TWI755807B - 燃料電池發電併聯電網整合裝置 - Google Patents

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詹振旻
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Abstract

一種燃料電池發電併聯電網整合裝置，係由一發電系統側及一併網系統與初階家用電源管理系統側所組成。本發明利用燃料電池發電併聯電網整合裝置來解決固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)低電壓、高電流、電壓振盪、電壓突降以及起動發電時間長等問題，目標開發kW級(以上)SOFC併市電網系統，除可考量當穩定電力供應(基載)外，亦可幫助區域尖峰用電調節。其技術特色為：1.提升轉換功率：可併市電應用及輸出功率可不需經過直流升壓轉換器的損耗、2.增加供電穩定：減少電壓振盪及突降造成突然卸載，進而影響電池片的損傷、3.提升用電便利：搭配初階電源管理再併市電網，即可不需再受限等待漫長的起動發電時間，而達到可隨時用電的便利。

Description

燃料電池發電併聯電網整合裝置
本發明係有關於一種燃料電池發電併聯電網整合裝置，尤指涉及一種通過完成kW級固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)發電系統建立與效能測試，並進行系統併聯電網整合測試，特別係指建立技術自主高效率SOFC分散式能源併聯電網系統者。
2016年行政院為邁向2025年非核家園目標，兼顧國際減碳承諾，由經濟部推動能源轉型，目標在2025年(1)展綠：再生能源發電量占比20%、(2)增氣：天然氣發電占比將達50%、(3)減煤：燃煤機組除役後，改建燃氣機組、(4)非核：務實檢視核能延役或核四重啟。
配合政府政策推行分散式綠能發電、儲能、智慧系統整合併聯電網，由於再生能源(太陽能、風能)因電力供應不穩、以及電力調度不易，導致併聯電力網有許多技術需要克服；然而若採用天然氣固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)高效率潔淨能源轉換裝置，則可考量當穩定電力供應(基載)外，亦可幫助區域尖峰用電調節。
然則，因SOFC起動發電時間較長，雖可長時間運轉(千小時以上)，但仍難以符合家庭隨時用電之需求。因此，燃料電池發電機目前的主要 定位如下：
1.獨立型發電應用居多，以1~5瓩及電力轉換組件為主，主要作為不斷電系統、通訊用緊急發電裝置與攜帶式發電設備。
2.燃料電池為低電壓、低動態響應特性，系統通常搭配一備載電池(Backup Battery)使用，其他主要部件包括一升壓轉換器(Boost Converter)及一直/交流逆變器(DC/AC Inverter)。
3.常見為多級轉換架構，被文獻廣泛討論議題包括有效率較低、控制複雜度及成本較高等諸多缺點。
由此可知，SOFC存有低電壓、高電流、電壓振盪、突降以及起動發電時間長等問題。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種通過完成kW級SOFC發電系統建立與效能測試，並進行系統併聯電網整合測試，建立技術自主高效率SOFC分散式能源併聯電網系統，其特色包含1.提升轉換功率：可併市電應用及輸出功率可不需經過直流升壓轉換器的損耗、2.增加供電穩定：減少電壓振盪及突降造成突然卸載，進而影響電池片的損傷、3.提升用電便利：搭配初階電源管理再併市電網，即可不需再受限等待漫長的起動發電時間，而達到可隨時用電的便利者。
為達以上之目的，本發明係一種燃料電池發電併聯電網整合裝置，係由一發電系統側及一併網系統與初階家用電源管理系統側所組成，其中：發電系統側包含一kW級SOFC發電系統、一連接該kW級SOFC發電系統之DC 匯流排控制器、及一連接該DC匯流排控制器之直流電子負載(DC E-Load)；以及該併網系統與初階家用電源管理系統側包含一連接該DC匯流排控制器之電力保護元件(Power Protection)、一連接該電力保護元件之低電壓直/交流逆變器(DC/AC Inverter)、一連接該低電壓直/交流逆變器且具備控制與顯示功能的初階家用電源管理系統(Home Energy Management System,HEMS)、一連接該初階家用電源管理系統之AC匯流排、一連接該AC匯流排且併市電網的配電箱、一連接該低電壓直/交流逆變器與該AC匯流排之輔助電力、一連接該低電壓直/交流逆變器之獨立電源、及一連接該AC匯流排之負載端；其中，該併網系統與初階家用電源管理系統側係通過該初階家用電源管理系統使用獨立介面控制及顯示，可避免與該發電系統側的該kW級SOFC發電系統互擾並提供保密作用；該併網系統與初階家用電源管理系統側係通過該電力保護元件提供逆電流、短路與過載保護、過電壓與低電壓保護、以及過頻與低頻保護等前述保護機制，並以該輔助電力協助避免電壓振盪突然卸載；該併網系統與初階家用電源管理系統側係藉該低電壓直/交流逆變器逐漸拉載發電功率(W)，經該初階家用電源管理系統、該AC匯流排與該配電箱，使該kW級SOFC發電系統可隨發即用，該負載端不足W時由該市電網補足，若發電量大於用量則注入該市電網；及該市電網斷電時，該獨立電源在孤島運轉時係藉該負載端以
Figure 109126566-A0305-02-0005-4
1A/min或
Figure 109126566-A0305-02-0005-5
10w/min的升降調整來逐漸拉載發電功率，使該kW級SOFC發電系統供該獨立電源作孤島運轉用。
於本發明上述實施例中，該輔助電力可選自交/直流電源供應器(AC/DC Power Supply)或電池模組。
於本發明上述實施例中，當該發電量注入該市電網時，係可進一步搭配台電的電力調度而轉賣台電作基載或區域尖峰用電調節。
於本發明上述實施例中，該kW級SOFC發電系統在發電拉載過程中係由該DC匯流排控制器調控該直流電子負載預先拉載測試及該低電壓直/交流逆變器併網拉載的功率範圍，在該直流電子負載預先拉載至
Figure 109126566-A0305-02-0006-6
1kW後逐漸卸載，並同步進行該低電壓直/交流逆變器逐漸拉載至
Figure 109126566-A0305-02-0006-7
1kW。
於本發明上述實施例中，當該kW級SOFC發電系統起動至發電滿載後可用於併接市電網110V或220V之電壓，並可將其熱能回收利用。
100:燃料電池發電併聯電網整合裝置
10:發電系統側
11:kW級SOFC發電系統
12:DC匯流排控制器
13:直流電子負載
20:併網系統與初階家用電源管理系統側
21:電力保護元件
22:低電壓直/交流逆變器
23:初階家用電源管理系統
24:AC匯流排
25:配電箱
26:輔助電力
27:獨立電源
28:負載端
第1圖，係本發明燃料電池發電併聯電網整合裝置之架構示意圖。
第2圖，係本發明結合初階家庭電源管理系統再併市電網示意圖。
第3圖，係本發明之第2圖局部放大示意圖。
請參閱『第1圖~第3圖』所示，係分別為本發明燃料電池發電併聯電網整合裝置之架構示意圖、本發明結合初階家庭電源管理系統再併市電網示意圖、及本發明之第2圖局部放大示意圖。如圖所示：本發明係一種燃料電池發電併聯電網整合裝置100，係由一發電系統側10及一併網系統與初階家用電源管理系統側20所組成。
上述所提之發電系統側10包含一kW級固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)發電系統11、一連接該kW級SOFC發電系統11之DC匯流排控制器12、及一連接該DC匯流排控制器12之直流電子負載(DC E-Load)13。
該併網系統與初階家用電源管理系統側20包含一連接該DC匯流排控制器12之電力保護元件(Power Protection)21、一連接該電力保護元件21之低電壓直/交流逆變器(DC/AC Inverter)22、一連接該低電壓直/交流逆變器22且具備控制與顯示功能的初階家用電源管理系統(Home Energy Management System,HEMS)23、一連接該初階家用電源管理系統23之AC匯流排24、一連接該AC匯流排24且併市電網的配電箱25、一連接該低電壓直/交流逆變器22與該AC匯流排24之輔助電力26、一連接該低電壓直/交流逆變器22之獨立電源27、及一連接該AC匯流排24之負載端28。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之燃料電池發電併聯電網整合裝置100。其中：
該併網系統與初階家用電源管理系統側20係通過該初階家用電源管理系統23使用獨立介面控制及顯示，可避免與該發電系統側10的該kW級SOFC發電系統11互擾並提供保密作用，因本發明規劃目標需藉資訊及通訊科技(Information and Communications Technology,ICT)與台電公司作協調評估，是否搭配台電的電力調度，故需要針對資安、商業機密、個資…等作基本保密，以避免觸犯法律及影響公司及個人權益。
該併網系統與初階家用電源管理系統側20係通過該電力保護元件21提供逆電流、短路與過載保護、過電壓與低電壓保護、以及過頻與低 頻保護等前述保護機制，並以該輔助電力26協助避免電壓振盪突然卸載。而該輔助電力可考量使用交/直流電源供應器(AC/DC Power Supply)或電池模組。
該併網系統與初階家用電源管理系統側20係藉該低電壓直/交流逆變器22逐漸拉載發電功率(W)，經該初階家用電源管理系統23、該AC匯流排24與該配電箱25，使該kW級SOFC發電系統11可隨發即用，該負載端28不足W時由該市電網補足，若發電量大於用量則注入該市電網，可考量搭配台電的電力調度而轉賣台電作基載或區域尖峰用電調節。
該獨立電源27在孤島運轉時可藉該負載端以
Figure 109126566-A0305-02-0008-8
1A/min或
Figure 109126566-A0305-02-0008-9
10w/min的升降調整來逐漸拉載發電功率，不可突升降載而造成電池片損傷(總功率降低)。
上述相關設備狀態顯示及控制置於第3圖電器控制、用電量查詢-即時用電量、併網輸入及輸出電量，最後再藉第2圖中ICT與台電公司作協調評估，是否搭配台電的電力調度。
本發明所提燃料電池發電併聯電網整合裝置100中該kW級(以上)SOFC發電系統11發電特性，其開路電壓約
Figure 109126566-A0305-02-0008-10
34V，滿載至
Figure 109126566-A0305-02-0008-11
1kW時的輸出電壓與電流值分別為
Figure 109126566-A0305-02-0008-12
25V與40A，而該kW級SOFC發電系統11的發電數值顯示於第3圖用電量查詢-SOFC發電量；在該kW級SOFC發電系統11發電拉載過程中係由該DC匯流排控制器12調控該直流電子負載13預先拉載測試及該低電壓直/交流逆變器22併網拉載的功率範圍，即在該直流電子負載13預先拉載至
Figure 109126566-A0305-02-0008-14
1kW後逐漸卸載，並同步進行該低電壓直/交流逆變器22逐漸拉載至
Figure 109126566-A0305-02-0008-15
1kW。當起動至發電滿載後可用於併接市電網110V或220V之電壓，除此之外，其熱能亦可回收利用，用於加熱家庭用水。
由此可知，本發明利用燃料電池發電併聯電網整合裝置來解決SOFC低電壓、高電流、電壓振盪、電壓突降以及起動發電時間長等問題，目標開發kW級(以上)SOFC併市電網系統，除可考量當穩定電力供應(基載)外，亦可幫助區域尖峰用電調節。其技術特色為：
1.提升轉換功率：利用適合SOFC發電端電壓(以1kW低電壓25V，高電流40A為例)的併網逆變器(grid-tie inverter)19V~34V為例，以及相對應瓦數的更大電壓範圍，其輸出的交流電可與市電頻率及相位同步，並可不需經過直流升壓轉換器(converter)的功率損耗。
2.增加供電穩定：解決SOFC系統發電時，可能因水(H2O)及甲烷(CH4)轉氫氣(H2)量至電池不穩定，而造成電壓振盪(發電功率亦呈現±50W)或電壓突降，即在SOFC的陽極半電池反應(2H2+O2→2H2O)，其中氫氣主要來源自甲烷轉氫反應(CH4+2H2O→CO+4H2)，故若水及甲烷轉氫氣量至電池因機體或電池構造而流量分布不穩定，有可能造成陽極半電池反應的電壓振盪起伏。若工作電壓突降至18V，透過加裝的輔助電力(增加1V以上)，可避免逆變器(19V~34V為例，以及相對應瓦數的更大電壓範圍)突然卸載，而造成需等待300秒以上才可重新併市電網，以及減少突然卸載對電池片損傷的機會。
3.提升用電便利：為符合家庭隨時用電的需求，係結合初階家庭電源管理系統再併市電網，如第2、3圖所示，家庭用電量若不夠則由市電網補足，以符合家庭用電需求；而待SOFC起動發電後，使SOFC發電可隨發即用，多餘可再併市電網(可考量搭配台電的電力調度而轉賣台電作基載或區域尖峰用電調節)。
綜上所述，本發明係一種燃料電池發電併聯電網整合裝置，可有效改善習用之種種缺點，通過完成kW級SOFC發電系統建立與效能測試，並進行 系統併聯電網整合測試，建立技術自主高效率SOFC分散式能源併聯電網系統，其特色包含1.提升轉換功率：可併市電應用及輸出功率可不需經過直流升壓轉換器的損耗、2.增加供電穩定：減少電壓振盪及突降造成突然卸載，進而影響電池片的損傷、3.提升用電便利：搭配初階電源管理再併市電網，即可不需再受限等待漫長的起動發電時間，而達到可隨時用電的便利，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100:燃料電池發電併聯電網整合裝置
10:發電系統側
11:kW級SOFC發電系統
12:DC匯流排控制器
13:直流電子負載
20:併網系統與初階家用電源管理系統側
21:電力保護元件
22:低電壓直/交流逆變器
23:初階家用電源管理系統
24:AC匯流排
25:配電箱
26:輔助電力
27:獨立電源
28:負載端

Claims (5)

  1. 一種燃料電池發電併聯電網整合裝置，係由一發電系統側及一併網系統與初階家用電源管理系統側所組成，其中：該發電系統側包含一kW級固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)發電系統、一連接該含kW級SOFC發電系統之DC匯流排控制器、及一連接該DC匯流排控制器之直流電子負載(DC E-Load)；以及該併網系統與初階家用電源管理系統側包含一連接該DC匯流排控制器之電力保護元件(Power Protection)、一連接該電力保護元件之低電壓直/交流逆變器(DC/AC Inverter)、一連接該低電壓直/交流逆變器且具備控制與顯示功能的初階家用電源管理系統(Home Energy Management System,HEMS)、一連接該初階家用電源管理系統之AC匯流排、一連接該AC匯流排且併市電網的配電箱、一連接該低電壓直/交流逆變器與該AC匯流排之輔助電力、一連接該低電壓直/交流逆變器之獨立電源、及一連接該AC匯流排之負載端；其中，該併網系統與初階家用電源管理系統側係通過該初階家用電源管理系統使用獨立介面控制及顯示，可避免與該發電系統側的該kW級SOFC發電系統互擾並提供保密作用；該併網系統與初階家用電源管理系統側係通過該電力保護元件提供逆電流、短路與過載保護、過電壓與低電壓保護、以及過頻與低頻保護等前述保護機制，並以該輔助電力協助避免電壓振盪突然卸載；該併網系統與初階家用電源管理系統側係藉該低電壓直/交流逆變器逐漸拉載發電功率(W)，經該初階家用電源管理系統、該AC匯流排與該配電箱，使該kW級SOFC發電系統可隨發即用，該負載端不足W時由該市電網補足，若發電量大於用量則注入該市電網； 該市電網斷電時，該獨立電源在孤島運轉模式時係藉該負載端以
    Figure 109126566-A0305-02-0013-16
    1A/min或
    Figure 109126566-A0305-02-0013-17
    10w/min的升降調整來逐漸拉載發電功率，使該kW級SOFC發電系統供該獨立電源作孤島運轉用。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之燃料電池發電併聯電網整合裝置，其中，該輔助電力係可選自交/直流電源供應器(AC/DC Power Supply)或電池模組。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之燃料電池發電併聯電網整合裝置，其中，當該發電量注入該市電網時，係可進一步搭配台電的電力調度而轉賣台電作基載或區域尖峰用電調節。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之燃料電池發電併聯電網整合裝置，其中，該kW級SOFC發電系統在發電拉載過程中係由該DC匯流排控制器調控該直流電子負載預先拉載測試及該低電壓直/交流逆變器併網拉載的功率範圍，在該直流電子負載預先拉載至
    Figure 109126566-A0305-02-0013-18
    1kW後逐漸卸載，並同步進行該低電壓直/交流逆變器逐漸拉載至
    Figure 109126566-A0305-02-0013-19
    1kW。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之燃料電池發電併聯電網整合裝置，其中，當該kW級SOFC發電系統起動至發電滿載後可用於併接市電網110V或220V之電壓，並可將其熱能回收利用。
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