基于PEMFC的冷熱電聯供空調系統設計與建模研究

王 茹，陶澤炎，衛 東

(中國計量學院，浙江杭州310018)

基于PEMFC的冷熱電聯供空調系統設計與建模研究

王 茹，陶澤炎，衛 東

(中國計量學院，浙江杭州310018)

燃料電池冷熱電聯供系統具有多變量、非線性、多回路強耦合等特點?；诳绽湫唾|子交換膜燃料電池(PEMFC)設計了燃料電池冷熱電聯供系統，提出了對冷熱電聯供系統的控制策略：采用模糊PID融合控制使PEMFC電堆工作性能最優，對冷熱電聯供系統送風管網建立了熱量平衡和物質傳輸機理模型，采用前饋解耦方法實現送風管網的解耦控制。

質子交換膜燃料電池；冷熱電聯供；模糊PID；前饋解耦

冷熱電聯供系統是指以小規模、小容量、模塊化和分散式的方式布置在用戶附近，可將燃料同時轉化成電力、熱水或者蒸汽以及冷水的高效能源供應系統。冷熱電聯供系統符合能源梯級利用的原則，具有高效環保的特征，是實現能源可持續發展的有效途徑[1-2]。在冷熱電聯供系統中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)的效率遠超出其他燃料電池，適合作為小規模建筑聯供系統的原動機。PEMFC的工作效率以及對它的控制策略直接影響到PEMFC冷熱電聯供系統的工作效率。而其內部溫濕度的正常與否直接影響電堆的輸出功率和安全性，因此對電堆內部的濕度進行控制具有重要意義。

近年來，已有多篇對燃料電池冷熱電聯供系統設計研究的論文[3-9]，這些文獻綜述了燃料電池分布式冷熱電聯供技術的研究和應用現狀，分析對比了PEMFC和固體氧化物燃料電池(SOFC)在建筑物中的應用，得到燃料電池供能的理論效率和實際效率；在分析系統各個不同工況下的熱效率后，得出熱負荷是影響聯供系統整體效益的主要因素；并探討了分布式供能系統余熱用于回收再利用的可行性；且文獻利用IPSEpro平臺搭建燃料電池冷熱電聯供系統模型，對系統的穩態性能進行了仿真研究；通過對建筑的冷熱電負荷分析，設計了供能方案，建立了分布式供能系統中主要供能設備的數學模型和仿真模型；文獻還研究了溴化鋰吸收式制冷機變工況性能下降機理，分析了制冷機主動調控法對改善以燃氣輪機為動力的聯供系統變工況性能的效果。但這些文獻大部分只是對冷熱電聯供系統設計的綜述，其建立的模型僅僅是部分硬件設備，并不涉及冷熱電聯供系統的解耦控制。PEMFC內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，因此對電堆內部的濕度進行測量和控制有很重要的現實意義[10]。并且在分布式冷熱電聯供系統中，熱量管理及制冷送風過程存在多變量、大滯后、強非線性等特點，因此，設計合理的解耦控制方案是設計燃料電池冷熱電聯供系統的關鍵。

本文基于空冷型PEMFC設計了燃料電池冷熱電聯供系統，對系統進行了前饋解耦，解決了系統多回路之間的耦合，保證電堆輸出性能最優，為實現燃料電池冷熱電聯供系統解耦控制提供了一種有效的控制方法。

1 PEMFC冷熱電聯供系統設計

PEMFC冷熱電聯供系統結構簡圖如圖1所示。系統所需電能均由PEMFC供給，PEMFC冷熱電聯供系統分為夏季和非夏季兩種工作模式，聯供系統夏季模式和非夏季模式采用開關控制，給PEMFC陰、陽極分別輸入氫氣、空氣，反應所產生電能供給系統，生成的高溫水蒸汽通向儲水裝置。當聯供系統工作在夏季模式時，高溫水蒸汽經儲水裝置輸入溴化鋰吸收式制冷機組，溴化鋰吸收式制冷機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吸熱達到制冷的目的，輸出冷凍水，打開冷凍水閥，將冷水輸送至換熱器給新風降溫；當聯供系統工作在非夏季模式時，關閉冷凍水閥，開啟熱水閥，將高溫熱水輸送至換熱器加熱新風。被處理后的新風經送風管網送入房間，經一段時間后達到給房間降溫或供暖的目的。

圖1 PEMFC冷熱電聯供系統簡圖

系統控制單元各控制回路框圖如圖2所示。聯供系統中PEMFC電堆如圖3所示，由風機將過濾后的空氣抽過電池堆，為電池發電提供氧氣，氫氣經減壓調節后通入電池堆，為電池發電提供燃料。

圖2 各控制回路框圖

圖3 空冷型PEMFC結構示意圖

2 PEMFC冷熱電聯供系統建模

2.1 PEMFC溫濕度控制建模

空冷型PEMFC工作在低輸出電流時，在相同輸出電流的情況下，環境溫度增高使電堆最優工作點逐步上移，當PEMFC工作在高輸出電流并趨于穩定時，環境溫度的影響明顯減弱甚至消失。輸出電流小時，電堆內部反應水生成量較小，電堆工作溫度較低，生成水多以液態形式存在，設定較長的尾氣排放周期才能保證質子交換膜水合充分。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形式存在，此時應適時的將尾氣排放周期調短，避免“膜水淹”現象的出現，保證質子交換膜工作在最佳濕度[10]。

空冷型燃料電池堆最優工作溫度特性，可近似擬合為以對數-指數形式的多項式：

采用PID控制與模糊控制融合的方法，以滿足電堆對于控制精度要求較高及輸出電流變化快速性的要求。通過調節加權因子，使偏差較大時以消除誤差為主，即以模糊控制為主；偏差較小時以防止超調為主，即以PID控制為主?？刂葡到y結構如圖4所示。

圖4 PEMFC控制系統結構示意圖

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，尾氣排放周期與輸出電流呈近似線性關系[10]：

當輸出電流為高電流段時，電堆內部電化學反應活躍，因此較小的尾氣排放周期才可保證質子膜不被水淹，因此高電流段尾氣排放周期采用恒值輸出，此時電堆尾氣排放周期為一定值。

2.2 溴化鋰吸收式制冷機建模

溴化鋰吸收式制冷機循環示意圖如圖5所示，當房間溫度降低時，冷凍水出口設定溫度升高，蒸汽調節閥開度減小，蒸汽量減少，蒸發溫度上升，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循環示意圖

由系統發生器、冷凝器、吸收器、蒸發器、熱交換器的能量平衡可得以下方程：

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

由式(9)可知系統能夠隨著房間溫度的變化而調節熱源水質量流量，因此可在滿足房間制冷負荷的基礎上達到良好的節能效果。

2.3 系統送風管網建模

根據變風量系統原理[11]，定義系統控制量，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；為風機轉速，rad/min；為房間送風流量，m3/s；為新風流量，m3/s。傳遞函數矩陣為輸出與輸入之間的傳遞函數。

2.3.1 送風溫度控制單元

根據能量守恒定律，針對換熱過程建立熱平衡方程[12]，給出房間送風溫度傳遞函數矩陣。

(1)以冷凍水流量為控制量，則：

(2)以風機轉速為控制量，則：

(4)以新風流量為控制量，則：

2.3.2 送風管道靜壓控制單元

本文通過調節變頻器頻率(對應于調節風機轉速)，檢測管道靜壓和送風流量變化，建立分段線性化模型，給出送風管道靜壓傳遞函數矩陣。

2.3.3 室內溫度控制單元

根據能量守恒定律，建立房間內熱平衡方程[12]如下，建立室內溫度傳遞函數矩陣。

2.3.4 室內CO2濃度控制單元

根據質量守恒定律，針對房間內建立二氧化碳濃度平衡方程[12]如下，建立室內二氧化碳質量分數傳遞函數矩陣。

Y(s)=G0(s)·U(s)，其中系統輸入為，輸出為。

2.3.5 解耦控制系統結構

PEMFC冷熱電聯供系統送風管網部分采用前饋解方式，其解耦控制框圖如圖6所示。

圖6 系統送風管網部分前饋解耦控制框圖

H(s)為前饋解耦補償器的傳遞函數矩陣，其值為：

由此，可得送風管網閉環傳函：

3 結語

本文基于空冷型PEMFC設計了燃料電池冷熱電聯供系統。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；建立了溴化鋰吸收式制冷機冷凍水溫度控制模型，獲得了冷凍水溫度與熱源水質量流量之間的關系，實現了通過控制熱源水質量流量而控制冷凍水溫度；同時建立了聯供系統送風管網部分的傳遞函數矩陣，采用前饋解耦法設計了前饋解耦補償器，從而實現解耦控制。本文為燃料電池冷熱電聯供系統提供了一種控制策略，實現了多變量、非線性、強耦合的燃料電池冷熱電聯供系統的控制。

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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

國家高技術研究發展(“863”)計劃(2012AA051901)；浙江省自然科學基金(LY13F030003)

王茹(1969—)，女，吉林省人，學士，工程師，主要研究方向為空調系統的節能與控制。