CN111370738B - 一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法 - Google Patents

一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法，所述燃料电池发电系统自适应负载控制系统包括燃料电池模块、燃料供给模块、储能模块和控制模块。本发明有效的将燃料电池放电功率与负载进行自动匹配，并伴随着负载的变化进行自适应步进级调整，同时进行燃料供给的增减及储能模块及时的电能补充。本发明能够有效的避免了负载变化对燃料电池模块造成的冲击，规避燃料供给模块响应的滞后性所造成不完全反应，甚至进一步对燃料电池模块造成不可逆的损害，减少储能模块的充、放电深度，从而延长燃料电池模块和储能模块的寿命，提高燃料电池发电系统在负载多变的使用工况下的可靠性。

Description

一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法。
背景技术
燃料电池发电系统作为当下新能源发电领域，全静默、不间断发电系统，其核心发电过程属于一种化学反应，而化学反应的速率总会受到一些因素的影响，如：反应物浓度、活化能、反应温度、催化剂等。同时，燃料电池发电系统的商业化制造过程中，亦会受到体积、质量、效率、成本、寿命、应用环境等因素的限制，使得任何类型的燃料电池本身都不可能快速、直接的进行化学反应陡然变化，从而实现输出功率的突变；制造者往往会将燃料电池与储能模块进行匹配后来实现一套完整的燃料电池发电系统，从而实现对实际负载进行输出供电。
由于以上各种原因造成的燃料电池功率缓缓变化，目前的处理办法为预估负载的峰值功率，成倍增加储能模块容量，同时进行以下几种管理办法：
1、当负载增加时：由储能模块进行补充输出，燃料电池缓慢增加燃料补给，同时提升放电功率；
2、当负载减小时：燃料电池多余的功率输出会对储能模块进行充电；
3、若储能模块电量已满，或负载全部关闭时：燃料电池会因为输出限制，采用电阻的形式将多余的电量消耗掉，同时缓慢减少燃料供给，进一步减少功率输出；或者瞬间切断燃料供给，从零开始缓缓增加燃料电池功率来匹配负载或系统自身的BOP消耗；
4、当负载小幅度波动时：燃料电池须按最大设定固定工作值不断增加、时给储能模块充电，然后进入上述状态3模式。
以上可以得出，在实际工作中，负载的变化、开/闭均会对燃料电池的功率造成大幅的冲击，伴随着功率的变化，燃料电池的反应温度及燃料供给均会有突变，这对燃烧电池本身会造成不可逆的伤害，损害燃料电池效率、寿命，进一步影响燃料电池发电系统的商业化应用，使其难以得到泛推广、应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法，以解决现有技术在负载的变化、开/闭时对燃料电池的功率造成大幅的冲击，进而对燃烧电池本身造成不可逆的伤害，损害燃料电池效率、寿命的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统，包括燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块和控制模块，所述燃料供给模块、燃料电池模块和储能模块均与控制模块通信连接；
所述燃料供给模块用于向燃料电池模块提供燃料和氧化剂，且燃料和氧化剂的供给量通过控制模块实现调节；
所述燃料电池模块通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生电力，实现燃料电池发电系统对外的电能输出供应；
所述储能模块与燃料电池模块通信连接，用于燃料电池发电系统在工作电能输出的补充或储存，实现电能变化时的削峰填谷；
所述控制模块用于采集燃料电池模块的参数并进行调节、采集燃料供给模块的参数并进行调节和采集储能模块的容量、充/放电数据，所述控制模块内设置有储能模块对应的容量管理阀值、燃料电池模块对应的电流阀值；
所述控制模块实时采集储能模块的容量、充/放电数据，结合容量管理阀值、电流阀值实时调整燃料供给模块的输出，通过燃料供给模块的输出调节燃料电池模块的放电功率。
本发明在使用时将接入负载，负载主要是作为整套发电系统的附属模块，仅用来进行燃料电池发电系统自适应负载控制技术验证使用。
本发明所述控制模块为核心技术载体主要功能为：a、可采集燃料电池模块的功率、温度等参数，并进行调节；b、可采集储能模块的容量、充/放电数据；c、可采集燃料供给模块的参数并进行调节；d、可设置储能模块的容量管理阀值、电流阀值。
即本发明所述控制模块主要用于对储能模块的容量、放电电流，燃料供给模块的供给量大小，燃料电池模块的输出功率、温度进行多点实时采集并给出不同的工作指令，实现发电系统的负载自动追踪。
本发明所述容量管理阀值和电流阀值均为范围值，控制模块通过采集储能模块的容量、充/放电数据分别与容量管理阀值和电流阀值进行比较，控制模块根据比较结果实时燃料供给模块的输出，采用范围值调节，使燃料电池避免冲击，能长时间工作在稳定的化学反应工况下；储能模块充、放电深度限制，同时当外部负载变化、开/闭时，燃料电池发电系统不再进行负载预估，全权自适应调节，提高燃料电池发电系统寿命、降低其应用成本，进一步使得其商用化实现可行。
综上，本发明所述燃料电池发电系统在负载变化、开/闭时，能够通过控制模块对储能模块、燃料电池模块的实时监控，进一步通过设定算法实时调整燃料供给模块的输出，通过调整燃料供给模块的输出调节燃料电池模块的放电功率。
进一步地，燃料电池模块的参数包括放电功率和温度。
进一步地，控制模块设置有负载接口。
进一步地，储能模块为电蓄电池。
所述电蓄电池能够可充、放、储能一定电能。
一种基于燃料电池发电系统自适应负载控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、控制模块实时采集储能模块的容量X；
2)、在控制模块内将容量X与容量管理阀值进行比较，所述容量管理阀值的最小值为A，最大值为B：
如果X小于A，由控制模块控制燃料供给模块增加输出，使燃料电池模块的放电功率增加；
如果X大于B，由控制模块控制燃料供给模块减少输出，使燃料电池模块的放电功率减少；
如果X大于A切且小于B，由控制模块采集储能模块的放电电流Y；
3)、在控制模块内将放电电流Y与电流阀值进行比较，所述电流阀值包括放电电流阀值C和充电电流阀值D，其中，D为负数：
如果Y大于C，由控制模块控制燃料供给模块增加输出，使燃料电池模块的放电功率增加，并采集储能模块的放电电流Y；
如果Y小于D，由控制模块控制燃料供给模块减少输出，使燃料电池模块的放电功率减少，并采集储能模块的放电电流Y；
如果Y大于D且小于C，由控制模块控制燃料供给模块输出不变，使燃料电池模块的放电功率保持、储能模块的放电电流保持。
本发明中的容量管理阀值和电流阀值的设定须根据燃料电池本身的功率特性进行判定。
本发明所述控制方法中控制模块通过采集储能模块的容量和放电电流参数实现对电池燃料供给模块输出的调节，有效的将燃料电池放电功率与负载进行自动匹配，避免了负载变化对燃料电池模块造成的冲击，规避燃料供给模块响应的滞后性所造成不完全反应，甚至进一步对燃料电池模块造成不可逆的损害，减少储能模块的充、放电深度，从而延长燃料电池模块和储能模块的寿命，提高燃料电池发电系统在负载多变的使用工况下的可靠性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法，有效的将燃料电池放电功率与负载进行自动匹配，避免了负载变化对燃料电池模块造成的冲击，以及对燃料电池模块造成不可逆的损害。
2、本发明所述燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法，有效的减少储能模块的充、放电深度，提高储能模块的使用寿命。
3、本发明提出的所述燃料电池发电系统自适应负载控制系统及方法，有效的规避燃料供给模块响应的滞后性所造成不完全化学反应、反应温度等多个元素的陡然性变化，对燃料供给模块本身，甚至对燃料电池发电系统造成不可预见的损害。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为燃料电池发电系统自适应负载控制系统的示意图；
图2为燃料电池发电系统自适应负载控制方法的逻辑框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
如图1所示，一种燃料电池发电系统自适应负载控制系统，包括燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块和控制模块，所述燃料供给模块、燃料电池模块和储能模块均与控制模块通信连接；
所述燃料供给模块用于向燃料电池模块提供燃料和氧化剂，且燃料和氧化剂的供给量通过控制模块实现调节；
所述燃料电池模块通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生电力，实现燃料电池发电系统对外的电能输出供应；
所述储能模块与燃料电池模块通信连接，用于燃料电池发电系统在工作电能输出的补充或储存；
所述控制模块用于采集燃料电池模块的参数并进行调节、采集燃料供给模块的参数并进行调节和采集储能模块的容量、充/放电数据，所述控制模块内设置有储能模块对应的容量管理阀值、燃料电池模块对应的电流阀值；
所述控制模块实时采集储能模块的容量、充/放电数据，结合容量管理阀值、电流阀值实时调整燃料供给模块的输出，通过燃料供给模块的输出调节燃料电池模块的放电功率；
所述燃料电池模块的参数包括放电功率和温度；所述控制模块设置有负载接口；所述储能模块为电蓄电池。
如图2所示，一种基于上述燃料电池发电系统自适应负载控制系统的控制方法，包括以下步骤：
1)、控制模块实时采集储能模块的容量X；
2)、在控制模块内将容量X与容量管理阀值进行比较，所述容量管理阀值的最小值为A，最大值为B：
如果X小于A，由控制模块控制燃料供给模块增加输出，使燃料电池模块的放电功率增加；
如果X大于B，由控制模块控制燃料供给模块减少输出，使燃料电池模块的放电功率减少；
如果X大于A切且小于B，由控制模块采集储能模块的放电电流Y；
3)、在控制模块内将放电电流Y与电流阀值进行比较，所述电流阀值包括放电电流阀值C和充电电流阀值D，其中，D为负数：
如果Y大于C，由控制模块控制燃料供给模块增加输出，使燃料电池模块的放电功率增加，并采集储能模块的放电电流Y；
如果Y小于D，由控制模块控制燃料供给模块减少输出，使燃料电池模块的放电功率减少，并采集储能模块的放电电流Y；
如果Y大于D且小于C，由控制模块控制燃料供给模块输出不变，使燃料电池模块的放电功率保持、储能模块的放电电流保持。
本实施例中的容量管理阀值和电流阀值的设定须根据燃料电池本身的功率特性进行判定，如下(假设储能模块容量足够大，且无其它负载)：
(1)
Figure GDA0002451483490000051
(2)
Figure GDA0002451483490000052
n≥2；
(3)
Figure GDA0002451483490000053
(4)
Figure GDA0002451483490000054
Px＝Pmax-Pmin；
其中，Pi为燃料电池发电样本功率，其中，P1为额定功率，Pn为零负载待机功率；ti为样本功率持续时间，n为样本量；t为全部工作时间；pmax为主要连续负载功率峰值；pmin为主要连续负载功率谷值。
以上三个公式，在设定控制阀值的同时，针对燃料电池发电系统的储能模块选型，亦作出的指导。设定某型储能电池最优循环寿命放电深度(DOD)为z％，因此：
(5)Xmax-A≤Xmax×z％.
同时，当外部负载完成不可预估，或波动十分剧烈，如空调、电机等感性负载时，可将C设定为：
(6)0＜C≤Xmax/h×c；c：储能电池推荐放电倍率
本发明所提供的一种燃料电池发电系统自适应负载控制技术中要求：
当X<A时，则控制燃料供给模块逐渐增加燃料供给，其增加速度应根据燃料电池本身特性进行设定(由膜电极、反应温度等因素决定，通常燃料电池厂家提供数据，以下同理)，进一步加大燃料电池功率输出；
当X>B时，则控制燃料供给模块逐渐减少燃料供给，其设定其速率(特性值)；
当A<X<B时，则判定Y>C增加燃料供给，Y<D则减少燃料供给，当D<Y<C则保持燃料电池模块、燃料供给模块、储能模块工作状态不变。
且由于各阀值的设定，储能模块容量被限定在阀值间变化，避免了储能模块过充、过放现象，使得燃料电池发电系统有效规避现有技术中，储能模块容量已满时出现的规律性功率冲击。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于燃料电池发电系统自适应负载控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、控制模块实时采集储能模块的容量X；
2）、在控制模块内将容量X与容量管理阀值进行比较，所述容量管理阀值的最小值为A，最大值为B：
如果X小于A，由控制模块控制燃料供给模块增加输出，使燃料电池模块的放电功率增加；
如果X大于B，由控制模块控制燃料供给模块减少输出，使燃料电池模块的放电功率减少；
如果X大于A切且小于B，由控制模块采集储能模块的放电电流Y；
3）、在控制模块内将放电电流Y与电流阀值进行比较，所述电流阀值包括放电电流阀值C和充电电流阀值D，其中，D为负数：
如果Y大于C，由控制模块控制燃料供给模块增加输出，使燃料电池模块的放电功率增加，并采集储能模块的放电电流Y；
如果Y小于D，由控制模块控制燃料供给模块减少输出，使燃料电池模块的放电功率减少，并采集储能模块的放电电流Y；
如果Y大于D且小于C，由控制模块控制燃料供给模块输出不变，使燃料电池模块的放电功率保持、储能模块的放电电流保持；
燃料电池发电系统自适应负载控制系统，包括燃料供给模块、燃料电池模块、储能模块和控制模块，所述燃料供给模块、燃料电池模块和储能模块均与控制模块通信连接；
所述燃料供给模块用于向燃料电池模块提供燃料和氧化剂，且燃料和氧化剂的供给量通过控制模块实现调节；
所述燃料电池模块通过燃料和氧化剂发生电化学反应产生电力，实现燃料电池发电系统对外的电能输出供应；
所述储能模块与燃料电池模块通信连接，用于燃料电池发电系统在工作电能输出的补充或储存；
所述控制模块用于采集燃料电池模块的参数并进行调节、采集燃料供给模块的参数并进行调节和采集储能模块的容量、充/放电数据，所述控制模块内设置有储能模块对应的容量管理阀值、燃料电池模块对应的电流阀值；
所述控制模块实时采集储能模块的容量、充/放电数据，结合容量管理阀值、电流阀值实时调整燃料供给模块的输出，通过燃料供给模块的输出调节燃料电池模块的放电功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池发电系统自适应负载控制系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池模块的参数包括放电功率和温度。
3.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池发电系统自适应负载控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制模块设置有负载接口。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于燃料电池发电系统自适应负载控制系统的控制方法，其特征在于，所述储能模块为电蓄电池。
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