【摘要】：隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益加重,人類已經(jīng)意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要性,建立高效、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源結(jié)構(gòu),開發(fā)和利用新能源儼然成為當(dāng)今國(guó)際研究的一大熱點(diǎn)。同時(shí)嚴(yán)控溫室氣體、NO_X等污染物排放相關(guān)法規(guī)的頒布,進(jìn)一步促進(jìn)了尋找清潔能源的進(jìn)程。燃料電池-燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)具有高效率、低排放的優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種極具前景的綠色能源利用技術(shù)。由于混合動(dòng)力系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)非線性、多變量、強(qiáng)耦合的高度復(fù)雜系統(tǒng),其熱力學(xué)特性尚未被完全掌握,并且對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略的研究目前還處于探索階段,尚未形成完整的理論體系,導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)將面臨低效、安全隱患等諸多嚴(yán)重問題。因此,研究混合動(dòng)力系統(tǒng)建模方法、熱力學(xué)特性、控制策略設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù),可為混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備,對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。本文圍繞基于陽極和陰極引射器的新型SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)針對(duì)建模方法、控制策略設(shè)計(jì)兩個(gè)關(guān)鍵問題展開了研究。引射器具有高可靠性、低維修成本的優(yōu)點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于陽極與陰極引射器的新型SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用引射器代替引風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)陽極與陰極高溫排氣的回流,解決了引風(fēng)機(jī)在高溫條件的低可靠性問題�；谀K化建模思想建立了新型SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)的部件模塊庫(kù),其中系統(tǒng)中SOFC和引射器兩個(gè)關(guān)鍵部件模塊的誤差均在1%以內(nèi);結(jié)合開發(fā)的工質(zhì)熱物性模塊形成完整的系統(tǒng)仿真模塊庫(kù),并搭建了新型SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)的仿真模型。首先分析了混合動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)工況性能,設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電功率為328kW,發(fā)電效率達(dá)到61.88%;然后針對(duì)新型混合動(dòng)力系統(tǒng)的部分負(fù)荷運(yùn)行狀況,提出了四種不同的運(yùn)行方案,通過性能仿真對(duì)比和分析了在部分負(fù)荷下四種不同運(yùn)行方案的安全性和高效性,結(jié)果表明運(yùn)行方案4優(yōu)于其他三種方案;最后研究了混合動(dòng)力系統(tǒng)燃料量階躍變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,總結(jié)了該混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。接著基于上述的研究成果對(duì)設(shè)計(jì)的新型SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)展開了兩項(xiàng)研究,包括燃料系統(tǒng)非線性特性影響研究和混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究。燃料系統(tǒng)非線性特性研究旨在分析燃料系統(tǒng)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)中非線性特性對(duì)SOFC-GT系統(tǒng)的影響。首先在混合動(dòng)力系統(tǒng)本體模型基礎(chǔ)上建立含有死區(qū)繼電特性的燃料系統(tǒng)模型;然后利用該模型研究了不同死區(qū)繼電特性的影響,結(jié)果表明當(dāng)死區(qū)繼電寬度較小時(shí),系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩;同時(shí)基于模糊補(bǔ)償算法,設(shè)計(jì)了一個(gè)二維模糊補(bǔ)償器,性能仿真結(jié)果表明該補(bǔ)償器可以有效的抑制死區(qū)繼電特性引起的振蕩;最后設(shè)計(jì)和搭建了一個(gè)伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)研究了死區(qū)繼電的影響特性,并驗(yàn)證了模糊補(bǔ)償器在實(shí)際設(shè)備的有效性�；旌蟿�(dòng)力系統(tǒng)控制策略研究旨在針對(duì)新型的SOFC-GT混合動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套控制策略,保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。在控制回路設(shè)計(jì)過程中,除了功率、透平入口溫度、燃料利用率、轉(zhuǎn)速等常規(guī)控制外,在SOFC的熱管理系統(tǒng)中,提出了監(jiān)控陽極與陰極通道溫差的概念,設(shè)計(jì)了同時(shí)控制陽極與陰極入口溫度的雙控制回路結(jié)構(gòu),控制性能的仿真結(jié)果表明陽極和陰極入口溫度的雙控制回路結(jié)構(gòu)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,保證系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。最后,對(duì)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOFC-GT動(dòng)態(tài)建模方法進(jìn)行了研究,旨在準(zhǔn)確的反映真實(shí)機(jī)組的實(shí)際性能狀況。首先結(jié)合NARX在非線性系統(tǒng)辨識(shí)和LS-SVR在非線性函數(shù)回歸的優(yōu)點(diǎn),提出了一種基于LS-SVR的NARX建模方法;為了盡可能提高模型精度,提出了一種基于PSO的模型訓(xùn)練框架。然后將上述建模方法應(yīng)用于設(shè)計(jì)的新型混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料利用率的模型建立,結(jié)果表明采用10-折交叉驗(yàn)證適應(yīng)度函數(shù)以及大容量樣本訓(xùn)練的模型精度較高。最后將建立的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型應(yīng)用于燃料利用率控制回路性能仿真研究中,為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOFC-GT自適應(yīng)模型在控制回路設(shè)計(jì)的研究奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

1 研究背景及意義.1 能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境問題隨著人類文明以及經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求也在持續(xù)的增長(zhǎng)。據(jù)報(bào)署（Energy Information Administration, EIA）統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，在 201 25 年間，全球能源的需求量將要增加 28%，其中亞洲（包括中國(guó)和、非洲等國(guó)家的能源需求增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，平均年增長(zhǎng)率將會(huì)達(dá)到。圖 1-1 顯示了在這段期間內(nèi)全球各種類型能源消耗的變化趨勢(shì)，盡源以及核能是增速相對(duì)較快的能源種類，但是化石能源在未來數(shù)十年消耗中仍然扮演著十分重要的角色，即使在 2040 年，EIA 預(yù)測(cè)全球仍將有 78%來自于化石能源，其中石油等液體燃料貢獻(xiàn) 31%，煤炭貢然氣貢獻(xiàn) 21%，而核能僅僅占有 5%，可再生能源占有 17%。

圖 1-2 1990-2040 化石燃料產(chǎn)生的 CO2情況[1]Fig. 1-2 Fossil fuel related CO2emissions from 1990-2040對(duì)當(dāng)今日益加重的能源危機(jī)以及環(huán)境壓力，人類已經(jīng)意識(shí)到發(fā)展之間的關(guān)系，在 20 世紀(jì)建立的能源結(jié)構(gòu)體系已經(jīng)無法需求，建立高效、清潔、經(jīng)濟(jì)的能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)和利用新能研究的一大熱點(diǎn)[4]。我國(guó)在新能源的開發(fā)和利用上緊跟國(guó)際的期間新能源的發(fā)展取得了重大突破，，并在“十三五”規(guī)劃中源變化為規(guī)模替代化石能源，提出了 2020 年非化石能源比重
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.4;TK402

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2644012