CN112491083A - 一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法 - Google Patents

一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法，包括，A.蓄电池SoC大于第一设定值且小于第二设定值，当负载单元所需功率大于发电单元的总功率时，启动蓄电池放电；当负载单元所需功率小于发电单元的总功率时，启动蓄电池充电；B.蓄电池SoC大于第二设定值，将发电单元中的部分或全部断出微网，同时启动蓄电池放电，直到蓄电池SoC小于第三设定值后将发电单元全部接入微网；C.蓄电池SoC小于第一设定值，将直流恒流电源接入微网，直到负载单元所需功率小于发电单元。本方案能够视情况控制蓄电池充放电、控制各发电单元投入或断出微网，及控制直流恒流电源接入或退出微网，实现供需功率平衡的同时实现对蓄电池的过充和过放保护。

Description

一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法
技术领域
本发明属于微电网电能管理技术领域，尤其是涉及一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法。
背景技术
微网，也叫微电网，指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。
随着燃料发电技术的成熟，燃料电池发电渐渐地被引入微电网中。燃料电池作为一种新型的绿色能源，可使用甲醇、氨水等液态燃料，具有能量密度大，转换效率高、稳定无噪音等特点，将燃料电池作为补充电源，与光伏、蓄电池联合，构成“光伏-蓄电池-燃料电池”“光-蓄-燃”互补发电系统，能够在一定程度上平抑光伏发电的功率波动，并弥补蓄电池容量不足的问题。如中国专利公开了一种光-蓄-燃互补发电系统[申请号：CN201921254007.0]，包括光伏阵列和高温固体氧化物燃料电池，光伏阵列和高温固体氧化物燃料电池的输出端分别通过第一电能转换电路和第二电能转换电路连接于直流母线，直流母线通过第三电能转换电路连接于直流负载，直流母线通过第一双向电能转换电路和第二双向电能转换电路分别连接于光伏蓄电池和燃蓄电池，光伏阵列、高温固体氧化物燃料电池、光伏蓄电池、燃蓄电池和直流负载均连接于控制器。
但是上述方案存在一定的缺陷，例如在发电电能不够用的情况下容易出现蓄电池过放的问题等。而且，目前的微电网没有从能源调度方面实现对蓄电池的过充过放保护，无法根据蓄电池和负载的情况控制各发电单元的运行情况，容易出现蓄电池过充过放且容易出现微电网系统能量失衡的问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于燃料电池的运行控制方法，通过以下方法进行能量管理以达到供需功率平衡：
A.蓄电池SoC大于第一设定值且小于第二设定值，
当负载单元所需功率大于发电单元的总功率时，启动蓄电池放电；
当负载单元所需功率小于发电单元的总功率时，启动蓄电池充电；
B.蓄电池SoC大于第二设定值，将发电单元中的部分或全部断出微网，同时启动蓄电池放电，直到蓄电池SoC小于第三设定值后将发电单元全部接入微网；
C.蓄电池SoC小于第一设定值，
将直流恒流电源接入微网，直到负载单元所需功率小于发电单元。
在上述的基于燃料电池的运行控制方法中，在方法C中，将直流恒流电源接入微网的同时启动蓄电池充电。
在上述的基于燃料电池的运行控制方法中，在方法C中，在蓄电池充电至第四设定值时，将直流恒流电源断出微网。
在上述的基于燃料电池的运行控制方法中，所述的第一设定值为20％，第二设定值为80％，第三设定值为40％，第四设定值为60％。
一种基于燃料电池的运行控制方法的微网结构，包括分别连接于直流母线的发电单元、储能单元和负载单元，其特征在于，所述的发电单元包括燃电单元和光伏单元，所述的储能单元包括分别连接于所述直流母线的蓄电池和直流恒流电源，所述的发电单元、储能单元和负载单元均连接于能源控制系统；
所述的能源控制系统包括有用于采集发电单元、储能单元和负载单元运行数据的能源数据模块和用于根据运行数据进行能量管理以达到供需功率平衡的能源管理模块。
在上述基于燃料电池的微网结构中，所述的燃电单元包括燃料发电单元和第一DC/DC变换器，所述的燃料发电单元通过所述的第一DC/DC变换器连接于所述的直流母线，所述的第一DC/DC变换器和燃料发电单元均连接于所述的能源控制系统。
在上述基于燃料电池的微网结构中，所述的光伏单元包括光伏发电单元和第二DC/DC变换器，所述的光伏发电单元通过所述的第二DC/DC变换器连接于所述的直流母线，所述的光伏发电单元和第二DC/DC变换器均连接于所述的能源控制系统；
所述的第二DC/DC变换器包括有两个PI控制器，所述的光伏单元通过恒电压控制法向直流母线输出恒定电压。
在上述基于燃料电池的微网结构中，所述的发电单元还包括风力单元。
在上述基于燃料电池的微网结构中，所述的风力单元包括风力发电单元和AC/DC变换器，所述的风力发电单元通过所述的AC/DC变换器连接于所述的直流母线，且所述的风力发电单元和AC/DC变换器均连接于所述的能源控制系统。
在上述基于燃料电池的微网结构中，所述的储能单元还包括连接于所述蓄电池和能源控制系统的电池管理系统；
所述的蓄电池通过双向DC/DC变换器连接于所述的直流母线，且所述的双向DC/DC变换器包括有两个PI控制器以通过恒压模式控制直流母线电压。
本发明的优点在于：同时将燃电单元、光伏单元、风力单元加入微网中，结合各种发电类型，满足大部分时候的发电量需求；发电单元同时给蓄电池充电和为负载供电，且所有发电单元接入一个蓄电池，无需各自设置蓄电池，便于对蓄电池的统一管理，同时简化微网结构；能源控制系统能够根据蓄电池的电量情况以及发电单元与负载单元的功率平衡情况控制蓄电池充放电及控制各发电单元投入断出微网，实现供需功率平衡的同时实现对蓄电池的过充保护；储能单元设置有直流恒流电源，能够在发电单元总的功率不足已提供负载单元所需功率时投入微网，进一步实现供需功率的平衡，同时实现对蓄电池的过放保护。
附图说明
图1为本发明基于燃料电池的微网结构的连接示意图；
图2为本发明基于燃料电池的微网结构的连接框图；
图3为本发明基于燃料电池的微网结构的运行控制方法流程图。
附图标记，直流母线1；发电单元2；储能单元3；蓄电池31；直流恒流电源32；双向DC/DC变换器33；负载单元4；风力单元5；风力发电单元51；AC/DC变换器52；燃电单元6；光伏单元7；光伏发电单元71；第二DC/DC变换器72；能源控制系统8；能源数据模块81；能源管理模块82。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本实施例公开了一种基于燃料电池的微网结构和运行控制方法，如图1和图2所示，微网结构包括分别连接于直流母线1的发电单元2、储能单元3和负载单元4，发电单元2包括燃电单元6和光伏单元7，储能单元3包括分别连接于直流母线1的蓄电池31和直流恒流电源32，发电单元2、储能单元3和负载单元4均连接于能源控制系统8以向能源控制系统8发送运行数据和接收能源控制系统8的能源管理调度；
能源控制系统8包括有用于采集发电单元2、储能单元3和负载单元4运行数据的能源数据模块81和用于根据运行数据进行能量管理以达到供需功率平衡的能源管理模块82。
具体地，燃电单元6包括燃料发电单元和第一DC/DC变换器61，燃料发电单元通过第一DC/DC变换器61连接于直流母线1，这里的燃料发电单元优选SOFC发电单元62，第一DC/DC变换器61和SOFC发电单元62均连接于能源控制系统8。本领域技术人员应当知道，SOFC发电单元62包括原料功率模块、循环水冷却模块和发电模块等，且各模块均设置有相应的传感器模块以采集各环节的温度、压力、流速并发送给能源控制系统8。同时，第一DC/DC变换器61将采集到的输入电压电流和输出电压电流发送给能源控制系统8。
具体地，光伏单元7包括光伏发电单元71和第二DC/DC变换器72，光伏发电单元71通过第二DC/DC变换器72连接于直流母线1，光伏发电单元71和第二DC/DC变换器72均连接于能源控制系统8；第二DC/DC变换器72包括有两个PI控制器，光伏单元7通过恒电压控制法向直流母线1输出恒定电压。
本领域技术人员应当知道，恒电压控制法包括：
第二DC/DC变换器72将采集到的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流等信号发送给能源控制系统8，能源控制系统8将给定的光伏单元输出参考电压与实际输出电压的差值传递给第二DC/DC变换器72中的第一PI控制器，计算得到光伏单元的输出参考电流，并将输出参考电流与光伏单元的实际输出电流的差值传递给第二DC/DC变换器72内的第二PI控制器，通过光伏单元限流环节作为第二DC/DC变换器72的脉冲宽度调制PWM波的输入，从而得到PWM波，最后输入到Boost升压电路，从而实现光伏单元的恒电压控制。
进一步地，储能单元3还包括连接于蓄电池31和能源控制系统8的电池管理系统(BMS)；蓄电池31通过双向DC/DC变换器33连接于直流母线1，且双向DC/DC变换器33包括有两个PI控制器以通过恒压模式控制直流母线电压。恒压模式控制直流母线1电压的方式如下：双向DC/DC变换器33采集直流母线1电压，并将采集到的母线电压与母线电压参考值的差值传递给双向DC/DC变换器33内的第一PI控制器，计算得到蓄电池31的输出参考电流，再将蓄电池31的输出参考电流与蓄电池的实际输出电流的差值传递给双向DC/DC变换器33内的第二PI控制器，最后通过蓄电池31限流环节作为双向DC/DC变换器33的脉冲宽度调制PWM波的输入，从而实现蓄电池31通过恒压模式控制直流母线1电压。
进一步地，发电单元2还包括风力单元5。风力单元5包括风力发电单元51和AC/DC变换器52，风力发电单元51通过AC/DC变换器52连接于直流母线1，且风力发电单元51和AC/DC变换器52均连接于能源控制系统8。这里的风力发电单元采用空气动力模型描述风能与电能的转化，电机系统采用直驱永磁同步电机结构，由风轮、发电机、桥式整流电路和Boost升压斩波电路等构成，通过电压型PWM变流器的AC/DC变换器52并入微网，正常运行时工作于最大功率跟踪输出MPPT模式。
具体地，如图3所示，本方案由能源控制系统8的能源管理模块82通过以下方法进行能量管理以达到供需功率平衡：
1)蓄电池SoC处于20％-80％，当负载单元4所需功率大于发电单元2的总功率时，启动蓄电池31放电，不足功率由蓄电池31补足，达到微网系统能量平衡；
2)蓄电池SoC处于20％-80％，当负载单元4所需功率小于发电单元2的总功率时，启动蓄电池31充电，富余功率由蓄电池31消纳，达到微网系统能量平衡；
3)蓄电池SoC大于80％，将发电单元2中的部分或全部断出微网，同时启动蓄电池31放电，直到蓄电池SoC小于第三设定值后将发电单元全部接入微网；本实施例先将发电单元2中的燃电单元6断出微网，若风力单元5和光伏单元7总功率仍大于负载所需功率，则将发电单元全部断出微网，由蓄电池单独给负载供电，直到蓄电池SoC小于40％，则将发电单元全部接入微网，能够防止蓄电池过充。或者，在燃电单元6断出微网后，断开风力单元5或光伏单元7，剩余单元的功率仍大于负载所需功率的，再将发电单元全部断出微网，由蓄电池单独给负载供电，直到蓄电池SoC小于40％。
4)蓄电池SoC小于20％，此时负载所需功率一定大于全部发电单元2的总功率，将直流恒流电源32接入微网，能够防止蓄电池过放，提供不足功率同时给蓄电池充电，直到蓄电池SoC大于60％或者充电过程中负载单元4所需功率小于发电单元2的总功率，将直流恒流电源32断出微网。
本方案根据采集的运行数据使用能量管理策略达到系统的供需平衡，且同时设置了蓄电池的过充过放保护，增强了微网系统的说明，
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池的运行控制方法，其特征在于，通过以下方法进行能量管理以达到供需功率平衡：
A.蓄电池SoC大于第一设定值且小于第二设定值，
当负载单元(4)所需功率大于发电单元(2)的总功率时，启动蓄电池(31)放电；
当负载单元(4)所需功率小于发电单元(2)的总功率时，启动蓄电池(31)充电；
B.蓄电池SoC大于第二设定值，将发电单元(2)中的部分或全部断出微网，同时启动蓄电池(31)放电，直到蓄电池SoC小于第三设定值后将发电单元全部接入微网；
C.蓄电池SoC小于第一设定值，
将直流恒流电源接入微网，直到负载单元所需功率小于发电单元。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的运行控制方法，其特征在于，在方法C中，将直流恒流电源(32)接入微网的同时启动蓄电池(31)充电。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的运行控制方法，其特征在于，在方法C中，在蓄电池(31)充电至第四设定值时，将直流恒流电源(32)断出微网。
4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的运行控制方法，其特征在于，所述的第一设定值为20％，第二设定值为80％，第三设定值为40％，第四设定值为60％。
5.一种基于权利要求1-4任意一项基于燃料电池的运行控制方法的微网结构，包括分别连接于直流母线(1)的发电单元(2)、储能单元(3)和负载单元(4)，其特征在于，所述的发电单元(2)包括燃电单元(6)和光伏单元(7)，所述的储能单元(3)包括分别连接于所述直流母线(1)的蓄电池(31)和直流恒流电源(32)，所述的发电单元(2)、储能单元(3)和负载单元(4)均连接于能源控制系统(8)；
所述的能源控制系统(8)包括有用于采集发电单元(2)、储能单元(3)和负载单元(4)运行数据的能源数据模块(81)和用于根据运行数据进行能量管理以达到供需功率平衡的能源管理模块(82)。
6.根据权利要求5所述的基于燃料电池的微网结构，其特征在于，所述的燃电单元(6)包括燃料发电单元和第一DC/DC变换器(61)，所述的燃料发电单元通过所述的第一DC/DC变换器(61)连接于所述的直流母线(1)，所述的第一DC/DC变换器(61)和燃料发电单元均连接于所述的能源控制系统(8)。
7.根据权利要求6所述的基于燃料电池的微网结构，其特征在于，所述的光伏单元(7)包括光伏发电单元(71)和第二DC/DC变换器(72)，所述的光伏发电单元(71)通过所述的第二DC/DC变换器(72)连接于所述的直流母线(1)，所述的光伏发电单元(71)和第二DC/DC变换器(72)均连接于所述的能源控制系统(8)；
所述的第二DC/DC变换器(72)包括有两个PI控制器，所述的光伏单元(7)通过恒电压控制法向直流母线(1)输出恒定电压。
8.根据权利要求5所述的基于燃料电池的微网结构，其特征在于，所述的发电单元(2)还包括风力单元(5)。
9.根据权利要求8所述的基于燃料电池的微网结构，其特征在于，所述的风力单元(5)包括风力发电单元(51)和AC/DC变换器(52)，所述的风力发电单元(51)通过所述的AC/DC变换器(52)连接于所述的直流母线(1)，且所述的风力发电单元(51)和AC/DC变换器(52)均连接于所述的能源控制系统(8)。
10.根据权利要求5所述的基于燃料电池的微网结构，其特征在于，所述的储能单元(3)还包括连接于所述蓄电池(31)和能源控制系统(8)的电池管理系统；
所述的蓄电池(31)通过双向DC/DC变换器(33)连接于所述的直流母线(1)，且所述的双向DC/DC变换器(33)包括有两个PI控制器以通过恒压模式控制直流母线电压。
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