CN112152257A - 一种分布式能源系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式能源系统及其控制方法，实时监测所述储能系统的电量存储参数和充放电参数；当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率；当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率；当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。本发明实施例以燃料电池为主供电源、蓄电池为辅，集成风、光等电能技术建立分布式能源系统，通过对负载功率的跟踪，实现对燃料电池功率的动态调整。

Description

一种分布式能源系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种分布式能源系统及其控制方法。
背景技术
分布式能源作为在负载侧给用户提供能源的系统，主要用于解决自然灾害较多引起公用电网停电，或较偏远无电网地区的电力需求问题。目前常用的分布式供电系统有柴油发电机、光伏电站、蓄电池等。柴油发电机存在工作噪声大、有害排放等缺点；光伏电站需要足够的日照时间或匹配大容量的蓄电池进行使用，对安装地点要求较高，易造成林地、耕地的损害；而蓄电池则存在体积大、对环境温度要求苛刻、充放电情况不确定性等缺点。鉴于以上各种能源系统的不足，清洁、环保、高效的新型分布式能源系统正引起业界的高度关注。
燃料电池作为继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术，它是一种不经燃烧直接以电化学反应方式将燃料和氧化剂的化学能转变为电能的静默式高效发电装置，其不受卡诺循环限制，具有清洁、无污染、噪声低、能量密度高、连续供电时间长等优点，且输出为直流电，使得燃料电池更适用于匹配蓄电池组成分布式能源系统进行工作。虽然燃料电池具有诸多优点，但是由于其化学反应的机理，存在输出特性较软、动态响应慢、启动时需要辅助电源、度电成本高等不足。而目前还没有一种成熟的分布式能源综合利用系统，通过研发新能源的高效利用方式实现多能源互补综合利用，对于有效缓解一次能源紧缺及其利用带来的环境和安全性问题具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种分布式能源系统及其控制方法，以燃料电池为主供电源、蓄电池为辅，集成风、光等电能技术建立分布式能源系统，通过对负载功率的跟踪，实现对燃料电池功率的动态调整。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种分布式能源系统，所述分布式能源系统至少由燃料电池发电系统、太阳能光伏发电系统、风能发电系统、储能系统以及控制系统组成；其中，所述控制系统，被配置为：
实时监测所述储能系统的电量存储参数和充放电参数；
当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
在本发明的其中一种实施例中，所述控制系统还被配置为：
在启动所述分布式能源系统时，以预设的燃料电池发电功率控制所述燃料发电系统。
在本发明的其中一种实施例中，所述控制系统还被配置为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax、所述充放电参数中的放电电流If小于等于放电电流波动设定值Ib、所述充放电参数中的充电电流Ic小于放电电流波动设定值Ia时，判断所述预设的燃料供给保持条件得到满足；
在所述预设的燃料供给保持条件满足时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率。
在本发明的其中一种实施例中，所述控制系统还被配置为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的放电电流If大于放电电流波动设定值Ia，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC小于放电循环下限值SOCmin时，判断所述预设的燃料供给增加条件得到满足；
在所述预设的燃料供给增加条件满足时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率。
在本发明的其中一种实施例中，所述控制系统还被配置为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的充电电流Ic大于充电电流波动设定值Ib，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于放电循环上限值SOCmax时，判断所述预设的燃料供给减少条件得到满足；
在所述预设的燃料供给减少条件满足时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
本发明实施例还提供一种分布式能源系统的控制方法，包括以下步骤：
实时监测所述储能系统的电量存储参数和充放电参数；
当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
在本发明的其中一种实施例中，所述方法还包括：
在启动所述分布式能源系统时，以预设的燃料电池发电功率控制所述燃料发电系统。
在本发明的其中一种实施例中，所述当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率，具体为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax、所述充放电参数中的放电电流If小于等于放电电流波动设定值Ib、所述充放电参数中的充电电流Ic小于放电电流波动设定值Ia时，判断所述预设的燃料供给保持条件得到满足；
在所述预设的燃料供给保持条件满足时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率。
在本发明的其中一种实施例中，所述当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率，具体为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的放电电流If大于放电电流波动设定值Ia，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC小于放电循环下限值SOCmin时，判断所述预设的燃料供给增加条件得到满足；
在所述预设的燃料供给增加条件满足时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率。
在本发明的其中一种实施例中，所述当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率，具体为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的充电电流Ic大于充电电流波动设定值Ib，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于放电循环上限值SOCmax时，判断所述预设的燃料供给减少条件得到满足；
在所述预设的燃料供给减少条件满足时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于，本发明实施例通过集成燃料电池发电系统、太阳能光伏发电系统、风能发电系统等能源，通过监测储能系统中蓄电池荷电状态(SOC)、充放电电流状态等，实现系统对负载功率的跟踪，进一步对燃料电池功率实现动态调整，有效避免了燃料电池功率变化的滞后性及功率补偿过程中的大幅度功率波动。
附图说明
图1是本发明其中一种实施例的分布式能源系统的结构示意图；
图2是燃料电池发电系统的原理图；
图3是本发明其中一种实施例的分布式能源系统的控制逻辑图；
图4是本发明其中一种实施例的分布式能源系统的样机结构原理图；
图5是本发明其中一种实施例的分布式能源系统的燃料电池输出功率曲线图；
图6a～6c展示了是本发明其中一种实施例的分布式能源系统的燃料电池输出功率及蓄电池SOC曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明实施例提供了一种分布式能源系统，作为在负载侧向用户提供能源。所述分布式能源系统至少由燃料电池发电系统、太阳能光伏发电系统、风能发电系统、储能系统以及控制系统组成。如图2所示，燃料电池发电系统中的燃料电池是将储存的燃料与氧化剂之间的化学能转化为电能的发电设备，其释放出的热量可通过一个换热单元进行回收再利用。燃料电池采用安静的化学反应将氢源中的化学能直接转换为电能，其结构简单，能量转换效率高，生成物为纯净的水(含热)，是目前最为理想的能源技术，而氢源来源广泛，为避免纯氢的储存、运输危险性，常采用现在重整制氢等技术从甲醇等含氢原料中按需制取，直接进入燃料电池，无中间转运环节，实现安全发电。
所述分布式能源系统的控制方法由所述控制系统执行，方法包括步骤：
实时监测所述储能系统的电量存储参数和充放电参数；
当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
在本实施例中，通过在工作中实时监测储能系统中储能单元反馈的蓄电池状态参数，实施控制系统根据蓄电池的SOC、充放电电流来控制燃料电池工功率补偿度。控制方法具体如下：
首先，根据选用的燃料电池特性，设定其最优工作状态下允许的燃料和氧化剂的变化量，使得在功率补偿过程中以此来引导燃料电池的功率的递增或减小。
其次，针对设计允许的分布式能源系统的最大带载能力，对蓄电池的SOC进行判定设置，要求其允许的放电深度循环内，燃料电池的功率补偿能力大于负载的功率，如果接入有光伏等其它能源，可根据实际情况降低燃料电池的功率需求，其主要控制流程图如图3所示。
S1、在启动所述分布式能源系统时，以预设的燃料电池发电功率控制所述燃料发电系统。
由于燃料电池的化学发电特性，为实现对分布式能源系统中各组成单元的自动化控制，须对储能单元中蓄电池的荷电状态SOC及充电电流Ic、放电电流If进行实时监测并反馈控制燃料电池的燃料供给，进一步进行燃料电池的功率调节，实现动态补偿。
S2、当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax、所述充放电参数中的放电电流If小于等于放电电流波动设定值Ib、所述充放电参数中的充电电流Ic小于放电电流波动设定值Ia时，判断所述预设的燃料供给保持条件得到满足；
在所述预设的燃料供给保持条件满足时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率。
S3、当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的放电电流If大于放电电流波动设定值Ia，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC小于放电循环下限值SOCmin时，判断所述预设的燃料供给增加条件得到满足；
在所述预设的燃料供给增加条件满足时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率。
S4、当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的充电电流Ic大于充电电流波动设定值Ib，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于放电循环上限值SOCmax时，判断所述预设的燃料供给减少条件得到满足；
在所述预设的燃料供给减少条件满足时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
在本实施例中，进一步对储能系统中的储能单元进行以下参数的设定：
根据蓄电池性能指标设定：其优选放电循环上下限阀值SOCmin和SOCmax，系统额定发电功率为P额，燃料电池额定输出功率为P输，燃料电池从待机(零负载状态)到实现P输＝P额需用时为t，蓄电池的总容量为X，则有：
Figure BDA0002667356890000071
Figure BDA0002667356890000072
在式中，Pi表示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表示样本功率持续时间，值越小所得SOC阀值越准确；n表示样本量；以此针对燃料电池发电系统的储能蓄电池选型，及荷电SOC阀值的设定进行确定。
另外针对可稳定运行的燃料电池系统，可将其升、降功率与时间的过程视为线性关系，那么可以有效的简化参数设定，则有：
Figure BDA0002667356890000073
蓄电池容量阀值控制策略为：
分布式能源系统在工作中，控制单元实时监测储能单元反馈的蓄电池SOC数据，并根据设置的蓄电池SOC上限值SOCmax和下限值SOCmin控制是否增加或减少燃料电池的燃料供给，以使得燃料电池的输出功率进一步增加或降低。其控制策略为：
Figure BDA0002667356890000081
蓄电池充放电电流控制策略为：
由于燃料电池响应的滞后性，通过控制单元实时监测蓄电池充放电电流，并设定允许电流波动值I，那么当充电电流Ic或放电电流If在允许波动范围内时，保持燃料供给，即燃料电池输出功率不变，当充放电电流超出设计允许波动值，则主动进行燃料电池功率的预见性调整，其控制策略如下：
Figure BDA0002667356890000082
基于上述实施方式进行测试和分析：
研制一套4kW分布式能源系统测试样机。燃料电池额定输出功率为4kW，输出电压通过稳压隔离电源设定为54V，储能单元为带BMS管理可通讯的48V100Ah标准锂电池模块，最大输出功率为5kW，设定其SOCmin＝70％，SOCmax＝85％，设定允许的充放电电流波动值I＝3A。
蓄电池SOC阀值测试
利用6kW直流电子负载按照图4所示的系统结构搭建试验测试平台，将蓄电池的SOC调整到60％，不启动外部负载，对研制的分布式能源系统进行工作测试，直到燃料电池再次进入待机(零负载模式)，通过控制单元采集到燃料电池的功率数据拟合曲线见图5。
如图5所示，分布式能源系统进入工作模式后，监测到蓄电池容量少于SOCmin，燃料电池逐步增加功率输出直到最大输出功率后保持，持续到蓄电池容量大于SOCmax后，燃料电池减少功率输出，并进入待机模式。
蓄电池充放电电流阀值测试
将上述的测试样机平台接入电子负载，并设定为恒功率模式，将蓄电池容量调整到70％，启动系统进行测试，同时执行蓄电池容量阀值控制策略及蓄电池的充放电电流控制策略，并监测燃料电池的功率输出曲线及蓄电池容量曲线见图6a～6c。
关于图6a，其为系统启动时，监测到储能单元反馈蓄电池SOC低于SOCmin,因此控制单元增加燃料电池输出功率，并持续到蓄电池容量为SOCmin，并监测充电电流Ic大于设定波动值I，开始降低燃料电池的功率输出，完成对负载的自动匹配。然后模拟负载变化分别将电子负载功率突然增加到3.8kW和降到1kW进行测试，其结果如图6b和6c所示，蓄电池SOC在设定阀值间，由于负载的突变引起蓄电池充、放电电流超过了允许波动值I，控制单元立即对燃料电池的功率进行调整，并逐步趋于平衡工作，实现了负载的自动化跟踪匹配。
经过试验验证，研制的新型分布式能源系统各工作模式工作正常，所提出的控制策略完全满足了分布式能源系统对不同负载、负载变化的适应性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分布式能源系统，其特征在于，所述分布式能源系统至少由燃料电池发电系统、太阳能光伏发电系统、风能发电系统、储能系统以及控制系统组成；其中，所述控制系统，被配置为：
实时监测所述储能系统的电量存储参数和充放电参数；
当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
2.如权利要求1所述的分布式能源系统，其特征在于，所述控制系统还被配置为：
在启动所述分布式能源系统时，以预设的燃料电池发电功率控制所述燃料发电系统。
3.如权利要求1或2所述的分布式能源系统，其特征在于，所述控制系统还被配置为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax、所述充放电参数中的放电电流If小于等于放电电流波动设定值Ib、所述充放电参数中的充电电流Ic小于放电电流波动设定值Ia时，判断所述预设的燃料供给保持条件得到满足；
在所述预设的燃料供给保持条件满足时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率。
4.如权利要求1或2所述的分布式能源系统，其特征在于，所述控制系统还被配置为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的放电电流If大于放电电流波动设定值Ia，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC小于放电循环下限值SOCmin时，判断所述预设的燃料供给增加条件得到满足；
在所述预设的燃料供给增加条件满足时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率。
5.如权利要求1或2所述的分布式能源系统，其特征在于，所述控制系统还被配置为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的充电电流Ic大于充电电流波动设定值Ib，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于放电循环上限值SOCmax时，判断所述预设的燃料供给减少条件得到满足；
在所述预设的燃料供给减少条件满足时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
6.一种适用于如权利要求1～5任一项所述的分布式能源系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时监测所述储能系统的电量存储参数和充放电参数；
当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率；
当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
7.如权利要求6所述的分布式能源系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
在启动所述分布式能源系统时，以预设的燃料电池发电功率控制所述燃料发电系统。
8.如权利要求6或7所述的分布式能源系统的控制方法，其特征在于，所述当所述电量存储参数和所述充放电参数满足预设的燃料供给保持条件时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率，具体为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax、所述充放电参数中的放电电流If小于等于放电电流波动设定值Ib、所述充放电参数中的充电电流Ic小于放电电流波动设定值Ia时，判断所述预设的燃料供给保持条件得到满足；
在所述预设的燃料供给保持条件满足时，控制所述燃料发电系统保持燃料电池发电功率。
9.如权利要求6或7所述的分布式能源系统的控制方法，其特征在于，所述当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给增加条件时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率，具体为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的放电电流If大于放电电流波动设定值Ia，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC小于放电循环下限值SOCmin时，判断所述预设的燃料供给增加条件得到满足；
在所述预设的燃料供给增加条件满足时，控制所述燃料发电系统升高燃料电池发电功率。
10.如权利要求6或7所述的分布式能源系统的控制方法，其特征在于，所述当所述电量存储参数和/或所述充放电参数满足预设的燃料供给减少条件时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率，具体为：
当所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于等于放电循环下限值SOCmin且小于等于放电循环上限值SOCmax且所述充放电参数中的充电电流Ic大于充电电流波动设定值Ib，或所述电量存储参数中的荷电状态SOC大于放电循环上限值SOCmax时，判断所述预设的燃料供给减少条件得到满足；
在所述预设的燃料供给减少条件满足时，控制所述燃料发电系统降低燃料电池发电功率。
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