的同时确保系统安全稳定的运行。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供了一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统及其电压均衡控制方法，用以解决背景技术存在的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、第一方面，本发明构建了一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统，包括：多堆衰退固体氧化物燃料电池系统、功率分配器、电压均衡控制器和锂电池组；

4、所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统与所述功率变换器连接，用于提供电源；

5、所述功率变换器与所述电压均衡控制器连接，用于获取所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统的输出功率；

6、所述电压均衡控制器与所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统连接，用于控制所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中每个固体氧化物燃料电池电堆的输出电压相等，实现各固体氧化物燃料电池电堆间的电压均衡控制；

7、所述锂电池组与所述功率变换器并联，用于稳定母线电压并且提供电源；

8、进一步地，所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统包括至少两个固体氧化物燃料电池电堆，所述功率变换器包括至少两个直流功率变换器，且每个固体氧化物燃料电池电堆对应与一个直流功率变换器连接。

9、进一步地，所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统包括燃料供应子系统、空气供应子系统、高温热箱、换热器、固体氧化物燃料电池电堆和燃烧室；

10、所述燃料供应子系统与所述换热器连接，用于向所述固体氧化物燃料电池电堆供应燃料；

11、所述空气供应子系统与所述换热器连接，用于向所述固体氧化物燃料电池电堆供应空气；

12、所述换热器与所述燃烧室连接，用于改变空气和燃料的温度；

13、所述固体氧化物燃料电池电堆与所述换热器连接，用于接收燃料和空气，并进行反应产生电能；

14、所述燃烧室与所述固体氧化物燃料电池连接，用于为未反应干净的空气和燃料提供继续燃烧的场所；

15、所述高温热箱用于盛装所述热交换器、固体氧化物燃料电池电堆和燃烧室。

16、值得一提的是，所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中包括的至少两个固体氧化物燃料电池电堆是并联结构，并且每个固体氧化物燃料电池电池都会配备一个功率变换器，这样当其中一个燃料电池出现故障之后，不影响其他燃料电池的正常工作。

17、第二方面，本发明提供了一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统电压均衡控制方法，应用于第一方面的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统中。

18、进一步地，所述电压均衡控制方法是应用在多个固体氧化物燃料电池电堆由于衰退程度不同而导致各电堆之间性能存在差异的情景下。

19、进一步地，所述多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统电压均衡控制方法，包含如下步骤：

20、步骤301、采集相应信号：先利用电压均衡控制器采样相应信号，然后通过电压均衡控制器内置的电压均衡控制算法得到每个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值、输入空气流量值以及输入燃料流量值，并将所述每个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值发送至所述功率变换器，将所述输入燃料流量值和输入空气流量值，发送至所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统；

21、步骤302、进行电堆电压均衡控制：通过功率变换器根据接收到的每个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值，控制所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中每个固体氧化物燃料电池电堆的电压输出量，实现各固体氧化物燃料电池电堆间的电压均衡控制。

22、进一步地，所述相应信号包括：多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中每个固体氧化物燃料电池电堆的功率输出电压和输出电流、功率变换器输出电流、负载电流、总线电压和多堆衰退固体氧化物燃料电池系统温度。

23、进一步地，电压均衡控制器通过内置的电压均衡控制算法得到每个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值，具体是通过如下计算式得出：

24、

25、

26、其中：为多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中两个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值；vfc1、vfc2为多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中两个固体氧化物燃料电池电堆的输出电压值；vset为电压均衡算法得到的设定电压值；为电压均衡控制器的比例增益；为电压均衡控制器的积分增益；i*为多堆衰退固体氧化物燃料电池系统达到负载需求的输入电流；为期望的负载功率。

27、进一步地，电压均衡控制器通过内置的电压均衡算法得到燃料流量值、输入空气流量值，具体是通过如下计算式得出：

28、

29、其中：为输入燃料流量值；fair为输入空气流量值；分别为的最小值和最大值；fair，min、fair，max分别为fair的最小值和最大值；ud为燃料利用率设定值；ar为空气过量比设定值；fair，f为反馈空气流量值；tsofcs为燃烧室温度；为燃烧室设定温度；ki、kp分别为pid控制器的积分增益和比例增益；f为法拉第常数；为多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中两个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值之和。

30、与现有技术相比，本发明的优点如下：通过对多堆衰退固体氧化物燃料电池系统配置电压均衡控制器，并在电压均衡控制器中采用相应的控制算法，可以有效完成电压均衡控制，从而获得高效稳定的混合发电系统。

技术特征：

1.一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：包括多堆衰退固体氧化物燃料电池系统(101)、功率变换器(102)电压均衡控制器(104)和锂电池组(105)；

2.根据权利要求1所述的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统(101)包括至少两个固体氧化物燃料电池电堆(1015)，所述功率变换器(104)包括至少两个直流功率变换器，且每个固体氧化物燃料电池电堆(1015)均与一个直流功率变换器连接。

3.根据权利要求1所述的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统，其特征在于：所述多堆衰退固体氧化物燃料电池系统(101)包括燃料供应子系统(1011)、空气供应子系统(1012)、高温热箱(1013)、换热器(1014)、固体氧化物燃料电池电堆(1015)和燃烧室(1016)；

4.一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统电压均衡方法，应用于如权利要求1至3任一权利要求所述的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统系统，其特征在于，包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统电压均衡控制方法，其特征在于，所述相应信号包括多堆衰退固体氧化物燃料电池系统(101)中每个固体氧化物燃料电池电堆的功率输出电压和输出电流、功率变换器输出电流、负载电流、总线电压和多堆衰退固体氧化物燃料电池系统温度。

6.根据权利要求4所述的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统电压均衡控制方法，其特征在于，电压均衡控制器(104)通过内置的电压均衡控制算法得到每个固体氧化物燃料电池电堆所对应的功率变换器输入电流值，具体是通过如下计算式得出：

7.根据权利要求4所述的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统电压均衡控制方法，其特征在于：电压均衡控制器(104)通过内置的电压均衡控制算法得到输入燃料流量值、输入空气流量值，具体通过如下计算式得出：

技术总结本发明公开了一种多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统及其电压均衡方法，所述系统包括多堆衰退固体氧化物燃料电池系统、功率变换器、电压均衡控制器锂电池组；多堆衰退固体氧化物燃料电池系统与功率变换器连接，用于提供电源；功率变换器与电压均衡控制器连接，用于获取多堆衰退固体氧化物燃料电池系统的输出功率；电压均衡控制器与多堆衰退固体氧化物燃料电池系统连接，用于控制多堆衰退固体氧化物燃料电池系统中每个电堆的输出电压，实现电压均衡控制；锂电池组与功率变换器并联，用于稳定母线电压并且提供电源。本发明提供的多堆衰退固体氧化物燃料电池发电系统及其电压均衡控制方法，具有高效、稳定的特点。技术研发人员：许元武,唐睿峰,尹杰受保护的技术使用者：武汉科技大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18