1.本发明涉及制氢领域，具体涉及一种基于时延的制氢系统及其温度控制方法。
背景技术：
2.化石燃料的使用会释放高浓度温室气体，加剧了全球变暖和冰川融化。通过电可再生能源电解水制氢的脱碳技术路线对全球能源需求和可持续性发展至关重要。
3.水电解设备是整个制氢系统的核心，必须保证电解槽安全高效运行，确保稳定的氢能输出。堆的温度低于额定温度时，阻碍电解反应的进行，系统的效率会降低；而电解槽内部温度过高时，整个设备的耐腐蚀性降低，对电解槽寿命产生不良影响。
4.由于电解系统的传热延迟，pid的参数调整非常耗时，并且达不到令人满意的效果，常常导致堆栈温度振荡，引发电流的波动。受温度变化的影响，通常电解槽温度的设定与极限温度存在一定差距，牺牲了系统的效率。为了预测和控制电解槽的温度，需要考虑系统的延时效应，建立高精度的水电解制氢系统动态热力学模型。
技术实现要素：
5.本发明所要解决的技术问题是质子交换膜水电解制氢系统达不到最佳工作温度，导致制氢效率下降，无法满足可再生电力场景的应用需求的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于时延的制氢系统，包括电解槽和气液分离器，两个所述气液分离器并联于所述电解槽，所述气液分离器的外围配置有散热器和冷却盘管，所述冷却盘管与所述散热器连接成冷却液回路，所述气液分离器与所述电解槽之间通过连接水泵成电解液回路，还包括管线外设的气体处理系统、水处理系统、电解槽系统、电压转换系统、辅助系统和ac/dc整流器
7.在上述方案中，还包括电磁阀开关，所述辅助系统包括但不限于流量传感器和温度传感器，所述电磁阀开关、流量传感器和温度传感器连接于所述电解液回路内。
8.在上述方案中，两个所述气液分离器分别连接于氢瓶组和氧瓶组。
9.在上述方案中，散热器包括但不限于水冷散热器和风冷散热器。
10.本发明，还提供一种所述基于时延的制氢系统的温度控制方法，包括以下步骤：
11.基于可变时延建立高精度水电解制氢系统动态热力学模型，并将模型线性化和离散化；
12.对电解槽、气液分离器、冷却盘管和散热器入口前的液体流量进行监测；
13.计算当前周期预测时域内可变时延序列；
14.考虑当前控制输入在时延之后起作用的情况，优化代价函数；
15.拟定控制时域，降低计算量，将优化解的第一个元素作用于系统。
16.在上述方案中，可变时延包括不变时延的情况，不变时延是可变时延的一种特例。
17.在上述方案中，将面向控制的模型线性化后，离散化，得到基于状态空间模型的预测方程。
18.在上述方案中，考虑当前控制输入在时延之后起作用的情况，寻找可变时延作用之后的状态变量，优化代价函数。
19.本发明，考虑可变时延的影响，提高了水电解制氢系统动态热力学模型的精度，将面向控制的模型在工作点线性化后，离散化，得到基于状态空间模型的预测方程，可以预测系统未来动态，对电解槽、气液分离器、冷却盘管和散热器入口前的液体流量进行监测，计算当前周期预测时域内可变时延序列，只考虑当前控制输入在时延之后起作用的情况，寻找可变时延作用之后的状态变量，带入代价函数中，对代价函数进一步优化，最后，拟定控制时域，降低计算量，将优化解的第一个元素作用于系统，每个采样周期执行一次。即通过本发明，实现制氢系统温度快速和稳定控制，并对负载和环境温度波动有着良好的鲁棒性，使电解能效保持在较高水平，提高制氢效率。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一种基于时延的水电解制氢系统结构简化示意图；
21.图2为本发明实施例提供的一种基于时延的水电解制氢系统的简化传热图；
22.图3为本发明实施例提供的一种基于时延的水电解制氢系统温度控制方法的部分方法流程图。
具体实施方式
23.下面结合说明书附图对本发明做出详细的说明。
24.本发明公开了一种基于时延的制氢系统及其温度控制方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。需要特别指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明，并且相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围的基础上对本文所述内容进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
25.在发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于方便描述不同的部件，而不能理解为指示或暗示顺序关系、相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
29.如图1至图3所示，本发明提供的一种基于时延的制氢系统，包括电解槽1和气液分离器2，两个气液分离器2并联于所述电解槽1，气液分离器2的外围配置有散热器3和冷却盘管5，冷却盘管5与散热器3连接成冷却液回路，气液分离器2与电解槽1之间通过连接水泵4成电解液回路，还包括管线外设的气体处理系统、水处理系统、电解槽系统、电压转换系统、辅助系统、ac/dc整流器和电磁阀开关，辅助系统包括但不限于流量传感器6和温度传感器7，电磁阀开关、流量传感器6和温度传感器7连接于电解液回路内，两个气液分离器2分别连接于氢瓶组8和氧瓶组9。
30.其中，ac/dc整流器可将380v交流电整流为一定范围内的直流电，影响产氢和产热的功率。
31.水泵4可以控制电解槽1和冷却盘管5进口的体积流量，以此作为控制输入，来保证制氢系统的温度保持在设定值；
32.流量传感器可以监测电解槽1、气液分离器2、冷却盘管5和散热器3入口前流量，温度检测器可以监测电解槽1、气液分离器2、冷却盘管5和散热器3入口后温度。
33.本发明还提供一种基于时延的制氢系统的温度控制方法，包括以下步骤：
34.基于可变时延建立高精度水电解制氢系统动态热力学模型，并将模型线性化和离散化；
35.对电解槽、气液分离器、冷却盘管和散热器入口前的液体流量进行监测；
36.计算当前周期预测时域内可变时延序列；
37.考虑当前控制输入在时延之后起作用的情况，优化代价函数；
38.拟定控制时域，降低计算量，将优化解的第一个元素作用于系统。
39.其中，可变时延包括不变时延的情况，不变时延是可变时延的一种特例。将面向控制的模型线性化后，离散化，得到基于状态空间模型的预测方程。考虑当前控制输入在时延之后起作用的情况，寻找可变时延作用之后的状态变量，优化代价函数。
40.基于时延的制氢系统温度控制方法如下：
41.电解槽内部发生水电解化学反应，电能一部分转化为化学能，另一部分变成了热能，增加电堆的温度。电能输入功率p
ele
、产热q
ele
的关系如下所示：
42.p
ele
＝u
cellicellncell (1)
43.q
ele
＝(u
cell-u
th
)i
cellncell
(2)
44.其中。u
cell
为电解池电压，i
cell
为电解池电流，u
th
为热中性电压，n
cell
表示电解槽中处于工作状态的小室的数量。
45.在现有的商业电解体系中，由于电解反应会释放大量的热能，需要配备换热器等冷却装置，通过控制器来调节冷却水的流量抑制干扰，使温度保持在最佳工作点，保证制氢系统稳定高效运行。
46.当堆前温度发生变化时，由于对内部电解液对流，堆后温度会在一段时间后发生变化。同理，气液分离器、冷却盘管和散热器也会发生时间延迟。
47.电堆、气液分离器、冷却盘管和散热器的热能平衡可表示为：
[0048][0049]
其中，下角标t表示测量时间。
[0050]
公式(3-a)表明堆后温度t
stack,t
的变化取决于产热功率q
ele,t
、电解液带走的热量功率和对环境造成的热量损失功率(热对流和热辐射)q
dis,stack,t
。
[0051]
[c
stack
,c
sep
,cc,cr]、[t
stack,t
,t
sep,t
,t
c,t
,t
r,t
]和[v
stack
,v
sep
,vc,vr]分别表示电解槽、气液分离器、冷却盘管和散热器的热容、出口温度和进口体积流量，[c
lye
,cc]和[ρ
lye
,ρc]表示电解液和冷却液的比热容和密度。
[0052]
公式(3-b)和公式(3-c)表明气液分离器与冷却盘管之间的热交换过程。公式(3-b)中第一项的1/2是因为只计算氢气一侧的电解液流量，是总流量的一半。第二项热传递通过传热系统k，接触面积a和平均对数温差δt
t
计算。公式(3-d)中，q
dis,radiator,t
表示散热器散热的功率。
[0053]
以上参数及单位可以通过实际情况或者文献中的经验公式等方式获得。
[0054]
对状态变量、控制输入和控制输出做如下定义：
[0055][0056]
对电解槽、气液分离器、冷却盘管和散热器入口前的液体流量进行监测，计算离散时间可变时延nd序列：
[0057]
在每个控制周期中，求解以下优化问题：
[0058][0059]
where
[0060][0061]
其中，x(k i|k)表示基于当前周期k在离散时间k i时的预测状态变量，q和α分别表示状态变量和控制输入的权重。
[0062]
对于一个有时间延迟的系统，一旦时间延迟过去，受控变量的变化就会很明显。因此，为了找到最优控制序列，需要在代价函数中只考虑时延后发生的输出预测，这意味着最
小预测范围应该是时间延迟如同，即n1＝nd。对于恒定时滞系统(不变时延系统)，n1很容易确定。然后，可以将最大预测范围n2设置为一个适当的值，以保证系统的鲁棒性，n1与n2之间的距离即为预测时域n
p
。
[0063]
为了降低每个周期的计算量，提供控制性能，引入控制时域nu，每个周期，控制序列发生变化，在预测时域中，超过控制范围的输入控制量，设置为最后的计算值并保持不变：u(k j|k)＝u(k n
u-1),j＝nu…n2-1。负反馈通过滚动优化实现，只有nu中第一个元素应用于被控对象，其余控制输入被丢弃，并在下一个采样时刻重复整个过程。
[0064]
可选地，不采用控制时域直接进行代价函数求解也属于本实例的特例，本专利应受到保护。
[0065]
本发明，可变时延是一种宽泛的表达，包括但不限于可变时间延误、可变延迟、可变延时、时变时延、时变时滞、变化传输延时、变化时滞等表达，表示时间上的滞后，这种滞后是可以变化的。
[0066]
本发明中，考虑可变时延的影响，提高了水电解制氢系统动态热力学模型的精度，将面向控制的模型在工作点线性化后，离散化，得到基于状态空间模型的预测方程，可以预测系统未来动态。对电解槽、气液分离器、冷却盘管和散热器入口前的液体流量进行监测。计算当前周期预测时域内可变时延序列，只考虑当前控制输入在时延之后起作用的情况，寻找可变时延作用之后状态变量，带入代价函数中，对代价函数进一步优化。最后，拟定控制时域，降低计算量，将优化解的第一个元素作用于系统，每个采样周期执行一次。即通过本发明，实现制氢系统温度快速和稳定控制，并对负载和环境温度波动有着良好的鲁棒性，使电解能效保持在较高水平，提高制氢效率。
[0067]
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。