CN109904875B - 一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法 - Google Patents

一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，所述微电网由燃料电池发电、太阳能发电、储能蓄电池、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成。所述微电网采用分级控制方法，由一个微电网中心控制器(MGCC)和多个负荷控制器(LC)、微电源控制器(MC)组成，控制器间通过通信接口进行指令收发。所述燃料电池发电装置由燃料电池电堆、前级DCDC变换器、并网DCAC逆变器、超级电容和双向DCDC变换器、滤波器、本地负荷及控制器组成。所述燃料电池发电装置具有主动、被动两种控制方式。本发明可满足用户对电能需求，提高微电网供电可靠性和稳定性，保证燃料电池发电装置安全可靠运行，延长燃料电池电堆寿命。

Description

一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法
技术领域
本发明属于微电网控制技术领域，特别地，涉及一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池是一种在中高温下直接将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转换为电能的发电装置，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装及零污染等优点，可以直接使用氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气及生物质气等多种碳氢燃料。可作为微电网中的微电源使用，具有广阔的应用前景。
微电网可以在一个区域内整合多种形式的可再生电源、储能元件和本地负荷，以达到能源“就地生产，就地消纳”的目的，从而实现可再生能源的分布式利用，是调整能源结构，实现能源可持续发展的重要手段。微电网既可以并网运行，又可以孤岛运行，能保证区域电网故障下重要负荷供电，同时也是解决一些可再生资源丰富、电网接入困难地区电力供应问题的有效手段，已受到广泛的关注与重视。
微电网的可靠控制与保护是实现微电网各项功能的关键。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，适用于含固体氧化物燃料电池发电装置的微电网进行电能管理的自动控制。采用分级控制方法，由一个微电网中心控制器和多个负荷控制器、微电源控制器组成，以实现微电网运行的可靠控制。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理系统，包括：
燃料电池发电装置，其输出分两路，一路通过可控开关1与微电网交流总线连接，一路与本地负荷1连接；
蓄电池储能装置，其输出通过可控开关2与微电网交流总线连接；
太阳能发电装置，其输出分两路，一路通过可控开关3与微电网交流总线连接，一路与本地负荷2电气连接；
微电网中央控制器，与上级调度中心、燃料电池发电装置、蓄电池储能装置、太阳能发电装置连接；
总开关，连接于微电网交流总线和市电之间，用于对微电网进行并网/离网控制。
所述燃料电池发电装置包括：
燃料电池电堆，其输出端与前级DC/DC变换器输入端电气连接；
前级DC/DC变换器，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出分两路，一路通过可控开关1与微电网交流总线电气连接，一路与本地负荷1电气连接；
超级电容，其输出端与双向DC/DC变换器输入端电气连接；
双向DC/DC变换器，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
本地负荷1，用于消耗电网电能；
微电源控制器1，与燃料电池电堆、前级DC/DC变换器控制端、并网DC/AC逆变器控制端、双向DC/DC变换器控制端、可控开关1连接。
所述蓄电池储能装置包括：
储能蓄电池，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出端通过可控开关2与微电网交流总线电气连接；
微电源控制器2，与并网DC/AC逆变器控制端、可控开关2连接；
所述太阳能发电装置包括：
太阳能电池，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出端通过可控开关3与微电网交流总线电气连接；
微电源控制器3，与并网DC/AC逆变器控制端、可控开关3连接。
一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，包括以下步骤：
微电网中央控制器根据采集的微电网中燃料电池发电装置预估发电量PSOFC、太阳能发电装置预估发电量PPV、蓄电池储能装置提供的电量PBattery，确认电量是否有盈余；
若有盈余，且处于并网状态，微电网中心控制器将微电网电力输出值PMGrid上传到调度中心，并接收调度中心的指令，下发到各微电源控制器进行发电量控制；
若有盈余，且处于孤岛状态，微电网中心控制器通知储能蓄电池控制器对储能蓄电池充电，若仍有盈余，所述微电网中心控制器通过指令发送控制各微电源控制器减少发电量输出；
若没有盈余，且处于并网状态，调度中心控制市电弥补电力亏空；
若没有盈余，且处于孤岛状态，微电网中心控制器通过指令控制与负荷连接的负荷控制器，进行负荷切换处理。
所述燃料电池发电装置预估发电量PSOFC通过以下步骤得到：
获取初始燃料电池电堆伏安特性曲线1，实际伏安特性为曲线2；
实测两点数值(I1,UA2)、(I2,UB2)，根据电流I1时的实测电压UA2、初始电压UA1得到电流I1的衰减量1；根据电流I2时的实测电压UB2、初始UB1得到电流I2的衰减量2；
根据衰减量1、衰减量2得到指定电流值下的电压值，即得到预估发电量。
燃料电池发电装置具有主动控制、被动控制两种方式；
所述主动控制为：根据设定的电压、频率f，通过下垂控制原理控制燃料电池发电装置输出电量，使微电网具有稳定的电压和频率；
被动控制为：根据微电网中央控制器的指令控制燃料电池发电装置输出电量。
进行燃料电池电堆负荷突变保护，包括以下步骤：
并网运行下，若负荷增加，首先增加市电供电，然后逐渐增加燃料电池供电并减少市电供电；若燃料电池发电量增加可满足负荷增加需求，由燃料电池发电供给增加负荷，否则，由燃料电池发电与市电共同供给增加负荷；
并网运行下，若负荷降低，首先超级电容充电，若仍有盈余，减少市电供电；
并网运行下，若负荷不变，无操作；
独立运行下，若负荷增加过大，进行切负荷操作，否则首先增加超级电容供电，然后逐渐增加燃料电池供电并减少超级电容供电；若燃料电池发电量增加可满足负荷增加需求，由燃料电池发电供给增加负荷，否则，由燃料电池发电与超级电容共同供给增加负荷燃料电池发电量；
独立运行下，若负荷降低，首先超级电容充电，若仍有盈余，减少燃料电池供电；
独立运行下，若负荷不变，无操作。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.与现有技术相比，本发明优点在于微电网组成结构清晰，控制策略简单，运行稳定可靠。
2.通过储能装置对燃料电池电堆负荷突变进行吸收，延长燃料电池电堆使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的一种微电网组成框图。
图2为本发明提供的一种燃料电池电堆电能输出预估图。
图3为本发明提供的一种微电网中燃料电池发电装置控制方式切换图。
图4为本发明提供的一种燃料电池电堆负荷突变保护流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出了一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，以下结合附图和实施例对本发明作详细描述，但是本发明不仅限于以下实施例。
实施例1：微电网组成及能量管理。
如图1所示，为本发明提供的一种微电网组成框图。所述微电网由燃料电池发电、太阳能发电、储能蓄电池、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成。所述微电网采用分级控制方法，由一个微电网中心控制器(MGCC)和多个负荷控制器(LC)、微电源控制器(MC)组成，控制器间通过通信接口进行指令收发。
所述微电网包括：
燃料电池发电装置，其输出分两路，一路通过可控开关与微电网交流总线电气连接，一路与本地负荷1电气连接；
蓄电池储能装置，其输出通过可控开关与微电网交流总线电气连接；
太阳能发电装置，其输出分两路，一路通过可控开关与微电网交流总线电气连接，一路与本地负荷2电气连接；
负荷，包括本地负荷1、本地负荷2或其他本地负荷；
总开关，其两侧分别与微电网交流总线及市电连接，对微电网进行并网/离网控制；
监控中心，监控所述微电网工作状态。
所述微电网采用分级控制，包括：
微电网中央控制器(MGCC)，与上级调度中心信号连接，与下级多个MC、LC信号连接，与本地监控中心信号连接；
微电源控制器(MC)，与上级MGCC信号连接，与下级发电或储能装置可控组件信号连接；
负荷控制器(LC)，与上级MGCC信号连接，与下级本地负荷控制组件信号连接。
所述燃料电池发电装置包括：
燃料电池电堆，其输出端与前级DC/DC变换器输入端电气连接；
前级DC/DC变换器，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出分两路，一路通过可控开关与微电网交流总线电气连接，一路与本地负荷1电气连接；
超级电容，其输出端与双向DC/DC变换器输入端电气连接；
双向DC/DC变换器，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
本地负荷，用于消耗电网电能；
装置本地控制器，与燃料电池电堆可控组件、前级DC/DC变换器控制端、并网DC/AC逆变器控制端、双向DC/DC变换器控制端信号连接。
所述蓄电池储能装置包括：
储能蓄电池，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出端通过可控开关与微电网交流总线电气连接；
装置本地控制器，与并网DC/AC逆变器控制端信号连接。
所述太阳能发电装置包括：
太阳能电池，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出端通过可控开关与微电网交流总线电气连接；
装置本地控制器，与并网DC/AC逆变器控制端信号连接。
所述微电源控制器可对微电源状态进行实时估计，并将其预估可发电力/可存储电力数值以指令形式发送到微电网中央控制器。所述燃料电池预估发电量为PSOFC；所述储能蓄电池预估发电量为PBattery，正值代表可发电力，负值代表需存储电力，储能蓄电池电量过低需进行电量存储；所述太阳能发电预估发电量为PPV；所述本地负荷耗电量为PLOAD，为负值；所述微电网电力输出为PMGrid，PMGrid＝PSOFC+PBattery+PPV+PLOAD，正值代表电量有盈余，可以并网输出，负值代表电量有亏空，需要市电电力供给或进行切负荷处理。
所述微电网发电量有盈余，且处于并网状态，所述微电网中心控制器将微电网电力输出值PMGrid以指令形式上传到调度中心，所述调度中心根据整个电网负荷消耗情况，对微电网进行并网发电量控制，并以指令形式发送给微电网中心控制器，微电网中心控制器进一步下发到微电源控制器进行发电量控制；所述微电网发电量有盈余，且处于孤岛状态，所述微电网中心控制器通过指令发送通知储能蓄电池控制器对储能蓄电池充电，若仍有盈余，所述微电网中心控制器通过指令发送控制各微电源减少发电量输出；所述微电网发电量有亏空，且处于并网状态，所述调度中心控制市电增加电力供给，以弥补电力亏空；所述微电网发电量有亏空，且处于孤岛状态，所述微电网中心控制器通过指令控制负荷控制器，进行切负荷处理，所述负荷控制器采用继电器作为执行机构。
实施例2：燃料电池电堆输出电能估计。
如图2所示，为本发明提供的一种燃料电池电堆电能输出预估图。所述燃料电池电堆长期运行后存在性能下降情况，所述燃料电池发电装置控制器中存储有初始燃料电池电堆伏安特性曲线1。本例中，当实测伏安特性曲线与初始伏安特性曲线偏差大于5％以上，重新进行伏安曲线估计，假设电堆性能成比例下降，设实际伏安特性为曲线2，根据实测两点数值(I1,UA2)、(I2,UB2)，重新进行曲线绘制，并根据曲线2，进行燃料电池发电装置电量估计。
实施例3：微电网中燃料电池发电装置控制方式切换。
如图3所示，为本发明提供的一种微电网中燃料电池发电装置控制方式切换图。所述微电网在运行过程中，所述微电网中心控制器实时监测自身运行状态，并以指令形式发送给微电网中各微电源控制器，所述燃料电池发电装置控制器通过查询微电网中心控制器运行状态，进行主动控制及被动控制切换。
所述燃料电池发电装置主动控制，为燃料电池发电装置控制器直接根据电网特性进行下垂控制，控制燃料电池发电装置输出电量，无需通信网络，且此时燃料电池发电装置控制器具有负荷控制功能；所述燃料电池发电装置被动控制，为燃料电池发电装置控制器根据微电网中心控制器发送指令，进行燃料电池发电装置发电量控制。
所述微电网中燃料电池发电装置控制方式切换如下：
微电网并网运行，MGCC正常，SOFC(固体氧化物燃料电池)发电装置被动控制；
微电网并网运行，MGCC异常，SOFC(固体氧化物燃料电池)发电装置主动控制；
微电网孤岛运行，MGCC正常，SOFC(固体氧化物燃料电池)发电装置被动控制；
微电网孤岛运行，MGCC异常，SOFC(固体氧化物燃料电池)发电装置主动控制。
实施例4：燃料电池电堆负荷突变保护。
如图4所示，为本发明提供的一种燃料电池电堆负荷突变保护流程图。所述燃料电池发电装置控制器首先判断其是否并网。
并网运行下，若负荷增加，首先增加市电供电，然后逐渐增加燃料电池供电并减少市电供电，若燃料电池发电量增加可满足负荷增加需求，最终由燃料电池发电供给增加负荷，否则，由燃料电池发电与市电共同供给增加负荷；
并网运行下，若负荷降低，首先超级电容充电，若仍有盈余，减少市电供电；
并网运行下，若负荷不变，无操作；
独立运行下，若负荷增加过大，进行切负荷操作，否则首先增加超级电容供电，然后逐渐增加燃料电池供电并减少超级电容供电，若燃料电池发电量增加可满足负荷增加需求，最终由燃料电池发电供给增加负荷，否则，由燃料电池发电与超级电容共同供给增加负荷燃料电池发电量增加可满足负荷增加；
独立运行下，若负荷降低，首先超级电容充电，若仍有盈余，减少燃料电池供电；
独立运行下，若负荷不变，无操作。
其中，燃料电池发电装置单次供电电流增加不超过指定值1，避免燃料电池电堆出现燃料饥饿现象，影响燃料电池电堆寿命；燃料电池发电装置单次供电电流减小不超过指定值2，避免燃料电池电堆温度突然大幅升高，影响燃料电池电堆寿命。可多次增加或减少燃料电池发电装置供电量，以满足负荷增加或降低。

Claims (3)

1.一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，基于一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理系统实现，包括：燃料电池发电装置，其输出分两路，一路通过可控开关1与微电网交流总线连接，一路与本地负荷1连接；
所述燃料电池发电装置包括：
燃料电池电堆，其输出端与前级DC/DC变换器输入端电气连接；
前级DC/DC变换器，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出分两路，一路通过可控开关1与微电网交流总线电气连接，一路与本地负荷1电气连接；
超级电容，其输出端与双向DC/DC变换器输入端电气连接；
双向DC/DC变换器，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
本地负荷1，用于消耗电网电能；
微电源控制器1，与燃料电池电堆、前级DC/DC变换器控制端、并网DC/AC逆变器控制端、双向DC/DC变换器控制端、可控开关1连接；
蓄电池储能装置，其输出通过可控开关2与微电网交流总线连接；
所述蓄电池储能装置包括：
储能蓄电池，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出端通过可控开关2与微电网交流总线电气连接；
微电源控制器2，与并网DC/AC逆变器控制端、可控开关2连接；
太阳能发电装置，其输出分两路，一路通过可控开关3与微电网交流总线连接，一路与本地负荷2电气连接；
所述太阳能发电装置包括：
太阳能电池，其输出端与并网DC/AC逆变器输入端电气连接；
并网DC/AC逆变器，其输出端通过可控开关3与微电网交流总线电气连接；
微电源控制器3，与并网DC/AC逆变器控制端、可控开关3连接；
微电网中央控制器，与上级调度中心、燃料电池发电装置、蓄电池储能装置、太阳能发电装置连接；
总开关，连接于微电网交流总线和市电之间，用于对微电网进行并网/离网控制，其特征在于，包括以下步骤：
微电网中央控制器根据采集的微电网中燃料电池发电装置预估发电量PSOFC、太阳能发电装置预估发电量PPV、蓄电池储能装置提供的电量PBattery，确认电量是否有盈余；
若有盈余，且处于并网状态，微电网中心控制器将微电网电力输出值PMGrid上传到调度中心，并接收调度中心的指令，下发到各微电源控制器进行发电量控制；
若有盈余，且处于孤岛状态，微电网中心控制器通知储能蓄电池控制器对储能蓄电池充电，若仍有盈余，所述微电网中心控制器通过指令发送控制各微电源控制器减少发电量输出；
若没有盈余，且处于并网状态，调度中心控制市电弥补电力亏空；
若没有盈余，且处于孤岛状态，微电网中心控制器通过指令控制与负荷连接的负荷控制器，进行负荷切换处理；
所述燃料电池发电装置预估发电量PSOFC通过以下步骤得到：
获取初始燃料电池电堆伏安特性曲线1，实际伏安特性为曲线2；
实测两点数值(I1,UA2)、(I2,UB2)，根据电流I1时的实测电压UA2、初始电压UA1得到电流I1的衰减量1；根据电流I2时的实测电压UB2、初始UB1得到电流I2的衰减量2；
根据衰减量1、衰减量2得到指定电流值下的电压值，即得到预估发电量。
2.如权利要求1所述的一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，其特征在于燃料电池发电装置具有主动控制、被动控制两种方式；
所述主动控制为：根据设定的电压、频率f，通过下垂控制原理控制燃料电池发电装置输出电量；
被动控制为：根据微电网中央控制器的指令控制燃料电池发电装置输出电量。
3.如权利要求1所述的一种含燃料电池发电装置的微电网能量管理方法，其特征在于，进行燃料电池电堆负荷突变保护，包括以下步骤：
并网运行下，若负荷增加，首先增加市电供电，然后增加燃料电池供电并减少市电供电；若燃料电池发电量增加可满足负荷增加需求，由燃料电池发电供给增加负荷，否则，由燃料电池发电与市电共同供给增加负荷；
并网运行下，若负荷降低，首先超级电容充电，若仍有盈余，减少市电供电；
并网运行下，若负荷不变，无操作；
独立运行下，若负荷增加过大，进行切负荷操作，否则首先增加超级电容供电，然后增加燃料电池供电并减少超级电容供电；若燃料电池发电量增加可满足负荷增加需求，由燃料电池发电供给增加负荷，否则，由燃料电池发电与超级电容共同供给增加负荷燃料电池发电量；
独立运行下，若负荷降低，首先超级电容充电，若仍有盈余，减少燃料电池供电；
独立运行下，若负荷不变，无操作。
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