一种SOFC发电系统零维动态模型建模方法及装置

本技术属于发电系统建模，更具体地，涉及一种sofc发电系统零维动态模型建模方法及装置。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，sofc）是一种能够在高温下直接将碳氢化合物燃料转化为电能的电化学装置。为了维持高温的反应环境，sofc电堆和一些辅助组件被集成在一个隔热的热箱内。将反应排出的高温尾气用于预热热箱入口反应物，并通过燃气轮机再发电，是一种常见的余热利用方法。

2、由于高运行温度和复杂的热回收管路，sofc系统的存在非线性和大滞后的动态特性。在发出调整反应物流量的指令后，从热箱排出的尾气不会立即响应，每个热交换部件都会放大这种延迟效应，这导致当尾气用于预热反应物时会出现延迟和振荡现象。在现有的零维建模研究中，sofc系统的非线性特征主要由电堆模型的反应物分压变化，以及热交换部件的能量守恒来表现。这类建模方法无法体现上述延迟效应，导致建模精度较低。对系统辅助设备都进行高维建模可以捕捉气体传输延迟，但会大幅增加计算量和计算复杂度，导致建模效率较低。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种sofc发电系统零维动态模型建模方法及装置，旨在解决现有建模方法由电堆模型的反应物分压变化，以及热交换部件的能量守恒来表现，或对系统辅助设备都进行高维建模导致的无法兼顾建模精度和效率的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种sofc发电系统零维动态模型建模方法及装置，包括：

3、基于sofc发电系统的热箱内燃料重整反应、电化学反应，以及各部件的能量守恒方程，建立零维动态模型；

4、在所述零维动态模型中引入软延迟参数组，采用一阶惯性环节表征各部件内气体流速从入口到出口的变化滞后；

5、在所述零维动态模型中引入硬延迟参数组，采用纯时间延迟参数表征各部件因气体流动距离产生的输出响应延迟。

6、本技术通过在零维动态模型中同时引入软延迟参数组和硬延迟参数组，使得sofc发电系统模型在不增加模型维度的前提下，能够描述系统内气体输运存在的两种延迟现象。其中，软延迟参数组通过一阶惯性环节表征各热交换部件出口流速变化滞后于入口流速变化的渐变特性，硬延迟参数组通过纯时间延迟参数表征各部件因气体流动距离产生的纯滞后响应。两者组合使用，使模型的传质动态特性更加接近真实工况，无需对所有系统辅助设备都进行高维建模也能达到较高的建模精度，减少计算量和计算复杂度，在兼顾建模精度的同时提升建模效率，为sofc发电系统的结构设计、容量配置和控制优化提供了一个计算简单、动态真实的模型基础。

7、根据本技术提供的一种sofc发电系统零维动态模型建模方法，所述软延迟参数组和硬延迟参数组均应用于sofc发电系统的废气预热通道中的各部件。

8、本技术通过将软延迟参数组和硬延迟参数组限定为均应用于废气预热通道中的各部件，使得延迟建模聚焦于气体传输距离最长、热交换关系最为复杂的废气预热路径。废气以级联方式依次流经热箱、预热器、混合器、蒸汽发生器、燃气轮机等部件，每个部件均会放大气体输运的延迟效应，对废气预热通道的各部件分别引入软-硬延迟组合，能够准确体现沿流动路径不断累积的延迟和超调现象，从而真实反映尾气预热反应物过程中温度超调、流量振荡等动态特征，使模型的传质动态特性与真实工况一致。

9、根据本技术提供的一种sofc发电系统零维动态模型建模方法，所述sofc发电系统的燃料流股、空气流股和水流股中不引入硬延迟硬延迟参数组。

10、本技术通过限定燃料流股、空气流股和水流股中不引入硬延迟参数组，体现了以下技术合理性：燃料、空气和水等流股的气体流动距离较短，其因流动距离产生的纯时间延迟可忽略不计，仅对流动距离长、延迟效应显著的废气预热通道引入硬延迟参数组。这一限定在保证模型对关键延迟现象准确描述的同时，避免了对短距离流股引入不必要的延迟参数，降低了模型参数的冗余度和辨识难度，使模型结构更加简洁合理，参数物理意义更加明确。

11、根据本技术提供的一种sofc发电系统零维动态模型建模方法，所述软延迟参数组包括热箱软延迟时间、预热器软延迟时间、混合器软延迟时间、蒸汽发生器软延迟时间和燃气轮机软延迟时间，所述硬延迟参数组包括热箱硬延迟时间、预热器硬延迟时间、混合器硬延迟时间、蒸汽发生器硬延迟时间和燃气轮机硬延迟时间。

12、本技术通过明确列出软延迟参数组和硬延迟参数组各自包含的具体参数，将废气预热通道中各部件的延迟特性逐一参数化。每个部件均设置独立的软延迟时间和硬延迟时间，使得不同部件因管道长度、内部容积和流动状态不同而产生的差异化延迟特性能够被分别表征和调节。通过改变各部件的软-硬延迟参数组合，可以灵活表示不同的延迟特性，为针对不同系统规模、管路布局和运行工况的sofc发电系统进行动态建模与控制优化提供了精细化的参数调节能力。

13、第二方面，本技术提供一种sofc发电系统零维动态模型建模装置，包括：

14、建模模块，用于基于sofc发电系统的热箱内燃料重整反应、电化学反应，以及各部件的能量守恒方程，建立零维动态模型；

15、第一引入模块，用于在所述零维动态模型中引入软延迟参数组，采用一阶惯性环节表征各部件内气体流速从入口到出口的变化滞后；

16、第二引入模块，用于在所述零维动态模型中引入硬延迟参数组，采用纯时间延迟参数表征各部件因气体流动距离产生的输出响应延迟。

17、根据本技术提供的一种sofc发电系统零维动态模型建模装置，所述软延迟参数组和硬延迟参数组均应用于sofc发电系统的废气预热通道中的各部件。

18、根据本技术提供的一种sofc发电系统零维动态模型建模装置，所述sofc发电系统的燃料流股、空气流股和水流股中不引入硬延迟硬延迟参数组。

19、根据本技术提供的一种sofc发电系统零维动态模型建模装置，所述软延迟参数组包括热箱软延迟时间、预热器软延迟时间、混合器软延迟时间、蒸汽发生器软延迟时间和燃气轮机软延迟时间，所述硬延迟参数组包括热箱硬延迟时间、预热器硬延迟时间、混合器硬延迟时间、蒸汽发生器硬延迟时间和燃气轮机硬延迟时间。

20、第三方面，本技术提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的sofc发电系统零维动态模型建模方法。

21、第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的sofc发电系统零维动态模型建模方法。

22、第五方面，本技术提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所描述的sofc发电系统零维动态模型建模方法。

23、可以理解的是，上述第二方面至第五方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

24、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

25、本技术通过在零维动态模型中同时引入软延迟参数组和硬延迟参数组，使得sofc发电系统模型在不增加模型维度的前提下，能够描述系统内气体输运存在的两种延迟现象。其中，软延迟参数组通过一阶惯性环节表征各热交换部件出口流速变化滞后于入口流速变化的渐变特性，硬延迟参数组通过纯时间延迟参数表征各部件因气体流动距离产生的纯滞后响应。两者组合使用，使模型的传质动态特性更加接近真实工况，无需对所有系统辅助设备都进行高维建模也能达到较高的建模精度，减少计算量和计算复杂度，在兼顾建模精度的同时提升建模效率，为sofc发电系统的结构设计、容量配置和控制优化提供了一个计算简单、动态真实的模型基础。