CN105322572B - 基于sofc的电力生成和输送系统及其操作方法 - Google Patents

基于sofc的电力生成和输送系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为“基于SOFC的电力生成和输送系统及其操作方法”。用于工业设施(102)的电力系统(100)包括混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统(120)，其耦合到至少一个DC负载(106)和至少一个AC负载(112)。至少一个DC负载定义DC电力需求值，以及至少一个AC负载定义AC电力需求值。DC电力需求值和AC电力需求值定义电力需求比。HSOFC系统配置成具有对电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。

Description

基于SOFC的电力生成和输送系统及其操作方法
技术领域
一般来说，本公开的领域涉及电力生成系统，以及更具体来说，涉及基于固体氧化物燃料电池的电力生成系统及关联电力输送系统。
背景技术
燃料电池是机电能量转换装置，其表明电力生成中的较高效率和低污染。燃料电池一般提供直流(DC)电力，其可通过例如逆变器来转换成交流(AC)电力。DC或AC电力能够用来向马达、灯以及任何数量的电气装置和系统供电。某些燃料电池、例如固体氧化物燃料电池(SOFC)可在大规模电力系统(其提供电力以满足工业和市政需要)中进行操作。
燃料电池通过电化学地组合跨离子导电层的燃料和氧化剂来产生电力。燃料电池通常在燃料电池的组合件(燃料电池)中电串联积聚，以产生有用电压或电流的电力。一般来说，燃料电池的组件包括电解质和两个电极、即阳极和阴极。产生电力的反应一般在电极发生。电解质将带电粒子从一个电极传送到另一个电极。通常，燃料电池将氢(燃料)和氧(氧化剂)转换为水(副产品)，以生成DC电力。水副产品可在高温操作中作为蒸汽离开燃料电池。这个排出蒸汽(以及其他热排放成分)可在涡轮机和其他应用中用来生成附加电力、通常为AC电力，由此提供电力生成的增加效率。
在至少一些用于工业设施的已知电力生成系统中，DC电力全部转换为AC电力，并且与二次电力生成过程所生成的AC电力相结合。另外，来自电力网的AC电力可用作全职支持电源或者非经常的备用电源。组合AC电力然后在整个工业设施来分配。对于要求可靠DC电力源的关键过程应用，组合AC电力的一部分通常通过多级转换过程来转换成DC电力。这个多级转换过程常常包括集成不间断电源技术和DC电压调节。这个转换级增加系统损耗，降低系统可靠性，并且要求广泛的冷却供应。另外，这类装备要求用于构造和操作的大量资本支出以及用于预防和校正维护的操作和维护(O&M)开支。
发明内容
在一个方面，提供一种用于工业设施的电力系统。该电力系统包括混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统，其耦合到至少一个DC负载并且耦合到至少一个AC负载。至少一个DC负载定义DC电力需求值，以及至少一个AC负载定义AC电力需求值。DC电力需求值和AC电力需求值定义电力需求比。HSOFC系统配置成具有对电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。
在另一方面，提供一种操作用于工业设施的电力系统的方法。该电力系统包括混合固体燃料氧化物燃料电池(HSOFC)系统，其配置成生成直流(DC)电力，并且生成具有预定电力生成比的交流(AC)电力。该方法包括向至少一个DC负载传送DC电力的预定值。至少一个DC负载定义DC电力需求值。该方法还包括向至少一个AC负载传送AC电力的预定值。至少一个AC负载定义AC电力需求值。DC电力需求值和AC电力需求值定义电力需求比。该方法还包括采用HSOFC系统来生成DC电力和AC电力，使得电力生成比对电力需求比的基本补足。
在另一方面，提供一种工业设施。该工业设施包括：直流(DC)电力系统，耦合到至少一个DC负载；以及DC导体，耦合到至少一个DC负载。至少一个DC负载定义DC电力需求值。该工业设施还包括：交流(AC)电力系统，耦合到至少一个AC负载；以及AC导体，耦合到至少一个AC负载。至少一个AC负载定义AC电力需求值。DC电力需求值和AC电力需求值定义电力需求比。该工业设施还包括混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统，其耦合到至少一个DC负载并且耦合到至少一个AC负载。HSOFC系统配置成具有对电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。
技术方案1：一种用于工业设施的电力系统，所述电力系统包括耦合到至少一个DC负载并且耦合到至少一个AC负载的混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统，其中所述至少一个DC负载定义DC电力需求值，以及所述至少一个AC负载定义AC电力需求值，所述DC电力需求值和所述AC电力需求值定义电力需求比，所述HSOFC系统配置成具有对所述电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。
技术方案2：如技术方案1所述的电力系统，其中，所述电力需求比和所述电力生成比二者定义近似30％AC电力需求、近似30％AC电力生成、近似70％DC电力需求和近似70％DC电力生成。
技术方案3：如技术方案1所述的电力系统，其中，所述HSOFC系统包括：
SOFC系统；以及
发动机-发电机单元，耦合成与所述SOFC系统流体联系。
技术方案4：如技术方案3所述的电力系统，其中，所述SOFC系统配置成排他地生成DC电力，而所述发动机-发电机单元配置成排他地生成AC电力。
技术方案5：如技术方案4所述的电力系统，还包括耦合到所述SOFC系统并且耦合到所述至少一个DC负载的DC/DC转换器。
技术方案6：如技术方案1所述的电力系统，还包括：
DC导体，耦合到所述至少一个DC负载；以及
AC导体，耦合到所述至少一个AC负载。
技术方案7：如技术方案7所述的电力系统，还包括下列至少一个：
逆变器，耦合到所述DC导体并且耦合到所述AC导体，所述逆变器配置成将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力；
AC电力网断路器，耦合到所述AC导体和AC电力网，所述AC电力网断路器配置成促进采用AC电网电力来补充所述AC电力；
变压器，耦合到所述AC导体的一部分；
整流器，耦合到所述AC导体并且耦合到所述DC导体，所述整流器配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力；以及双向AC/DC转换器，配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力，并且将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力。
技术方案8：如技术方案1所述的电力系统，其中，所述HSOFC系统包括：
发动机-发电机单元；以及黑启动系统，包括耦合到所述发动机-发电机单元的启动器电池和启动驱动器。
技术方案9：如技术方案8所述的电力系统，其中：
所述发动机-发电机单元是燃气涡轮发动机；以及所述启动驱动器是电动马达和柴油机其中之一。
技术方案10：一种操作用于工业设施的电力系统的方法，所述电力系统包括混合固体燃料氧化物燃料电池(HSOFC)系统，其配置成具有预定电力生成比地生成直流(DC)电力并且生成交流(AC)电力，所述方法包括：
向至少一个DC负载传送DC电力的预定值，其中所述至少一个DC负载定义DC电力需求值；
向至少一个AC负载传送AC电力的预定值，其中所述至少一个AC负载定义AC电力需求值，所述DC电力需求值和所述AC电力需求值定义功率需求比；以及
采用所述HSOFC系统来生成DC电力和AC电力，使得所述电力生成比对所述电力需求比基本补足。
技术方案11：如技术方案10所述的方法，其中，采用所述HSOFC系统来生成DC电力和AC电力包括将所述电力需求比和所述电力生成比基本上保持在近似30％AC电力需求、近似30％AC电力生成、近似70％DC电力需求和近似70％DC电力生成。
技术方案12：如技术方案10所述的方法，其中，所述HSOFC系统包括SOFC系统和发动机-发电机单元，以及采用所述HSOFC系统来生成DC电力和AC电力包括采用所述SOFC系统排他地生成DC电力并且采用所述发动机-发电机单元排他地生成AC电力。
技术方案13：如技术方案12所述的方法，还包括通过下列至少一个步骤来调节耦合到所述至少一个DC负载的DC导体上的DC电压：
对所述SOFC系统下游和所述至少一个DC负载上游的DC/DC转换器通电；
将AC电力从耦合到所述发动机-发电机单元和所述至少一个AC负载的AC导体传送给所述DC导体；以及
通过双向AC/DC转换器将AC电力从耦合到所述发动机-发电机单元和所述至少一个AC负载的所述AC导体传送给所述DC导体。
技术方案14：如技术方案12所述的方法，还包括通过下列至少一个步骤来调节耦合到所述至少一个AC负载的AC导体上的AC电压：
对所述发动机-发电机单元下游和所述至少一个AC负载上游的变压器通电；
通过逆变器将DC电力从耦合到所述SOFC系统和所述至少一个DC负载的DC导体传送给所述AC导体；
闭合AC电力网断路器，以将AC电力网耦合到所述AC导体；以及通过双向AC/DC转换器将DC电力从耦合到所述SOFC系统和所述至少一个DC负载的DC导体传送给所述AC导体。
技术方案15：如技术方案10所述的方法，其中，所述HSOFC系统包括发动机-发电机单元，所述方法还包括采用所述发动机-发电机单元来执行黑启动。
技术方案16：如技术方案15所述的方法，其中，采用所述发动机-发电机单元来执行黑启动包括下列至少一个步骤：
将启动器电池耦合到可旋转地耦合到所述发动机-发电机单元的电动马达；以及将所述启动器电池耦合到可旋转地耦合到所述发动机-发电机单元的柴油机。
技术方案17：一种工业设施，包括：
耦合到至少一个DC负载的直流(DC)电力系统和耦合到所述至少一个DC负载的DC导体，其中所述至少一个DC负载定义DC电力需求值；
耦合到至少一个AC负载的交流(AC)电力系统和耦合到所述至少一个AC负载的AC导体，其中所述至少一个AC负载定义AC电力需求值，所述DC电力需求值和所述AC电力需求值定义电力需求比；以及
混合固体氧化物燃料材料(HSOFC)系统，耦合到所述至少一个DC负载和所述至少一个AC负载，所述HSOFC系统配置成具有对所述电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。
技术方案18：如技术方案17所述的工业设施，其中，所述电力需求比和所述电力生成比二者定义近似30％AC电力需求、近似30％AC电力生成、近似70％DC电力需求和近似70％DC电力生成。
技术方案19：如技术方案17所述的工业设施，其中，所述HSOFC系统包括：SOFC系统，配置成排他地生成DC电力；以及
发动机-发电机单元，耦合成与所述SOFC系统流体联系，所述发动机-发电机单元配置成排他地生成AC电力。
技术方案20：如技术方案17所述的工业设施，还包括下列至少一个：
DC/DC转换器，耦合到所述SOFC系统并且耦合到所述至少一个DC负载；
逆变器，耦合到所述DC导体并且耦合到所述AC导体，所述逆变器配置成将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力；
AC电力网断路器，耦合到所述AC导体和AC电力网，所述AC电力网断路器配置成促进采用AC电网电力来补充所述AC电力；
变压器，耦合到所述AC导体；
整流器，耦合到所述AC导体并且耦合到所述DC导体，所述整流器配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力；以及
双向AC/DC转换器，配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力，并且将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力。
技术方案21：如技术方案17所述的工业设施，其中，所述HSOFC系统包括：
发动机-发电机单元；以及
黑启动系统，包括耦合到所述发动机-发电机单元的启动器电池和启动驱动器。
技术方案22：如技术方案21所述的工业设施，其中：
所述发动机-发电机单元是燃气涡轮发动机；以及
所述启动驱动器是电动马达和柴油机其中之一。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本公开的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号通篇表示相似部件，附图包括：
图1是可用于工业设施中的示范电力系统的框图；以及
图2是可用于图1所示工业设施中的备选电力系统的框图。
除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的大量系统。因此，附图不是意在包括本领域的技术人员已知的、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参照定义成具有下列含意的多个术语。
单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。
“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。
本文所使用的近似语言在本说明书和权利要求书中通篇可适用于修饰可准许改变的任何定量表示，而没有引起与其相关的基本功能的变化。相应地，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语所修改的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的准确度。在这里并且在整个说明书和权利要求书中，范围限制可经过组合和/或互换，这类范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另加说明。
本文所述的电力生成系统提供一种用于从单个集成电源来生成交流(AC)电力和直流(DC)电力的所分配部分的节省成本方法。具体来说，本文所述的实施例包括专用AC电力生成部分和专用DC电力生成部分。更具体来说，现场专用AC和DC双电力生成源是互补的，即，它们设计成分别基本上匹配工业设施、例如数据中心的AC和DC负载要求。因此，AC电力和DC电力基本上单独调节并且分别分配给AC负载和DC负载。另外，本文所述的实施例包括用于提供AC与DC系统之间的冗余度、以增加总体设施可靠性和系统之间的功率平衡的多个设备和方法。此外，本文所述实施例的一部分包括两种电力源的黑启动能力。另外，本文所述的实施例显著降低对多级工厂内电力转换装置的需要、对工厂外电力的依靠、辅助电力要求以及伴随传输和分配损耗。
图1是可用于示范工业设施102中的示范电力系统100的框图。在本示范实施例中，工业设施是数据中心。备选地，工业设施102包括任何工业过程，其实现如本文所述电力系统100的操作。工业设施102的电力系统100包括直流(DC)电力输送系统104，其包括至少一个DC导体、即母线108。因此，DC电力通过至少一个DC母线108(其耦合到多个DC负载106的至少一部分)来传送给多个DC负载106。多个DC负载106的功耗的值之和定义DC电力需求值，其是实现如本文所述工业设施102的操作的任何值。DC负载106非限制性地包括数据中心设备(未示出)、例如数据服务器和应急照明的主电力。
工业设施102的电力系统100还包括交流(AC)电力输送系统110，其通过至少一个AC导体、即母线114耦合到多个AC负载112。因此，AC电力通过至少一个AC母线114(其耦合到多个AC负载112的至少一部分)来传送给多个AC负载112。多个AC负载112的功耗的值之和定义AC电力需求值，其是实现如本文所述工业设施102的操作的任何值。AC负载112非限制性地包括辅助设备(未示出)、例如设施照明和冷却。
DC电力需求值和AC电力需求值定义电力需求比，其在本示范实施例中分别近似为7％比30％。因此，DC负载106额定成消耗工业设施总功耗的近似70％，而AC负载112额定成消耗工业设施102的总功耗的近似30％。DC与AC电力需求之间的电力需求比通过工业设施102中的过程来驱使，并且可波动。但是，对于许多过程，这个电力需求比甚至当总电力需求比趋向于跟随过程强度时也保持基本上恒定。对于在极有效地生成具有与如本文所述电力系统100相似的比率的AC和DC电力的同时对宽功率范围进行操作的电力生成系统，这个需求特性是有益的。
电力系统100包括混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统120。HSOFC系统120包括固体氧化物燃料电池(SOFC)系统122，其包括实现如本文所述HSOFC系统120和电力系统100的操作的充分数量的所连接燃料电池(未示出)。备选实施例包括任何其他类型的燃料电池，其实现如本文所述HSOFC系统120的操作。SOFC系统122接收燃料流124，并且生成并且传送所生成的DC电力126，其中电力126排他地为DC。所生成的DC电力126主要提供给DC负载106。在本示范实施例中，燃料流124基本上是天然气。备选地，燃料流124是实现如本文所述SOFC系统122的操作的任何燃料，非限制性地包括在被提供给SOFC 122之前要求预处理的燃料。另外，所生成的DC电力126的值定义DC电力生成值，其是实现如本文所述HSOFC系统120、电力系统100和工业设施102的操作的任何值。DC电力需求的变化通过调整SOFC 122中的电力生产来满足。
HSOFC系统120还包括常规热力发电装置，即，耦合成与SOFC系统122流体联系的内燃机128。在本示范实施例中，内燃机128是燃气涡轮发动机或者任何其他燃气发动机，其可使用天然气流124的一部分作为燃料来补充一次燃料供应(以下进一步论述)。SOFC系统122还生成作为燃料电池的电化学过程的产物的高温工作流体流130。流体流130包括来自在SOFC 122中未使用的燃料流124的燃料，其完全或部分被信道传递到内燃机128以在其中燃烧。燃料流124的其余部分的这种燃烧驱动内燃机128生成机械动力，其驱动发电机组132。在一些实施例中，HSOFC 120还包括SOFC 122与内燃机128之间的燃料储存系统，以便分离服务于AC和DC负载的瞬时变化所要求的暂时燃料需要。如上所述，内燃机128耦合到发电机组132，其生成并且传送所生成的AC电力134，其中电力134排他地为AC。另外，所生成的AC电力134的值定义AC电力生成值，其是实现如本文所述HSOFC系统120、电力系统100和工业设施102的操作的任何值。内燃机128和发电机组132定义发动机-发电机单元133。
DC电力生成值和AC电力生成值定义电力生成比，其在本示范实施例中分别近似为70％比30％。因此，SOFC系统122额定成生成HSOFC 120的总生成电力的近似70％，以及发动机-发电机单元133额定成生成HSOFC 120的总生成电力的近似30％。总之，在本示范实施例中，电力需求比和电力生成比对工业设施102定义近似30％AC电力需求、近似30％AC电力生成、近似70％DC电力需求和近似70％DC电力生成。这些稳态电力生成和电力需求比以及接近和相邻值、非限制性地例如分别25％至35％以及65％至75％的范围(这取决于HSOFC 120的设计种类)一般是优选的，以使总发电厂效率为最大并且使低效为最小。因此，电力生成比是对电力需求比的基本补足。
在本实施例中，优选电力生成比的暂时偏差处于SOFC 122和内燃机133的单独燃料控制所支持的设计意图之内。因此，在AC和DC负载需求瞬变期间，变化的工厂电力生成遵循工业过程的电力需求，同时尝试将电力生成比和电力需求比的关系保持为基本上恒定。更具体来说，对于工业设施102，30％±x％AC电力需求促进具有30％±x％AC电力生成，以及70％±y％DC电力需求促进70％±y％DC电力生成。
在本示范实施例中，DC电力输送系统104包括电力流逆转保护系统140、至少一个DC隔离装置142(仅示出一个)以及至少一个DC-DC(DC/DC)转换器144(仅示出一个)。电力流逆转保护系统140是任何系统，其基本上防止DC电力从DC电力输送系统104传输到SOFC122。DC隔离装置142是任何隔离装置，其有效地将SOFC 122与DC母线108隔离，非限制性地包括均远程或本地操作的断路器(具有或没有自动保护特征)和隔离开关。一些实施例包括DC/DC转换器144，以用于调节其下游的母线108和负载106上的DC电压。其他实施例包括实现如本文所述DC电力输送系统104的操作的任何装置。另外，一些实施例包括具有调节其中生成的DC电压的特征的SOFC 122，使得下游调节装置不是必需的。
另外，在本实施例中，AC电力输送系统110包括多个AC隔离装置150。AC电力输送系统110还包括至少一个辅助电力系统152，其包括必要母线工作和开关设备(均未示出)，以促进HSOFC系统120的操作。AC电力输送系统110还包括同步开关154，其将发动机-发电机单元133所生成的AC电力134与开关154下游的AC电力输送系统110的其余部分中的AC电力进行同步。同步开关154是实现如本文所述AC电力输送系统110的操作的任何装置，非限制性地包括具有自动化同步和保护特征的断路器。
在一些实施例中，AC电力输送系统110还包括至少一个负载变压器156(仅示出一个)，其耦合到AC负载112的一部分。负载变压器156促进具有多个AV电压(非限制性地例如110单相 和440三相的工业设施102的操作。
在本示范实施例中，电力系统100包括至少一个逆变器160(仅示出一个)，其耦合到至少一个DC母线108和至少一个AC母线110。如果内燃机128和电网(以下进一步论述)不操作，则逆变器160将DC电力输送系统104中的DC电力的至少一部分转换成AC电力，以补充AC电力输送系统110中的AC电力输送和AC电压支持。逆变器160的存在创建三重冗余系统，以用于促进工业设施102(其包括具有高电力可用性要求的高要求过程)的持续操作。
另外，在一些实施例中，电力系统100包括至少一个整流器170(仅示出一个)，其耦合到至少一个DC母线108和至少一个AC母线110。整流器170将AC电力输送系统110中的AC电力的至少一部分转换成DC电力，以提供确保DC电力输送系统104中的DC电力输送和DC电压支持的冗余手段。整流器170是可选装置，其提供通过创建DC电力输送系统104上的双重冗余系统来改进系统可用性的另一种方式。对于一些工业负载类型，整流器170还可支持原本会使HSOFC 120暂时移出其最有效操作点的DC电力需求。在一些实施例中，变压器172耦合到整流器170，以将预定电压的AC电力传送给整流器170，供转换成预定DC电压的DC电力。
此外，在本示范实施例中，电力系统100包括AC电网断路器180，其耦合到AC电力输送系统110。工业设施102包括变电站182，其耦合到AC电网184。变电站182包括实现如本文所述工业设施102的操作的必要设备，非限制性地包括开关设备、变压器和保护特征。在一些实施例中，工业设施102还包括净计量装置186。在本示范实施例中，如果电力系统100需要从HSOFC系统120不可用的补充AC和DC电力，则AC电力仅根据需要从AC电网184来导入，以支持工业设施102的操作。净计量装置186促进对操作员(未示出)的关于从AC电网184所导入或者先前导入电力的值的通知。在一些实施例中，AC电网断路器180通常断开，以将AC电网184与电力系统100隔离，并且仅当补充电力支持为必需时才闭合。在其他实施例中，AC电网断路器180通常闭合。
在操作中，HSOFC系统120通过SOFC系统122生成充分DC电力126，以通过DC电力输送系统104向DC负载106充分供电。类似并且同时地，发动机-发电机单元133生成充分AC电力134，以通过AC电力输送系统110向AC负载112充分供电。因此，HSOFC系统120根据类型和容量将工业设施102的过程电力需要与所生成电力基本上匹配。这种匹配通过调节HSOFC120作为工业设施102的现有、历史和预计电力需求的函数所生成的电力来促进。在本示范实施例中，优选操作点是工业设施102的总电力需求的近似70％为DC以及总电力需求的近似30％为AC。因此，由HSOFC系统120所生成的总电力的近似70％直接传送给DC电力输送系统104，以及HSOFC系统120所生成的总电力的近似30％直接传送给AC电力输送系统110。因此，在示范实施例中，HSOFC系统120被设计、构造和操作成以电力平衡的极少调节基本上反映工业设施102的电力需要。HSOFC 120是可缩放的，并且多个HSPFC系统120用于进一步缩放性和冗余度。因此，任何工业设施的操作点可用来实现其中的如本公开所述电气系统100的操作。
在电力输送系统104、AC电力输送系统110和HSOFC系统120其中之一的一部分或全部需要从服务中去除的情况下，充分冗余度通过诸如逆变器160、整流器170和AC电网184之类的装置来提供。
图2是可用于工业设施102中的备选电力系统200的框图。电力系统200除了下列例外之外与电力系统100相似，并且为了清楚起见在图2中一部分特征未示出。电力系统200包括至少一个双向AC/DC转换器211(仅示出一个)，其耦合到至少一个DC母线108和至少一个AC母线110。双向AC/DC转换器211补充或者用来代替逆变器160和整流器170(均在图1中示出)。因此，双向AC/DC转换器211将DC电力输送系统104中的DC电力的至少一部分转换成AC电力，以补充AC电力输送系统110中的AC电力输送和AC电压支持。另外，双向AC/DC转换器211将AC电力输送系统110中的AC电力的至少一部分转换成DC电力，以补充DC电力输送系统104中的DC电力输送和DC电压支持。
在这个备选实施例中，备选HSOFC系统220包括黑启动系统221。黑启动系统221包括电池启动器系统223，其包括可靠地发动机-发电机单元133的黑启动的任何设备和特征，非限制性地包括电池充电和浮动系统。黑启动系统还包括启动驱动器225，其耦合到电池启动器系统223并且可旋转地耦合到发动机-发电机单元133。启动驱动器225是当发动机-发电机单元133为燃气涡轮发动机时实现发动机-发电机黑启动的任何装置，非限制性地包括电动马达和柴油机。备选黑启动装置非限制性地包括动量类型储存能量装置、太阳能收集器系统、柴油机供电发电机和辅助蒸汽锅炉。
如本文所使用的术语“黑启动条件”表示当电力生成设施中不存在使用中的发电机并且不存在其他直接可用电力源来促进其中的至少一个发电机的重启时的条件。另外，如本文所使用的术语“黑启动”表示被采取以使用任何备用电源来促进电力生成装置的启动的动作。
在操作中，在黑启动条件、即SOFC系统122中的电解过程的停止、发动机-发电机单元133的关机以及AC电网184的不可用期间，电池启动器系统223对启动驱动器225通电。启动驱动器225旋转发动机-发电机单元133，直到充分空气和燃料进入燃烧器(未示出)，以促进其中的点燃。一旦发动机-发电机单元133生成AC电力134并且辅助电力系统152被通电，则SOFC 122重启。一旦SOFC 122和发动机-发电机单元133正在操作，AC负载112和DC负载106重启。另外，备选地，SOFC 122可首先使用装置、例如较小柴油机供电发电机来重启，以提供辅助电力，其小于发动机-发电机单元133的额定值。一旦SOFC 122正在操作，高温工作流体流用来重启发动机-发电机单元133。
上述电力生成系统提供一种用于从单个集成电源来生成交流(AC)电力和直流(DC)电力的所分配部分的节省成本方法。具体来说，本文所述的实施例包括专用AC电力生成部分和专用DC电力生成部分。更具体来说，现场专用AC和DC双电力生成源是互补的，即，它们设计成分别基本上匹配工业设施、例如数据中心的AC和DC负载要求。因此，AC电力和DC电力基本上单独调节并且分别分配给AC负载和DC负载。这对具有大DC负载和大AC负载并且具有AC负载和DC负载一致跟随相似消耗剖面的负载动态的工业过程特别有价值。另外，本文所述的实施例包括用于提供AC与DC系统之间的冗余度、以增加总体设施可靠性和系统之间的功率平衡的多个设备和方法。此外，本文所述实施例的一部分包括两种电力源的黑启动能力。另外，本文所述的实施例显著降低对多级工厂内电力转换装置的需要、对工厂外电力的依靠、辅助电力要求以及伴随传输和分配损耗。此外，如本文所述的具有源能量的有效利用的HSOFC的布置准许具有当今已知的最高效率和低发射的电力生成。
本文所述的方法、系统和设备的一个示范技术效果包括下列至少一个：(a)增加工业设施中的单独AC和DC电源的可靠性；(b)降低工业设施中的电力系统的物理占用面积；(c)通过某种互连性来促进AC和DC系统的每个中与目标操作点的变化和瞬变；(d)采用增加供应无关性、可用性、效率、可靠性并且降低通过常规电力生成系统的发射的混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统来提供电力；以及(e)通过多个HSOFC系统来提供可缩放性和形态。
用于生成单独双重电力生成的方法、系统和设备的示范实施例并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独并且独立于本文所述的其他组件和/或步骤来使用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可与要求高可靠性和小物理占用面积的其他非常规电力生成系统结合使用，而并不局限于仅采用如本文所述系统和方法的实施。示范实施例而是能够与可获益于具有所生成以适合设计负载要求的AC和DC电力的可靠现场电力的许多其他应用、设备和系统结合实现和使用。
虽然本公开的各个实施例的具体特征可在部分附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便起见。按照本公开的原理，可与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施实施例，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。
附图标记说明

Claims (15)

1.一种用于工业设施(102)的电力系统(100)，所述电力系统包括耦合到至少一个DC负载(106)并且耦合到至少一个AC负载(112)的混合固体氧化物燃料电池(HSOFC)系统(120)，其中所述至少一个DC负载定义DC电力需求值，以及所述至少一个AC负载定义AC电力需求值，所述DC电力需求值和所述AC电力需求值定义电力需求比，所述HSOFC系统配置成具有对所述电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。
2.如权利要求1所述的电力系统(100)，其中，所述电力需求比和所述电力生成比二者定义近似30％AC电力需求、近似30％AC电力生成、近似70％DC电力需求和近似70％DC电力生成。
3.如权利要求1所述的电力系统(100)，其中，所述HSOFC系统(120)包括：
SOFC系统(122)；以及
发动机-发电机单元(133)，耦合成与所述SOFC系统流体联系。
4.如权利要求3所述的电力系统(100)，其中，所述SOFC系统(122)配置成排他地生成DC电力，而所述发动机-发电机单元(133)配置成排他地生成AC电力。
5.如权利要求4所述的电力系统(100)，还包括耦合到所述SOFC系统(122)并且耦合到所述至少一个DC负载(106)的DC/DC转换器(144)。
6.如权利要求1所述的电力系统(100)，还包括：
DC导体(108)，耦合到所述至少一个DC负载(106)；以及
AC导体(114)，耦合到所述至少一个AC负载(112)。
7.如权利要求6所述的电力系统(100)，还包括下列至少一个：
逆变器(160)，耦合到所述DC导体(108)并且耦合到所述AC导体(114)，所述逆变器配置成将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力；
AC电力网断路器(180)，耦合到所述AC导体和AC电力网(184)，所述AC电力网断路器配置成促进采用AC电网电力来补充所述AC电力；
变压器(172)，耦合到所述AC导体的一部分；
整流器(170)，耦合到所述AC导体并且耦合到所述DC导体，所述整流器配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力；以及
双向AC/DC转换器(211)，配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力，并且将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力。
8.如权利要求1所述的电力系统(100)，其中，所述HSOFC系统(120)包括：
发动机-发电机单元(133)；以及
黑启动系统(221)，包括耦合到所述发动机-发电机单元的启动器电池(223)和启动驱动器(225)。
9.如权利要求8所述的电力系统(100)，其中：
所述发动机-发电机单元(133)是燃气涡轮发动机；以及
所述启动驱动器(225)是电动马达和柴油机其中之一。
10.一种工业设施(102)，包括：
耦合到至少一个DC负载(106)的直流(DC)电力系统(104)和耦合到所述至少一个DC负载的DC导体(108)，其中所述至少一个DC负载定义DC电力需求值；
耦合到至少一个AC负载(112)的交流(AC)电力系统(110)和耦合到所述至少一个AC负载的AC导体(114)，其中所述至少一个AC负载定义AC电力需求值，所述DC电力需求值和所述AC电力需求值定义电力需求比；以及
混合固体氧化物燃料材料(HSOFC)系统(120)，耦合到所述至少一个DC负载和所述至少一个AC负载，所述HSOFC系统配置成具有对所述电力需求比基本补足的电力生成比地生成DC电力并且生成AC电力。
11.如权利要求10所述的工业设施(102)，其中，所述电力需求比和所述电力生成比二者定义近似30％AC电力需求、近似30％AC电力生成、近似70％DC电力需求和近似70％DC电力生成。
12.如权利要求10所述的工业设施(102)，其中，所述HSOFC系统(120)包括：
SOFC系统(122)，配置成排他地生成DC电力；以及
发动机-发电机单元(133)，耦合成与所述SOFC系统流体联系，所述发动机-发电机单元配置成排他地生成AC电力。
13.如权利要求10所述的工业设施(102)，还包括下列至少一个：
DC/DC转换器(144)，耦合到所述SOFC系统(122)并且耦合到所述至少一个DC负载(106)；逆变器(160)，耦合到所述DC导体(108)并且耦合到所述AC导体(114)，所述逆变器配置成将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力；
AC电力网断路器(180)，耦合到所述AC导体和AC电力网(184)，所述AC电力网断路器配置成促进采用AC电网电力来补充所述AC电力；
变压器(172)，耦合到所述AC导体；
整流器(170)，耦合到所述AC导体并且耦合到所述DC导体，所述整流器配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力；以及
双向AC/DC转换器(211)，配置成将所述AC电力的至少一部分转换成DC电力，并且将所述DC电力的至少一部分转换成AC电力。
14.如权利要求10所述的工业设施(102)，其中，所述HSOFC系统(120)包括：
发动机-发电机单元(133)；以及
黑启动系统(221)，包括耦合到所述发动机-发电机单元的启动器电池(223)和启动驱动器(225)。
15.如权利要求14所述的工业设施(102)，其中：
所述发动机-发电机单元(133)是燃气涡轮发动机；以及
所述启动驱动器(225)是电动马达和柴油机其中之一。
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