基于PEMFC的冷熱電聯(lián)供空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模研究

王 茹，陶澤炎，衛(wèi) 東

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州310018)

基于PEMFC的冷熱電聯(lián)供空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建模研究

王 茹，陶澤炎，衛(wèi) 東

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州310018)

燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有多變量、非線性、多回路強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。基于空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)設(shè)計(jì)了燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，提出了對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的控制策略：采用模糊PID融合控制使PEMFC電堆工作性能最優(yōu)，對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)送風(fēng)管網(wǎng)建立了熱量平衡和物質(zhì)傳輸機(jī)理模型，采用前饋解耦方法實(shí)現(xiàn)送風(fēng)管網(wǎng)的解耦控制。

質(zhì)子交換膜燃料電池；冷熱電聯(lián)供；模糊PID；前饋解耦

冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是指以小規(guī)模、小容量、模塊化和分散式的方式布置在用戶附近，可將燃料同時(shí)轉(zhuǎn)化成電力、熱水或者蒸汽以及冷水的高效能源供應(yīng)系統(tǒng)。冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)符合能源梯級(jí)利用的原則，具有高效環(huán)保的特征，是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1-2]。在冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的效率遠(yuǎn)超出其他燃料電池，適合作為小規(guī)模建筑聯(lián)供系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)。PEMFC的工作效率以及對(duì)它的控制策略直接影響到PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的工作效率。而其內(nèi)部溫濕度的正常與否直接影響電堆的輸出功率和安全性，因此對(duì)電堆內(nèi)部的濕度進(jìn)行控制具有重要意義。

近年來，已有多篇對(duì)燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的論文[3-9]，這些文獻(xiàn)綜述了燃料電池分布式冷熱電聯(lián)供技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析對(duì)比了PEMFC和固體氧化物燃料電池(SOFC)在建筑物中的應(yīng)用，得到燃料電池供能的理論效率和實(shí)際效率；在分析系統(tǒng)各個(gè)不同工況下的熱效率后，得出熱負(fù)荷是影響聯(lián)供系統(tǒng)整體效益的主要因素；并探討了分布式供能系統(tǒng)余熱用于回收再利用的可行性；且文獻(xiàn)利用IPSEpro平臺(tái)搭建燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究；通過對(duì)建筑的冷熱電負(fù)荷分析，設(shè)計(jì)了供能方案，建立了分布式供能系統(tǒng)中主要供能設(shè)備的數(shù)學(xué)模型和仿真模型；文獻(xiàn)還研究了溴化鋰吸收式制冷機(jī)變工況性能下降機(jī)理，分析了制冷機(jī)主動(dòng)調(diào)控法對(duì)改善以燃?xì)廨啓C(jī)為動(dòng)力的聯(lián)供系統(tǒng)變工況性能的效果。但這些文獻(xiàn)大部分只是對(duì)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜述，其建立的模型僅僅是部分硬件設(shè)備，并不涉及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的解耦控制。PEMFC內(nèi)部溫濕度的正常與否直接影響燃料電池電堆的輸出功率和安全性，因此對(duì)電堆內(nèi)部的濕度進(jìn)行測(cè)量和控制有很重要的現(xiàn)實(shí)意義[10]。并且在分布式冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，熱量管理及制冷送風(fēng)過程存在多變量、大滯后、強(qiáng)非線性等特點(diǎn)，因此，設(shè)計(jì)合理的解耦控制方案是設(shè)計(jì)燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本文基于空冷型PEMFC設(shè)計(jì)了燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了前饋解耦，解決了系統(tǒng)多回路之間的耦合，保證電堆輸出性能最優(yōu)，為實(shí)現(xiàn)燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)解耦控制提供了一種有效的控制方法。

1 PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。系統(tǒng)所需電能均由PEMFC供給，PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)分為夏季和非夏季兩種工作模式，聯(lián)供系統(tǒng)夏季模式和非夏季模式采用開關(guān)控制，給PEMFC陰、陽(yáng)極分別輸入氫氣、空氣，反應(yīng)所產(chǎn)生電能供給系統(tǒng)，生成的高溫水蒸汽通向儲(chǔ)水裝置。當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)工作在夏季模式時(shí)，高溫水蒸汽經(jīng)儲(chǔ)水裝置輸入溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，溴化鋰吸收式制冷機(jī)組以溴化鋰溶液為吸收劑，以水為制冷劑，利用水在高真空下蒸發(fā)吸熱達(dá)到制冷的目的，輸出冷凍水，打開冷凍水閥，將冷水輸送至換熱器給新風(fēng)降溫；當(dāng)聯(lián)供系統(tǒng)工作在非夏季模式時(shí)，關(guān)閉冷凍水閥，開啟熱水閥，將高溫?zé)崴斔椭翐Q熱器加熱新風(fēng)。被處理后的新風(fēng)經(jīng)送風(fēng)管網(wǎng)送入房間，經(jīng)一段時(shí)間后達(dá)到給房間降溫或供暖的目的。

圖1 PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

系統(tǒng)控制單元各控制回路框圖如圖2所示。聯(lián)供系統(tǒng)中PEMFC電堆如圖3所示，由風(fēng)機(jī)將過濾后的空氣抽過電池堆，為電池發(fā)電提供氧氣，氫氣經(jīng)減壓調(diào)節(jié)后通入電池堆，為電池發(fā)電提供燃料。

圖2 各控制回路框圖

圖3 空冷型PEMFC結(jié)構(gòu)示意圖

2 PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)建模

2.1 PEMFC溫濕度控制建模

空冷型PEMFC工作在低輸出電流時(shí)，在相同輸出電流的情況下，環(huán)境溫度增高使電堆最優(yōu)工作點(diǎn)逐步上移，當(dāng)PEMFC工作在高輸出電流并趨于穩(wěn)定時(shí)，環(huán)境溫度的影響明顯減弱甚至消失。輸出電流小時(shí)，電堆內(nèi)部反應(yīng)水生成量較小，電堆工作溫度較低，生成水多以液態(tài)形式存在，設(shè)定較長(zhǎng)的尾氣排放周期才能保證質(zhì)子交換膜水合充分。而隨著電堆輸出電流的逐漸升高，工作溫度逐漸升高，水生成量增大且多以氣態(tài)形式存在，此時(shí)應(yīng)適時(shí)的將尾氣排放周期調(diào)短，避免“膜水淹”現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證質(zhì)子交換膜工作在最佳濕度[10]。

空冷型燃料電池堆最優(yōu)工作溫度特性，可近似擬合為以對(duì)數(shù)-指數(shù)形式的多項(xiàng)式：

采用PID控制與模糊控制融合的方法，以滿足電堆對(duì)于控制精度要求較高及輸出電流變化快速性的要求。通過調(diào)節(jié)加權(quán)因子，使偏差較大時(shí)以消除誤差為主，即以模糊控制為主；偏差較小時(shí)以防止超調(diào)為主，即以PID控制為主。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PEMFC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

將PEMFC電堆輸出電流劃分為低電流段、高電流段，在輸出電流為低電流段時(shí)，尾氣排放周期與輸出電流呈近似線性關(guān)系[10]：

當(dāng)輸出電流為高電流段時(shí)，電堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)活躍，因此較小的尾氣排放周期才可保證質(zhì)子膜不被水淹，因此高電流段尾氣排放周期采用恒值輸出，此時(shí)電堆尾氣排放周期為一定值。

2.2 溴化鋰吸收式制冷機(jī)建模

溴化鋰吸收式制冷機(jī)循環(huán)示意圖如圖5所示，當(dāng)房間溫度降低時(shí)，冷凍水出口設(shè)定溫度升高，蒸汽調(diào)節(jié)閥開度減小，蒸汽量減少，蒸發(fā)溫度上升，繼而冷凍水出口溫度上升；反之，冷凍水出口溫度下降。

圖5 溴化鋰吸收式制冷機(jī)循環(huán)示意圖

由系統(tǒng)發(fā)生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器、熱交換器的能量平衡可得以下方程：

由式(4)、式(6)可得熱源水質(zhì)量流量與冷凍水出口溫度及冷凍水質(zhì)量流量的關(guān)系為：

由式(9)可知系統(tǒng)能夠隨著房間溫度的變化而調(diào)節(jié)熱源水質(zhì)量流量，因此可在滿足房間制冷負(fù)荷的基礎(chǔ)上達(dá)到良好的節(jié)能效果。

2.3 系統(tǒng)送風(fēng)管網(wǎng)建模

根據(jù)變風(fēng)量系統(tǒng)原理[11]，定義系統(tǒng)控制量，被控量。式中：為冷凍水流量(夏季模式)或熱水流量(非夏季模式)，m3/s；為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min；為房間送風(fēng)流量，m3/s；為新風(fēng)流量，m3/s。傳遞函數(shù)矩陣為輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)。

2.3.1 送風(fēng)溫度控制單元

根據(jù)能量守恒定律，針對(duì)換熱過程建立熱平衡方程[12]，給出房間送風(fēng)溫度傳遞函數(shù)矩陣。

(1)以冷凍水流量為控制量，則：

(2)以風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為控制量，則：

(4)以新風(fēng)流量為控制量，則：

2.3.2 送風(fēng)管道靜壓控制單元

本文通過調(diào)節(jié)變頻器頻率(對(duì)應(yīng)于調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速)，檢測(cè)管道靜壓和送風(fēng)流量變化，建立分段線性化模型，給出送風(fēng)管道靜壓傳遞函數(shù)矩陣。

2.3.3 室內(nèi)溫度控制單元

根據(jù)能量守恒定律，建立房間內(nèi)熱平衡方程[12]如下，建立室內(nèi)溫度傳遞函數(shù)矩陣。

2.3.4 室內(nèi)CO2濃度控制單元

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，針對(duì)房間內(nèi)建立二氧化碳濃度平衡方程[12]如下，建立室內(nèi)二氧化碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)傳遞函數(shù)矩陣。

Y(s)=G0(s)·U(s)，其中系統(tǒng)輸入為，輸出為。

2.3.5 解耦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

PEMFC冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)送風(fēng)管網(wǎng)部分采用前饋解方式，其解耦控制框圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)送風(fēng)管網(wǎng)部分前饋解耦控制框圖

H(s)為前饋解耦補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)矩陣，其值為：

由此，可得送風(fēng)管網(wǎng)閉環(huán)傳函：

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于空冷型PEMFC設(shè)計(jì)了燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)。通過建立PEMFC電堆溫濕度模型，采用模糊PID融合的控制方法，使電堆的工作性能最優(yōu)；建立了溴化鋰吸收式制冷機(jī)冷凍水溫度控制模型，獲得了冷凍水溫度與熱源水質(zhì)量流量之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過控制熱源水質(zhì)量流量而控制冷凍水溫度；同時(shí)建立了聯(lián)供系統(tǒng)送風(fēng)管網(wǎng)部分的傳遞函數(shù)矩陣，采用前饋解耦法設(shè)計(jì)了前饋解耦補(bǔ)償器，從而實(shí)現(xiàn)解耦控制。本文為燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)提供了一種控制策略，實(shí)現(xiàn)了多變量、非線性、強(qiáng)耦合的燃料電池冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的控制。

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Design and modeling research of cogeneration air-condition system based on PEMFC

Fuel cell cooling heating and power cogeneration system possesses many characteristics such as multi-variable, non-linear and strong coupling between multi-control loops.A cooling heating and power cogeneration system was designed based on air-cooling PEMFC, and the control strategy of the system was proposed: Fuzzy PID fusion control enables PEMFC stack to achieve optimal performance; establishing a mechanism of heat balance and mass transfer for the air pipe network of the system;using feed forward decoupling method to achieve decoupling control of air pipe network.

PEMFC;combined cooling heating and power;fuzzy PID control;feed forward decoupling

TM 911

A

1002-087 X(2016)06-1205-04

2015-12-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(“863”)計(jì)劃(2012AA051901)；浙江省自然科學(xué)基金(LY13F030003)

王茹(1969—)，女，吉林省人，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)榭照{(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與控制。