In a situation where fossil energy resources globally run short and the greenhouse effect increases, the interest in new technologies of energy conversion to reduce the demand of primary energy and emission of pollutants grows. The use of high temperature fuel cells like solid oxide fuel cells (SOFCs), especially in combination with gas turbines (GTs), promises remarkable room for improvement in the areas mentioned, compared to other state-of-the-art technologies. But design and handling of such complex plants require efficient control strategies to promote safe and reliable operation. The development of powerful control algorithms is based on an exact knowledge of the operating behavior, which can be obtained using dynamic system models. In this paper a nonlinear model with bulk parameters and 19 dynamic states is presented; the main assumptions and the underlying equations are given. The simulated system consists of a compressor, a SOFC, a turbine, a recuperator, an ejector with a diffusor, a reformer, and a load. Additionally, from the nonlinear model a linear one in state-space representation is derived at nominal conditions. The results of both models are compared. The agreement of the dynamic behavior and of steady state final values is satisfactory. Thus in future studies, methods of linear control theory could be used with the linear model to develop efficient control strategies.

No abstract

The purpose of the current work is to develop an appropriate control system for a solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid system. The main focus lies on the usage of linear control theory for the parameterization of the controller structure. The studies are carried out with a control oriented simplified dynamic model of a 25 MWe hybrid system based on a conceptual design previously presented in literature. As a specific feature additional firing of the gas turbine combustor is used as an extra actuating variable offering several advantages. Foregoing necessary investigations deal with calculating the on- and off-design behavior of the sample system and with defining a reasonable part-load operating curve taking into account several constraints like efficiency, stack temperature, surge margin, etc. Also, preliminary studies of the transient open loop behavior are performed. They reveal that the input variables should be changed with specific care to avoid critical situations during load change. As a precondition for linear control theory a low-order linear model is deduced and validated. With consideration of the transient simulation results and of the properties of the linear model a proper control strategy is suggested, which consists of a proportional output feedback taking into account the multi-input-multi-output character of the system and three distributed proportional-integral controllers that define the requested load point onto the operating curve. Lastly, the controllers are parameterized based on linear control theory and verified.

OriginalienDer zeitliche Verlauf des menschlichen Schlafs ist durch das zyklische Auftreten verschiedener Schlafstadien bestimmt [5][9], die sich in charakteristischer Weise über eine Schlafperiode verteilen. Entspricht die nächtliche Schlafstruktur nicht dieser Form, so liegt eine Schlafstörung vor. Einen besonderen Stellenwert nimmt dabei die obstruktive Schlafapnoe (OSA) ein, an der etwa 2 bis 4% der Bevölke-rung im Alter zwischen 30 und 60 Jahren leidet [11] [14]. Sie ist dadurch charakterisiert, dass die Schlundmuskulatur kollabiert und dadurch ein Verschluss des Atemtrakts eintritt. Durch den entstehenden Sauerstoffmangel im Blut werden Weckreaktionen und damit Schlafunterbrechungen ausgelöst. Damit wird die gesunde Schlafarchitektur nachhaltig gestört mit den entsprechenden Konsequenzen für Wohlbefinden und Gesundheit. Eine erfolgreiche Therapie der OSA wird über eine nasale Überdruckbeatmung erreicht [12,13], bei der es sich um kein konventionelles, invasives Beatmungs-, sondern um ein spezielles, nichtinvasives Spontanatmungsverfahren handelt.Bei Beatmungsgeräten der ersten Generation wird nach der Diagnose der Erkrankung im Schlaflabor ein fester Druck am Gerät eingestellt (CPAP-bzw. nCPAPGeräte; "nasal continuous positive airway pressure"). Da der Beatmungsdruck hinreichend groß sein sollte, um alle obstruktiven Ereignisse zu erfassen, werden damit auch obstruktionsfreie Schlafabschnitte mit einem hohen Beatmungsdruck behandelt. Deshalb wurden Therapiegeräte entwickelt, die den Beatmungsdruck dem jeweiligen Obstruktionsgrad anpassen (Auto-nCPAP-bzw. APAP-Geräte). Die dazu notwendige Detektion und Identifikation von Obstruktionen erfolgt auf verschiedene Weise. Treten dabei Fehler bei der Detektion der obstruktiven Schlafapnoe, insbesondere durch Artefakte (Schnarchen, Leckagen am Beatmungsgerät, Räuspern, etc.) auf, so führt das zu Fehlanpassungen des Beatmungsdrucks. Ist er zu hoch, ergibt dies eine Verminderung des Behandlungskomforts, ist er zu niedrig, so ist der Erfolg der Behandlung eingeschränkt.Bereits 2003 wurde deshalb ein neuer Regelalgorithmus entwickelt, der die Schwächen bisheriger Geräte weitgehend überwindet [7]. Es werden wissensbasiert der aktuelle Obstruktionsgrad und die Versorgung mit Atemluft ermittelt, von Artefakten befreit und anschließend wird mit einem linearen Regler der benötigte Überdruck eingestellt und angepasst. Die Parallelität der Vorgehensweise wird über einen Zustandsautomaten gesteuert. Bei der Entwicklung des Regelalgorithmus wurde vermisst, dass am Markt weder Testhardware noch -software vorhanden waren, um den Regler zu validieren. Auch gibt es darüber hinaus keine normierten Kriterien, um CPAP-bzw. APAPGeräte zu bewerten und untereinander zu vergleichen. Deshalb schloss sich an die Entwicklung des neuen Regelalgorithmus eine zweite Entwicklungsstufe an, in der ein bereits in [7] vorgeschlagenes Modell zu einem Atmungssimulator ausgebaut wurde, der eine vollständige Simulation und Erprobung von CPAP-bzw. APAPGeräten im geschlossenen Kreis gestattet, in dem ein e...