一．中文题目
固体氧化物燃料电池-燃气轮机一体化发电系统：建模、分析与构网控制
二．英文题目
Integrated SOFC-GT Generation System: Modeling, Analysis, and Grid Forming Control
三．作者信息
李长悦，党翰斌，杨天煜，杜宇华*，李致朋，皇甫宜耿
四．发表刊物
《IEEE Transactions on Sustainable Energy》，该刊物聚焦可持续能源领域的系统建模、控制优化与并网应用等前沿方向，最新影响因子10.0，是能源与电力领域具有重要国际影响力的中科院 SCI 一区 TOP 期刊。
五．论文索引信息
C. Li, H. Dang, T. Yang, Y. Du, Z. Li and Y. Huangfu, “Integrated SOFC-GT Generation System: Modeling, Analysis, and Grid Forming Control,” IEEE Transactions on Sustainable Energy, DOI: 10.1109/TSTE.2025.3645561.
六．论文简介
随着风光等可再生能源的大规模并网，其波动性与间歇性给电网稳定运行带来严峻挑战。传统构网单元多依赖电池储能系统，存在寿命短、容量有限且缺乏固有机械惯性等问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）具有高效、低排放、燃料适应性广等优势，是目前氢能发电大规模应用的一种有效手段；但是，其动态响应较慢，单独运行时难以提供有效的电网支撑。针对这一痛点，论文提出了一套具有构网运行能力的固体氧化物燃料电池 - 燃气轮机（SOFC-GT）一体化发电系统设计方法及控制策略，实现了多能量流协同优化与电网稳定支撑的双重目标。
图1： 构网模式下SOFC-GT一体化发电系统运行流程示意图
该集成系统创新性地融合了 SOFC 的高效发电特性与GT的快速响应能力，通过回收 SOFC 高温尾气进行二次发电，系统综合效率得到提升，如图1所示。在系统框架上，构建了涵盖电化学、热、机械多领域的协调控制框架，实现氢电转换。
图2： SOFC-GT一体化发电系统构网运行控制框图
在控制策略上，通过所设计的功率分配策略，动态调节 SOFC 与 GT 的功率输出，使集成发电系统呈现下垂特性；SOFC侧采用两级功率变换与燃料利用率闭环控制，确保功率跟踪精度与运行安全；GT 侧引入排气再利用与备用燃料补偿机制，保障燃料供应稳定性与机械惯性支撑，如图2所示。该控制策略无需精确的系统参数先验知识，仅依赖本地量测与内部信息交互，适用于多种电网拓扑。
图3：SOFC-GT发电系统在采用/未采用所提出的控制方案时的工作状态对比
论文基于小信号建模方法，通过特征值分析验证了闭环系统的稳定性，明确了下垂系数对系统动态性能的影响规律。为验证方案有效性，搭建了控制器硬件在环试验平台：采用实时仿真器模拟含多能量流的集成系统动态过程，构建分布式硬件控制器，实现控制算法的实时运行。实验结果表明，在负荷扰动、拓扑切换、单元故障等多种工况下，该系统不仅能自主维持频率与电压稳定，显著降低波动偏差，还能实现燃料的高效利用，相比传统 SOFC 构网控制方法，展现出更优的稳态精度、动态响应与鲁棒性，实验结果如图3所示。此外，系统具备完善的故障容错机制，在 SOFC 或 GT 单元意外退出时，可通过功率自主重分配维持电网持续供电。
本文是皇甫宜耿课题组于2025年在《IEEE Transactions on Sustainable Energy》上针对SOFC-GT一体化发电系统涉网运行关键技术系列研究的又一交叉学科成果。
七．资助信息
本工作受到国家自然科学基金资助。
撰稿：杜宇华；审核：王小旭
