CN112994076A - 一种sofc热电联供微网 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SOFC热电联供微网,包括:直流微电网、并网逆变器、热量回收与供给装置及分级控制器网络;所述直流微电网包括并联设置的SOFC发电装置、光伏发电装置及储能装置;所述分级控制器网络控制所述SOFC发电装置向热量回收与供给装置提供热能,同时控制所述直流微电网向用户端提供电能。本发明热电联供微电网支持并网运行或离网运行,可同时满足用户用热与用电负荷需求,具有燃料来源方便、供电供热方式灵活、稳定可靠、效率高、可扩展且环境友好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及含SOFC热电联供装置的微电网控制领域,具体而言,尤其涉及一种SOFC热电联供微网。
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,其高温尾气可通过热量回收装置回收用于居民供热,构成热电联供装置。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。直流微电网可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷。
采用含有SOFC发电装置的直流微电网,并与市电结合使用,同时供给电能与热能给用户。可同时体现SOFC发电装置优点及直流微电网优点,且具有较强的实用性和应用价值。
发明内容
本发明提出了一种SOFC热电联供微网,由SOFC发电装置、光伏发电装置及储能装置等构成直流微电网,通过并网逆变器并网发电,通过热量回收与供给装置进行热能供给。可同时满足用户用电负荷与用热负荷需求。
本发明采用的技术手段如下:
一种SOFC热电联供微网,包括:直流微电网、并网逆变器、热量回收与供给装置及分级控制器网络;所述直流微电网包括并联设置的SOFC发电装置、光伏发电装置及储能装置;所述分级控制器网络控制所述SOFC发电装置向热量回收与供给装置提供热能,同时控制所述直流微电网向用户端提供电能。
进一步地,所述SOFC发电装置、光伏发电装置均经升压DC/DC变换器与直流母线电气连接,所述储能装置经双向DC/DC变换器与直流母线电气连接;所述直流母线经降压DC/DC变换器与直流用电负荷电气连接,同时直流母线经并网逆变器与交流用电负荷电气连接。
进一步地,所述SOFC发电装置包括SOFC发电模块及升压DC/DC变换器,所述SOFC发电模块包括电池堆子系统、气体供给子系统及控制子系统;所述电池堆子系统包括固体氧化物燃料电池电堆、重整室、燃烧室、汽化器及换热器,换热器出口尾气通入热回收装置入口;所述气体供给子系统包括管道天然气、脱硫器及储水罐,电堆的阳极入口连接天然气及储水罐,电堆的阴极入口连接大气。
进一步地,所述热量回收与供给装置包括供水管路、回热换热器、蓄热装置以及热量供给装置,其中,SOFC发电模块输出尾气经管路与回热换热器热端入口连接,所述回热换热器热端出口经管路排空,所述回热换热器冷端入口经管路与供水管路连接,所述回热换热器冷端出口经管路与用户用热负荷连接,所述蓄热装置为保温水储罐,所述热量供给装置为燃气热水器,用于供热不足时后备热量供给。
进一步地,所述分级控制器网络,包括用电控制网络、用热控制网络、独立安全系统及远程监控系统;所述用电控制网络,包括直流微电源控制器、直流微电网控制器、用户用电控制器及市电监测器,其中直流微电源控制器包括SOFC控制器、光伏控制器及储能控制器;所述用热控制网络,包括热量回收与供给控制器及用户用热控制器;所述独立安全系统对热电联供微网进行故障监测;所述远程监控系统通过无线网络对热电联供微网进行监测。
进一步地,所述用电控制网络根据负荷需求进行微电源放电优先级选择。
进一步地,所述热电联供微网支持并网控制及离网控制。
较现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明热电联供微电网支持并网运行或离网运行,可同时满足用户用热与用电负荷需求,具有燃料来源方便、供电供热方式灵活、稳定可靠、效率高、可扩展且环境友好等特点。
基于上述理由本发明可在微电网控制领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种SOFC热电联供微网组成框图。
图2为本发明提供的一种分级控制器网络组成图。
图3为本发明提供的一种SOFC热电联供微网电气连接框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1-3所示,本发明提供了一种SOFC热电联供微网,其由直流微电网、并网逆变器、热量回收与供给装置及分级控制器网络组成。其中直流微电网由SOFC发电装置、光伏发电装置等多种直流发电装置及储能装置组成。所述SOFC发电装置由SOFC发电模块及升压DC/DC变换器组成。光伏发电装置由光伏面板、汇流箱、升压DC/DC变换器及光伏控制器组成。储能装置由蓄电池组、双向DC/DC变换器及储能控制器组成。热量回收与供给装置由供水管路、回热换热器、蓄热装置、热量供给装置及控制器组成。
具体地,SOFC发电模块由电池堆子系统、气体供给子系统及控制子系统组成。所述电池堆子系统包括固体氧化物燃料电池电堆、重整室、燃烧室、汽化器及换热器;阳极的燃料天然气及水分别经换热器、汽化器预热后通入重整室重整,重整室重整后的气体进入电堆的阳极入口,阴极的空气经换热器预热后通入电堆的阴极入口,电堆的阳极出口和阴极出口尾气通入燃烧室燃烧后经换热器进行热量回收,回收热量用于阳极的燃料、水及阴极空气的汽化及预热;经换热器后的换热器出口尾气通入热回收装置入口。所述气体供给子系统包括管道天然气、脱硫器及储水罐,供给反应所需的气体;天然气通过管路经流量调节阀与电堆的阳极入口相连;水罐中水通过管路经水泵与电堆的阳极入口相连;电堆的阴极入口通过管路经鼓风机与大气相连。所述控制子系统由控制器、传感器及流量调节装置组成,根据传感器采集信号,生成流量控制信号作用于流量调节装置,用于固体氧化物燃料电池发电装置的自动控制。
进一步地,直流微电网中,SOFC发电模块接电端子经电缆与升压DC/DC变换器输入端电气连接,升压DC/DC变换器输出端经电缆与直流母线电气连接。光伏面板电能输出端经电缆与汇流箱汇流端子分别经电缆电气连接,汇流箱电能输出端子经电缆与升压DC/DC变换器输入端电气连接,升压DC/DC变换器输出端经电缆与直流母线电气连接。蓄电池组电能输出端经电缆与双向DC/DC变换器输入端子电气连接,所述双向DC/DC变换器输出端经电缆与直流母线电气连接。
直流母线经电缆与降压DC/DC变换器输入端子电气连接,所述降压DC/DC变换器输出端子经电缆与直流用电负荷电气连接。同时,直流母线还经电缆与并网逆变器输入端子电气连接,所述并网逆变器输出端子、市电输出端子经电缆与交流用电负荷电气连接,共同供电给交流用电负荷使用。
进一步地,在热量回收及供给装置中,SOFC发电模块输出尾气经管路与回热换热器热端入口连接,所述回热换热器热端出口经管路排空,所述回热换热器冷端入口经管路与供水管路连接,所述回热换热器冷端出口经管路与用户用热负荷连接,所述蓄热装置为保温水储罐,所述热量供给装置为燃气热水器,用于供热不足时后备热量供给。
分级控制网络包括用电控制网络、用热控制网络、独立安全系统及远程监控系统。用电控制网络,包括直流微电源控制器、直流微电网控制器、用户用电控制器及市电监测器。直流微电源控制器包括SOFC控制器、光伏控制器及储能控制器等。用热控制网络,包括热量回收与供给控制器及用户用热控制器。独立安全系统,对热电联供微网进行故障监测。远程监控系统,通过无线网络对热电联供微网进行监测。在所述分级控制网络中热电联供微网支持并网控制及离网控制,所述直流微电网控制为可根据负荷需求进行微电源放电优先级选择。
下面通过具体的应用实例,对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
如图3所示,为本发明提供的一种SOFC热电联供微网电气连接框图。其中光伏面板正极输出与升压DC/DC变换器正极输入间串入开关K1,升压DC/DC变换器正极输出与直流母线正极间串入开关K4。蓄电池组正极输出与双向DCDC变换器正极输入间串入开关K2,双向DC/DC变换器正极输出与直流母线正极间串入开关K5。SOFC模块正极输出与升压DC/DC变换器正极输入间串入开关K3,升压DC/DC变换器正极输出与直流母线正极间串入开关K6。直流母线正极与DC/AC逆变器输入正极间串入开关K7,DC/AC逆变器输出交流电与市电输出交流电共同给交流用电负荷供电,DC/AC逆变器输出火线与交流用电负荷间串入开关K9,市电火线与交流负荷间串入开关K11。直流母线正极与降压DC/DC变换器正极输入间串入开关K8,降压DC/DC变换器正极输出与直流用电负荷正极间串入开关K10。
上述直流微电网由SOFC发电装置、光伏发电装置、储能装置、控制器及直流负荷组成。所述直流母线电压为直流700伏。所述直流微电网中的各微电源互为冗余,且可以加入风电等及他种类微电源进行扩展。
实施例2
本实施例给出了热电联供微网在并网发电模式下的工作过程。SOFC发电装置,按额定功率进行发电。光伏发电装置,采用MPPT方式,按额定功率进行发电。储能装置,控制蓄电池组SOC至其工作区间上限值。所述SOFC发电装置、光伏发电装置及储能装置分别经DC/DC变换器连接至直流母线。所述直流母线经降压DC/DC变换器,供电给本地直流用电负荷。所述直流母线经并网逆变器,供电给本地交流用电负荷,并将多余电能并入市电网络。
实施例3
本实施例给出了在市电异常情况下,热电联供微网在离网工作模式下的工作过程。用户用电控制器接收用电负荷需求Pset,并将其通过通信线缆传送至直流微电网控制器。直流微电网控制器根据用电负荷需求Pset,确定直流微电网中各直流微电源放(充)电优先级及其放(充)电功率设定值PSOFC、PPV、Pbattery,并通过通信线缆分别将其传送至SOFC控制器、光伏控制器及储能控制器,设定值满足
Pset=PSOFC*η1+PPV*η2+Pbattery*η3
其中η1、η2、η3为电力变换效率。根据各自功率设定值,分别进行SOFC发电装置放电功率,光伏发电装置放电功率及储能装置充放电功率控制,使各微电源满足功率设定值需求,且安全可靠工作。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种SOFC热电联供微网,其特征在于,包括:直流微电网、并网逆变器、热量回收与供给装置及分级控制器网络;
所述直流微电网包括并联设置的SOFC发电装置、光伏发电装置及储能装置;
所述分级控制器网络控制所述SOFC发电装置向热量回收与供给装置提供热能,同时控制所述直流微电网向用户端提供电能。
2.根据权利要求1所述的SOFC热电联供微网,其特征在于,所述SOFC发电装置、光伏发电装置均经升压DC/DC变换器与直流母线电气连接,所述储能装置经双向DC/DC变换器与直流母线电气连接;
所述直流母线经降压DC/DC变换器与直流用电负荷电气连接,同时直流母线经并网逆变器与交流用电负荷电气连接。
3.根据权利要求2所述的SOFC热电联供微网,其特征在于,所述SOFC发电装置包括SOFC发电模块及升压DC/DC变换器,所述SOFC发电模块包括电池堆子系统、气体供给子系统及控制子系统;
所述电池堆子系统包括固体氧化物燃料电池电堆、重整室、燃烧室、汽化器及换热器,换热器出口尾气通入热回收装置入口;
所述气体供给子系统包括管道天然气、脱硫器及储水罐,电堆的阳极入口连接天然气及储水罐,电堆的阴极入口连接大气。
4.根据权利要求1所述的SOFC热电联供微网,其特征在于,所述热量回收与供给装置包括供水管路、回热换热器、蓄热装置以及热量供给装置,其中,SOFC发电模块输出尾气经管路与回热换热器热端入口连接,所述回热换热器热端出口经管路排空,所述回热换热器冷端入口经管路与供水管路连接,所述回热换热器冷端出口经管路与用户用热负荷连接,所述蓄热装置为保温水储罐,所述热量供给装置为燃气热水器,用于供热不足时后备热量供给。
5.根据权利要求1所述的SOFC热电联供微网,其特征在于,所述分级控制器网络,包括用电控制网络、用热控制网络、独立安全系统及远程监控系统;
所述用电控制网络,包括直流微电源控制器、直流微电网控制器、用户用电控制器及市电监测器,其中直流微电源控制器包括SOFC控制器、光伏控制器及储能控制器;
所述用热控制网络,包括热量回收与供给控制器及用户用热控制器;
所述独立安全系统对热电联供微网进行故障监测;
所述远程监控系统通过无线网络对热电联供微网进行监测。
6.根据权利要求5所述的SOFC热电联供微网,其特征在于,所述用电控制网络根据负荷需求进行微电源放电优先级选择。
7.根据权利要求1所述的SOFC热电联供微网,其特征在于,所述热电联供微网支持并网控制及离网控制。
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