一種PEM電解槽測試臺架及基于模型預測的溫度控制方法與流程

本發(fā)明屬于水電解制氫，特別涉及一種pem電解槽測試臺架及基于模型預測的溫度控制方法。

背景技術：

1、現有工業(yè)用的水電解制氫設備采用的電解槽溫度控制方法，包括：槽前溫pid控制方法、槽后pid溫控制方法。溫度控制裝置，包括：循環(huán)冷卻水系統、薄膜調節(jié)閥、溫度變送器、plc控制器等。通過在plc中預設電解槽溫度目標值，控制器檢測電解槽實際溫度，控制器控制薄膜調節(jié)閥的開度大小控制冷卻水的流量，達到溫度控制的目的。

2、當前采用的控制方法存在較大時滯，無法適應電解槽運行在波動工況下的溫度控制。亟需根據pem電解制氫系統的電-熱-質強耦合關系，開發(fā)寬兼容的電-熱-質耦合調節(jié)技術，實現控制的強魯棒性。

3、因此，如何提供一種pem電解槽測試臺架及基于模型預測的溫度控制方法，能夠通過測試臺架不斷迭代優(yōu)化數學模型，提高模型預測的準確度，達到在寬功率波動工況下溫度控制的強魯棒性，已經成為一個亟待解決的技術問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明實施例提供一種pem電解槽測試臺架及基于模型預測的溫度控制方法，能夠通過測試臺架不斷迭代優(yōu)化數學模型，提高模型預測的準確度，達到在寬功率波動工況下溫度控制的強魯棒性。

2、本發(fā)明的一個實施例中，提供一種pem電解槽測試臺架，包括：pem電解槽系統，開關電源，電壓、電流傳感器，溫度傳感器和氫氧分離器。

3、所述pem電解槽系統，包括：pem電解槽、氣液處理框架、開關電源和pem設備控制系統；所述pem設備控制系統為具有4ma-20ma模擬信號采集和輸出功能的plc，所述plc將高精度傳感器系統的模擬量信號轉換為數字量信號，將數字量信號轉換為模擬信號，給定冷卻水閥門的開度信號；

4、所述氫氧分離器，包括：加熱棒、薄膜調節(jié)閥、冷卻水和恒溫水系統；所述加熱棒和薄膜調節(jié)閥控制電解槽進口水溫，所述加熱棒和冷卻水和恒溫水系統的功率與所述pem電解槽的功率相關。

5、進一步地，所述冷卻水和恒溫水系統通過設置目標溫度，保證進入所述pem電解槽的槽前溫度恒定，經過所述pem電解槽后檢測所述pem電解槽后溫度，確定所述加熱棒的加熱溫度。

6、進一步地，在所述pem電解槽的進口位置設置槽前溫度傳感器，在所述pem電解槽的出口位置設置槽后溫度傳感器。

7、進一步地，所述pem電解槽系統的管路及電解槽本體，設置用于減少外界熱交換的保溫材料包覆。

8、進一步地，所述加熱棒的溫度可調，所述冷卻水和恒溫水系統的冷卻水量通過所述薄膜調節(jié)閥實現0～100％的開度調節(jié)。

9、本發(fā)明的又一個實施例中，提供一種基于模型預測的溫度控制方法，基于以上任一項所述的一種pem電解槽測試臺架，包括：

10、s101、基于測試臺架的溫度控制策略，設置pid控制算法，確定薄膜調節(jié)閥的開度指令；

11、s102、建立pem測試平臺的熱能數學模型：

12、

13、qflow,t＝cvρ(tout,t-tin,t)

14、qc,t＝vcρccc(tc,in,t-tc,t)

15、其中，qele,t為電解槽總發(fā)熱量，qdis,t為電解槽散熱量，qflow,t為電解液帶走的熱量，qc,t為換熱器帶走的熱量，vi為電解槽小室電壓，m為電解槽小室數目，i為電解槽電解電流，q為電解液體積流量，ρ為電解液密度，c為電解液比熱容，tin,t為電解槽進口溫度tout,t為電解槽出口溫度，tc,in,t為冷卻水進口溫度，tc,t為冷卻水出口溫度；

16、s103、預測到所述pem電解槽槽后溫度變化曲線，與實際的槽后溫度變化曲線對比，為qele,t，qflow,t和qc,t引入矯正系數；

17、s104、在電解槽額定電流的10％-100％范圍內，進行均勻插值，獲取n個電流命令，n≥2，并基于測試試驗臺架，測量在這n個電流命令下，系統穩(wěn)定工況時的狀態(tài)參量及控制參量；基于得到的n個系統穩(wěn)態(tài)工作點，進行線性化處理，利用零階保持器，將線性時變參數模型離散化；

18、s105、設計模型預測控制器，對離線部分，基于線性事變模型方程組，輸入控制器相關參數得到預測結果；對在線部分，基于線性變參數模型，定義一個目標代價函數，所述模版代價函數的考慮指標為被控量的誤差及控制量絕對值的大小，被控量的誤差代表控制精度，控制量的大小代表系統的能耗，并設定相關參量的邊界范圍；

19、s106、所述目標代價函數及相關參數的邊界條件，為

20、

21、0≤uk≤1

22、

23、整理成二次規(guī)劃的形式在每個控制周期k內，基于內點法，進行在線最優(yōu)控制求解，得到最優(yōu)的薄膜調節(jié)閥開度。

24、進一步地，設置pid控制算法，確定薄膜調節(jié)閥的開度指令，包括：

25、在手動模式下，直接寫入薄膜調節(jié)閥開度命令值；

26、在自動模式下，通過溫度傳感器檢測實際溫度，并與溫度建議值，輸入pid算法，自動得出薄膜調節(jié)閥的開度指令。

27、本發(fā)明所帶來的有益效果如下：

28、從上述方案可以看出，本發(fā)明實施例提供一種pem電解槽測試臺架及基于模型預測的溫度控制方法，測試臺架包括：pem電解槽系統，開關電源，電壓、電流傳感器，溫度傳感器和氫氧分離器。pem電解槽系統包括：pem電解槽、氣液處理框架、開關電源和pem設備控制系統；pem設備控制系統為具有4ma-20ma模擬信號采集和輸出功能的plc，plc將高精度傳感器系統的模擬量信號轉換為數字量信號，將數字量信號轉換為模擬信號；氫氧分離器，包括：加熱棒、薄膜調節(jié)閥、冷卻水和恒溫水系統；加熱棒和薄膜調節(jié)閥控制電解槽進口水溫，加熱棒和冷卻水和恒溫水系統的功率與所述pem電解槽的功率相關。本發(fā)明技術方案，能夠通過測試臺架不斷迭代優(yōu)化數學模型，提高模型預測的準確度，達到在寬功率波動工況下溫度控制的強魯棒性。

技術特征：

1.一種pem電解槽測試臺架，其特征在于，所述測試臺架，包括：pem電解槽系統，開關電源，電壓、電流傳感器，溫度傳感器和氫氧分離器；

2.根據權利要求1所述的一種pem電解槽測試臺架，其特征在于，所述冷卻水和恒溫水系統通過設置目標溫度，保證進入所述pem電解槽的槽前溫度恒定，經過所述pem電解槽后檢測所述pem電解槽后溫度，確定所述加熱棒的加熱溫度。

3.根據權利要求1所述的一種pem電解槽測試臺架，其特征在于，在所述pem電解槽的進口位置設置槽前溫度傳感器，在所述pem電解槽的出口位置設置槽后溫度傳感器。

4.根據權利要求1所述的一種pem電解槽測試臺架，其特征在于，所述pem電解槽系統的管路及電解槽本體，設置用于減少外界熱交換的保溫材料包覆。

5.根據權利要求1至4任一項所述的一種pem電解槽測試臺架，其特征在于，所述加熱棒的溫度可調，所述冷卻水和恒溫水系統的冷卻水量通過所述薄膜調節(jié)閥實現0～100％的開度調節(jié)。

6.一種基于模型預測的溫度控制方法，基于如權利要求5所述的一種pem電解槽測試臺架，其特征在于，所述方法，包括：

7.根據權利要求6所述的一種基于模型預測的溫度控制方法，其特征在于，設置pid控制算法，確定薄膜調節(jié)閥的開度指令，包括：

技術總結
本發(fā)明提供一種PEM電解槽測試臺架及基于模型預測的溫度控制方法，測試臺架包括：PEM電解槽系統，開關電源，電壓、電流傳感器，溫度傳感器和氫氧分離器。PEM電解槽系統包括：PEM電解槽、氣液處理框架、開關電源和PEM設備控制系統；PEM設備控制系統為具有模擬信號采集和輸出功能的PLC；氫氧分離器，包括：加熱棒、薄膜調節(jié)閥、冷卻水和恒溫水系統；加熱棒和薄膜調節(jié)閥控制電解槽進口水溫，加熱棒和冷卻水和恒溫水系統的功率與所述PEM電解槽的功率相關。本發(fā)明技術方案，能夠通過測試臺架不斷迭代優(yōu)化數學模型，提高模型預測的準確度，達到在寬功率波動工況下溫度控制的強魯棒性。

技術研發(fā)人員：郭少波,丁睿,李黎明,王杰鵬,張世淵,任航星,楊金彭
受保護的技術使用者：中國船舶集團有限公司第七一八研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/31