CN1491473A - 操作电源系统的方法和包括蓄电池的电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能够实现功率产生装置的有效运行并减少运行时间的操作电源系统的方法和电源系统。在操作电源系统的方法中，在该电源系统中蓄电池连接在功率产生装置和负载之间，功率产生装置以恒定的输出运行。功率产生装置例如通过柴油发电机来工作。特别是通过功率产生装置在其额定功率下连续运行可以改善运行的效率。此外，在通过功率产生装置的运行产生过剩的功率时对蓄电池进行充电，而在功率不足时氧化还原流电池放电，由此根据需求输送功率。

Description

操作电源系统的方法 和包括蓄电池的电源系统
技术领域
本发明涉及操作电源系统的方法和包括蓄电池(secondary battery)的电源系统。具体地说，本发明涉及能够有效地运行功率产生装置并减少累计运行时间的操作电源系统的方法。
背景技术
在隔离岛等中使用独立运行的电源系统作为电功率输送装置。在独立运行的电源系统中，功率产生装置比如柴油发电机连接到在该岛中的负载以根据需要输送电功率。
在这种系统中，现有技术是通过例如组合多个功率产生装置来输送功率。更具体地说，只要可能，每个功率产生装置以大于或等于它的额定容量的50％的输出运行。此外，如果多个功率产生装置在运行，则功率产生装置运行以便它的相应的输出相等。
但是，根据现有技术的运行方法，相应的功率产生装置的输出变化并且运行效率较低。一般地，对于燃烧型发电机比如柴油发电机，当它以额定容量运行时效率最大。
此外，还存在其它的问题，比如每个功率产生装置的较高的保养频率和较长的累计运行时间。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种操作电源系统的方法，通过这种方法功率产生装置有效地运行并减少累计运行时间。
本发明的另一方面是提供一种包括蓄电池的电源系统，这种电源系统能够实现有效的运行。
根据本发明，使用蓄电池作为功率存储装置，并且功率存储装置以恒定的输出运行，由此实现上述的目的。
更具体地说，根据本发明的运行方法是一种操作电源系统的方法，在该电源系统中，蓄电池连接在功率产生装置和负载之间，其中功率产生装置以预定的恒定输出运行，以及通过对蓄电池进行充电或放电调整所产生的电功率相对于对电功率的负载需求的过量或不足。
通过以如上文所描述的恒定的输出连续地运行功率产生装置，实现有效的运行。尤其是在功率产生装置以它的额定容量连续地运行时实现最大的效率。此外，在功率产生装置产生过剩的功率时对蓄电池进行充电，同时在由功率产生装置的运行单独输送的功率不足时蓄电池放电，由此根据负载输送功率。
特别可取的是使用氧化还原流电池(redox flow battery)作为蓄电池。这是因为即使在氧化还原流电池反复地充电和放电时它的老化仍然最小。此外，由于氧化还原流电池使用在电池单元(cell)之间的公共的电解溶液，即使在氧化还原流电池反复地充电和放电时在电池单元之间(或电池单元组(cellstack)之间)也不会发生充电状态的不平衡。因此，不要求为调整充电状态的不平衡而进行充电等，并且能够更加有效地操作电源系统。
此外，与其它类型的蓄电池相比，氧化还原流电池允许更深的充电和放电。更具体地说，允许在氧化还原流电池的0％和100％的额定容量之间进行反复充电和放电。因此，氧化还原流电池的额定容量大于或等于功率产生装置的额定容量的一半。通过组合功率产生装置的运行和具有上述输出的氧化还原流电池的充电和放电，系统在工作时能够使电功率的输送对应于电功率的需求。例如，通过限制使用它的额定容量的50％至100％的不同类型的蓄电池，由于该电池要求与功率产生装置的额定容量具有相同的额定容量，因此它的成本效率较低。此外，有利的是，在电功率的需求较小时通过对氧化还原流电池放电可以简单地输送功率。这就减少了功率产生装置的累计运行时间。
通过各种公知类型的发电机比如柴油发电机或燃气轮发电机可以实现功率产生装置。燃烧型发电机(比如通过燃烧燃油产生电功率的那些发电机)一般通过在额定容量上的恒定运行实现最大的效率。
此外，优选提供多个功率产生装置以便根据电功率的需求选择要运行的个数。例如，在对电功率的需求较小时仅运行一定数量的功率产生装置，而在对电功率的需求较大时运行所有的功率产生装置，由此实现了有效的运行。因此，减少了每个功率产生装置的累计运行时间并延长了保养周期。
通过上述的方法运行根据本发明的电源系统。即，该系统包括功率产生装置、负载和调节通过功率产生装置输送的功率相对于对电功率的负载需求过量或不足的蓄电池，该蓄电池连接在功率产生装置和负载之间并且以恒定的输出运行。
附图说明
附图1所示为使用根据本发明的方法的电源系统的示意图。
附图2所示为氧化还原流电池的示意图。
附图3所示为根据本发明在引入氧化还原流电池之后通过发电机所产生的电功率和氧化还原流电池的充电和放电的状态的曲线图。
附图4所示为在引入氧化还原流电池之后根据本发明的方法发电机的运行模式和对氧化还原流电池充电和放电的状态的模型的曲线图。
附图5所示为在引入氧化还原流电池之后根据本发明的方法在夏天中的功率消耗和通过每个发电机所产生的电功率的模式和对氧化还原流电池充电和放电的模式的曲线图。
附图6所示在引入氧化还原流电池之后根据本发明的方法在春秋的功率消耗和由每个发电机所产生的电功率的模式和氧化还原流电池的充电和放电的模式的曲线图。
附图7所示在引入氧化还原流电池之后根据本发明的方法在冬天的功率消耗和由每个发电机所产生的电功率的模式和氧化还原流电池的充电和放电的模式的曲线图。
附图8所示为在引入氧化还原流电池之前根据现有技术的方法由发电机产生的电功率的曲线图。
附图9所示为在引入氧化还原流电池之前根据现有技术的方法发电机的运行模式的模型的曲线图。
附图10所示为根据现有技术的方法在夏天中的功率消耗和通过每个发电机所产生的电功率的模式和对氧化还原流电池充电和放电的模式的曲线图。
附图11所示根据现有技术的方法在春秋的功率消耗和由每个发电机所产生的电功率的模式和氧化还原流电池的充电和放电的模式的曲线图。
附图12所示根据现有技术的方法在冬天的功率消耗和由每个发电机所产生的电功率的模式和氧化还原流电池的充电和放电的模式的曲线图。
具体实施方式
下文描述本发明的实施例。在附图中以相同的参考标号表示相同的部件，在此省去对它们的多余的描述。在附图中的比例不必等于在描述中的比例。
附图1所示为使用根据本发明的运行方法的电源系统。
在这些系统中，三个功率产生装置10连接到岛上的负载20，氧化还原流(RF)电池30连接在功率产生装置10和负载20之间。RF电池30包括功率转换系统(转换器)31和主电池单元32。
在本实施例中，柴油发电机(DG)用作功率产生装置10。
参考附图2描述RF电池30的原理。电池包括电池单元100，电池单元100通过分离部件103分为阴极单元100A和阳极单元100B。分离部件103允许离子通过。阴极单元100A和阳极单元100B分别包括阴极104和阳极105。阴极单元100A通过管106和107连接到输送和排放阴极电解溶液的阴极槽101。类似地，阳极单元100B通过管109和110连接到输送和排放阳极电解溶液的阳极槽102。化合价变化的离子(比如钒离子)水溶液用作电解溶液。电解溶液通过管108和111进行循环，并根据在阴极104和阳极105上的离子的原子价改变反应进行充电和放电。在使用包含钒离子的电解溶液时，在充电和放电的过程中在电池单元中产生的反应如下：
阴极：V4+→V5++e-(充电)
      V4+←V5++e-(放电)
阳极：V3++e-→V2+(充电)
      V3++e-←V2+(放电)
通常，使用被称为“电池单元组”的结构，其中多个电池单元叠置在一起。
在上述的系统中，在对电功率的需求较小时在对氧化还原流电池进行充电的同时，每个功率产生装置以恒定的输出连续地运行，在对电功率的需求较大时同时运行多个功率产生装置或对氧化还原流电池放电。此外，根据对电功率的需求选择在功率产生装置中的运行的数量。
(评估实例)
模拟根据本发明的运行方法和现有技术的运行方法的电源系统的运行以计算和比较柴油发电机的累计运行时间、燃料消耗和累计电功率产生(三台的总和)。在模拟中假设如下的条件：
(柴油发电机)
额定容量：120kW
台数：3
在额定容量下的燃油消耗率(A)：0.26L/kWh
在50％的额定容量下的燃油消耗率(B)：0.286L/kWh(假定比在额定容量下运行减少10％)
在(A)和(B)之间的燃油消耗率：线性近似
燃油的单位价格：50日元/升
保养：每2,000小时的运行时间
(氧化还原流电池)
额定容量：60kW
个数：1
(负载曲线)
夏天  最大功率消耗：344kW/h
      最小功率消耗：63kW/h
春秋  最大功率消耗：317kW/h
      最小功率消耗：63kW/h
冬天  最大功率消耗：229kW/h
      最小功率消耗：63kW/h
在附图5至7的最上的曲线示出了具体的模式。
应用这些假设，通过在附图3和4中所示的实施例(在引入RF之后)的运行模式的电功率产生的输出和在附图8和9中所示的比较实例(在引入RF之前)的运行模式的电功率产生的输出是模拟春、夏、秋和冬的结果。
根据这些实例的发电机的运行模式是使每个柴油发电机运行在它的额定容量下。通过对氧化还原流电池进行充电和放电调节供需平衡以使发电机的总的输出尽可能地接近120kW/h、240kW/h或360kW/h。
在比较实例中的发电机的运行模式是只要可能就使发电机在大于或等于它的额定容量的输出下运行，以及如果多个发电机在运行，则使相应的发动机的输出相等。
如附图5至7的实例和附图10至12的比较实例示出了模拟结果。此外，夏天的模拟结果概述在表I中、春秋的结果在表II中、冬天的结果在表III中以及全年的结果在表IV中。在表IV中的“DG的平均运行率”是指“DG的累计运行时间”除以“72小时×365天”。
                            表I
 在引入RF之前  在引入RF之后     差值
DG的累计运行时间(小时/天)燃油消耗(升/天)DG产生的累计电功率(kWh/天)由DG产生的电功率的单位价格(日元/kWh) 54.51,3054,77213.67 40.81,2744,90013.00 -13.7-31128-0.67
                           表II
在引入RF之前 在引入RF之后     差值
 DG的累计运行时间(小时/天)燃油消耗(升/天)DG产生的累计电功率(kWh/天)由DG产生的电功率的单位价格(日元/kWh) 53.81,2294,45913.78 38.21,1914,58013.00 -16-38121-0.78
                           表III
 在引入RF之前  在引入RF之后     差值
 DG的累计运行时间(小时/天)燃油消耗(升/天)DG产生的累计电功率(kWh/天)由DG产生的电功率的单位价格(日元/kWh) 41.09453,43813.75 30.29413,62013.00 -10.8-4182-0.75
                             表IV
在引入RF之前 在引入RF之后     差值
DG的累计运行时间(小时/年)DG的平均运行率(％)每2000小时保养的频率(次/4)燃油消耗(升/年)DG产生的累计电功率(kWh/年)由DG产生的电功率的单位价格(日元/kWh) 18,53871％9.3429,5881,562,85713.74 13,44551％6.7419,4581,613,30013.00 -5,094-19％-2.5-10,13050,443-0.74
从在表IV中的结果中可非常清楚地看出，在引入RF之后极大地减少了“DG的累计运行时间”、“保养频率”和“燃油消耗”。在另一方面，DG产生的累计电功率增加到足够允许氧化还原流电池充电的程度。这表示可以非常有效地使用能量。此外，可以预计的是，由于燃油消耗的减少降低了CO2的排放，并且由于燃烧效率的改善减少了SOx和NOx。
工业实用性
如上文所描述，根据本发明的运行方法，可以以它的额定容量运行功率产生装置以改善发电机的能量效率。
此外，以一定的方式根据负载可以实现功率输送以使在功率产生装置产生过量功率时对氧化还原流电池进行充电，而在仅由功率产生装置的运行单独输送的功率不足时使氧化还原流电池放电。因此，可以减少功率产生装置的累计运行时间，允许通过减少燃油消耗和降低保养频率而降低成本并延长装置的寿命。

Claims (15)

1.一种操作电源系统的方法，在该电源系统中，蓄电池连接在功率产生装置和负载之间，其中，功率产生装置以预定的恒定输出运行，以及通过对蓄电池进行充电或放电调整所产生的电功率相对于对电功率的负载需求的过量或不足。
2.根据权利要求1所述的操作电源系统的方法，其中，根据对电功率的需求从多个功率产生装置中选择要运行的个数，所选择的功率产生装置以预定的恒定输出运行。
3.根据权利要求1所述的操作电源系统的方法，其中，功率产生装置的恒定输出是功率产生装置的额定容量。
4.根据权利要求1所述的操作电源系统的方法，其中，蓄电池是氧化还原流电池。
5.根据权利要求2所述的操作电源系统的方法，其中，蓄电池是氧化还原流电池。
6.根据权利要求3所述的操作电源系统的方法，其中，蓄电池是氧化还原流电池。
7.根据权利要求4所述的操作电源系统的方法，其中，氧化还原流电池的额定容量大于或等于功率产生装置的额定容量的一半。
8.根据权利要求5所述的操作电源系统的方法，其中，氧化还原流电池的额定容量大于或等于功率产生装置的额定容量的一半。
9.根据权利要求6所述的操作电源系统的方法，其中，氧化还原流电池的额定容量大于或等于功率产生装置的额定容量的一半。
10.一种电源系统，包括连接在功率产生装置和负载之间的蓄电池，其中，功率产生装置以预定的恒定的输出运行，以及通过对蓄电池进行充电或放电调整所产生的电功率相对于对电功率的负载需求的过量或不足。
11.根据权利要求10述的电源系统，其中，功率产生装置的恒定输出是功率产生装置的额定容量。
12.根据权利要求10所述的电源系统，其中，蓄电池是氧化还原流电池。
13.根据权利要求11所述的电源系统，其中，蓄电池是氧化还原流电池。
14.根据权利要求12所述的电源系统，其中，氧化还原流电池的额定容量大于或等于功率产生装置的额定容量的一半。
15.根据权利要求13所述的电源系统，其中，氧化还原流电池的额定容量大于或等于功率产生装置的额定容量的一半。
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