CN115579491A - 一种基于状态机的sofc发电系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于状态机的SOFC发电系统控制方法，应用于SOFC发电系统的状态机，SOFC发电系统的运行状态包括初始化状态、升温状态、保温状态、发电状态、降温状态、故障状态和关机状态，其中发电状态包括0功率发电状态和正常发电状态；设有保温状态，使得SOFC发电系统在经过一次升温后就始终处在高温并随时可以发电的状态下，避免每次升温需要长时间的等待，提高了效率；设有0功率发电状态，使得SOFC发电系统进入电力孤岛模式，在公用电网出现故障需要维修等情况时，可以避免SOFC发电系统停机，同时利用SOFC的余热回收功能，可以有效保证热能的持续供应，避免SOFC发电系统频繁启停、升温和降温，保证了电堆的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及工业发电技术领域，尤其是一种基于状态机的SOFC发电系统控制方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种运行在高温环境下的通过燃料和氧化剂的化学反应产生电能的发电装置。其具有发电效率高、碳排放低、燃料适应性强等优点，在大规模发电以及降低碳排放等方面具有广阔的应用前景。
固体氧化物燃料电池(SOFC)系统工作温度通常为800℃--1000℃。系统运行温度高可以对系统的余热进行二次利用，进一步提高系统效率，但同时造成系统在启动、停止过程中无法快速响应的问题。系统启动过程，需要先进行长时间缓慢的加热升温，系统停止过程需要进行缓慢的散热降温，避免温度变化过大造成内部结构的损坏。因此SOFC系统适宜运行在负载功率需求波动小且持续时间长的场景下。
为解决SOFC的应用问题，一方面将SOFC的系统额定功率控制在比较小的范围内，配合家庭或小的工业园区供电、供热，另一方面对于大功率SOFC系统，会并入公共电网。但是，对于并入电网的系统，同样会因为电网负载的波动或者电网故障等问题要求系统离网，从而需要控制系统进行启停和变载，而系统频繁启停、升温和降温，会导致电堆寿命衰减。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明提供了一种基于状态机的SOFC发电系统控制方法。
为了实现以上目的，本发明是通过如下技术方案来实现：
一种基于状态机的SOFC发电系统控制方法，应用于SOFC发电系统的状态机，所述SOFC发电系统的运行状态包括初始化状态、升温状态、保温状态、发电状态、降温状态、故障状态和关机状态，其中所述发电状态包括0功率发电状态和正常发电状态，所述故障状态是所述SOFC发电系统运行过程中出现故障时排除故障的状态；而所述SOFC发电系统依次经过所述初始化状态、所述升温状态、所述保温状态、所述0功率发电状态、所述正常发电状态、所述0功率发电状态、所述保温状态、所述降温状态、所述关机状态进行发电作业。
进一步的，所述初始化状态中，对所述SOFC发电系统中的零部件进行状态检查，确保每个所述零部件正常运作。
进一步的，所述升温状态中，所述SOFC发电系统缓慢升温，直至正常工作温度。
进一步的，所述保温状态中，所述SOFC发电系统的温度维持不变，电堆不发电。
进一步的，所述0功率发电状态中，电堆发电，且所述电堆发出的电能刚好满足所述SOFC发电系统中零部件的功率消耗，不对所述SOFC发电系统的外部输出功率。
进一步的，所述正常发电状态中，电堆发电，且对所述SOFC发电系统的外部输出功率。
进一步的，所述正常发电状态中，所述SOFC发电系统的外部电网出现故障时，所述正常发电状态转为所述0功率发电状态。
进一步的，所述降温状态中，所述SOFC发电系统缓慢降温，直到回复到所述初始化状态的温度。
更进一步的，所述SOFC发电系统在运行过程中发生故障时，直接从当前运行状态进入所述故障状态。
更进一步的，所述故障状态中，所述SOFC发电系统的零部件紧急停止工作，直到排除故障后，所述故障状态才转为所述初始化状态。
本发明的有益效果是：设有保温状态，使得SOFC发电系统在经过一次升温后就始终处在高温并随时可以发电的状态下，避免每次升温需要长时间的等待，提高了效率；设有0功率发电状态，使得SOFC发电系统进入电力孤岛模式，在公用电网出现故障需要维修等情况时，可以避免SOFC发电系统停机，同时利用SOFC的余热回收功能，可以有效保证热能的持续供应，避免SOFC发电系统频繁启停、升温和降温，保证了电堆的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，一种基于状态机的SOFC发电系统控制方法，应用于SOFC发电系统的状态机，SOFC发电系统的运行状态包括初始化状态、升温状态、保温状态、发电状态、降温状态、故障状态和关机状态，其中发电状态包括0功率发电状态和正常发电状态；而SOFC发电系统依次经过初始化状态、升温状态、保温状态、0功率发电状态、正常发电状态、0功率发电状态、保温状态、降温状态、关机状态进行发电作业；其中的保温状态，使得SOFC发电系统在经过一次升温后就始终处在高温并随时可以发电的状态下，避免每次升温需要长时间的等待，提高了效率；0功率发电状态，使得SOFC发电系统进入电力孤岛模式，在公用电网出现故障需要维修等情况时，可以避免SOFC发电系统停机，同时利用SOFC的余热回收功能，可以有效保证热能的持续供应，避免SOFC发电系统频繁启停、升温和降温，保证了电堆的使用寿命；
具体的，当SOFC发电系统刚刚上电时，SOFC发电系统首先进入初始化状态；在此状态下，对SOFC发电系统中的所有零部件进行状态检查，确保每个零部件正常运作，避免影响正常的发电作业；当所有零部件检测完成后，且在SOFC发电系统收到启动命令后，会进入升温状态；
在升温状态下，SOFC发电系统中各个加热相关的零部件，例如空气加热器，重整器加热器等开始启动，按照一定的加热速率缓慢给电堆加热，最终将电堆和相关的零部件加热到正常工作所需要的温度；当SOFC发电系统温度达到工作温度，并稳定一段时间后，可以认为SOFC发电系统已经加热完成，之后进入保温状态；
在保温状态下，SOFC发电系统的温度维持在系统正常作业温度不变，且电堆不发电；通常SOFC发电系统的升温阶段需要十几个小时，保温状态作为SOFC发电系统的稳定状态，保证了电堆没有电能输出的同时维持了电堆的工作温度，可以使SOFC发电系统随时进入发电状态，节省升温的时间和减少升温降温对电堆造成的热冲击；在保温状态下，当SOFC发电系统收到启动命令后，会进入0功率发电状态；
0功率发电状态指SOFC发电系统的净输出功率为0，即电堆发电，且电堆发出的电能刚好满足SOFC发电系统中零部件的功率消耗，不对SOFC发电系统的外部输出功率；为了避免SOFC发电系统功率变化过大对电堆造成冲击，电堆的输出功率需要慢慢增加，直到达到电堆额定工作状态；而0功率发电状态，保证了SOFC发电系统作为一个电力孤岛可以长时间的稳定运行，虽然SOFC发电系统的输出功率为0，但是电堆产生的高品质热能依然可以保证余热充分的利用；在公共电网出现状况时，0功率状态保证了SOFC发电系统可以继续运行而不是因没有外部电源而必须停机，对于减少SOFC发电系统的启停次数，降低热循环冲击，延长电堆的使用寿命都具有积极的作用；当外部电网正常且SOFC发电系统的功率请求不为0时，系统状态会由0功率发电状态跳转为正常发电状态；而当SOFC发电系统收到关机命令时，SOFC发电系统会从0功率发电状态跳转到保温状态；
正常发电状态下，电堆发电，且对SOFC发电系统的外部输出功率，即SOFC发电系统对外表现为正向的功率输出，并且会根据外部的功率需求调整SOFC发电系统的对外输出功率；而当SOFC发电系统外部的公用电网出现故障或者上位机主动请求关机时，SOFC发电系统状态会由正常发电状态跳转到0功率发电状态；
在SOFC发电系统收到关机命令时，SOFC发电系统会从保温状态进入降温状态，在降温状态下，通过控制SOFC发电系统中的加热零部件，使得SOFC发电系统缓慢降温，直到回复到初始化状态的温度，避免降温过快带来的热冲击损害电堆的寿命；之后进入关机状态即可。
故障状态是SOFC发电系统发电过程中出现故障时排除故障的状态，例如燃料泄漏、关键零部件损坏等可能损害系统甚至人身安全的潜在故障而必须进行紧急操作时；此状态是可直接从SOFC发电系统的当前运行状态进入的，例如可直接从初始化状态、升温状态、保温状态、发电状态、降温状态进入故障状态；而故障状态中，SOFC发电系统的零部件紧急停止工作，直到排除故障后，故障状态才转为初始化状态，避免故障得不到处理而导致电堆损坏或者人员受伤等更加严重的后果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于状态机的SOFC发电系统控制方法，应用于SOFC发电系统的状态机，其特征在于，所述SOFC发电系统的运行状态包括初始化状态、升温状态、保温状态、发电状态、降温状态、故障状态和关机状态，其中所述发电状态包括0功率发电状态和正常发电状态，所述故障状态是所述SOFC发电系统运行过程中出现故障时排除故障的状态；而所述SOFC发电系统依次经过所述初始化状态、所述升温状态、所述保温状态、所述0功率发电状态、所述正常发电状态、所述0功率发电状态、所述保温状态、所述降温状态、所述关机状态进行发电作业。
2.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述初始化状态中，对所述SOFC发电系统中的零部件进行检查，确保每个所述零部件正常运作。
3.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述升温状态中，所述SOFC发电系统缓慢升温，直至正常工作温度。
4.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述保温状态中，所述SOFC发电系统的温度维持不变，电堆不发电。
5.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述0功率发电状态中，电堆发电，且所述电堆发出的电能刚好满足所述SOFC发电系统中零部件的功率消耗，不对所述SOFC发电系统的外部输出功率。
6.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述正常发电状态中，电堆发电，且对所述SOFC发电系统的外部输出功率。
7.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述正常发电状态中，所述SOFC发电系统的外部电网出现故障时，所述正常发电状态转为所述0功率发电状态。
8.根据权利要求1所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述降温状态中，所述SOFC发电系统缓慢降温，直到回复到所述初始化状态的温度。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述SOFC发电系统在运行过程中发生故障时，直接从当前运行状态进入所述故障状态。
10.根据权利要求9所述的基于状态机的SOFC发电系统控制方法，其特征在于，所述故障状态中，所述SOFC发电系统的零部件紧急停止工作，直到排除故障后，所述故障状态才转为所述初始化状态。
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