[发明专利]一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法

权利要求书

1.一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：基于电化学与传热机理构建以波动的可再生能源电力作为唯一的能量源的高温固体氧化物电解槽的动态模型；

S2：构建高温固体氧化物电解制氢系统各辅机部件的动态模型并对电解制氢过程进行仿真；

S3：对高温固体氧化物电解水制氢系统机理模型进行双输入双输出传递函数模型辨识；

S4：基于辨识的传递函数模型进行模型预测控制设计。

2.根据权利要求1所述一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：S1的具体步骤为：

S11:依据电化学原理，构建高温固体氧化物电解槽电化学动态响应模型；

S12:依据电解槽模型结构，构建高温固体氧化物电解槽传热动态响应模型。

3.根据权利要求1所述一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：所述的电解槽(13)模型内部状态变量由动态微分方程构建，考虑电解槽变量响应的多时间尺度特点：毫秒级的电化学反应、秒级的气体流动以及分钟级的热传递。

4.根据权利要求1所述一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：S12中传热动态响应模型表示为：

式中，T为反应温度，ρ为物质密度，c_p为定压热容，Φ为热流量，V为物质体积，h为对流换热系数，A_A、A_C、A_S、A_I分别为阳极流体、阴极流体、固体结构和连接结构的换热面积，σ为斯特藩常量，ε_e为发射率，下标A,C,S,I分别表示阳极流体、阴极流体、固体结构和连接结构。

5.根据权利要求1所述一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：S3中模型辨识使用一组包含2个极点和1个零点的传递函数模拟系统的输入输出特性，传递函数模型表示如下：

式中：u₁为蒸汽发生器加热功率，u₂为空气流量，y₁为反应蒸汽流量，y₂为电化学反应温度。

6.根据权利要求1所述一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：S4步骤中模型预测控制采用的是MPC控制，空气流量和蒸汽发生器加热功率作为操纵变量，蒸汽流量和反应温度作为被控变量，预测和控制范围分别设置为20秒和1秒。

7.根据权利要求6所述一种面向波动电能消纳的固体氧化物电解制氢系统动态建模方法，其特征在于：在MPC控制下，应对波动电能时蒸汽流量作为系统状态变量，其值与电解电流相关：

其中，N为电池总数，I为电解电流，η_F为电解效率，F为法拉第常数，为水的摩尔质量，α为蒸汽富余率。