一种含有SOFC的微电网控制系统

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，尤其涉及一种含有SOFC的微电网控制系统。

背景技术

微电网作为一种小型发配电系统，能够将分布式电源、负荷、储能系统有机整合，降低分布式电源对现有配电网的不利影响，提高了供电可靠性和电能质量；现有的微电网系统中，微电网系统的分布式电源主要由光伏发电、风力发电、柴油发电、蓄电池储能等组成的系统，在加入SOFC(固体氧化物燃料电池)作为能源发电后，也是单独对含有SOFC的燃料电池的系统进行控制，无法实现微电网在加入SOFC能源后与其余能源供电系统的协同控制。

发明内容

本发明实施例提供一种含有SOFC的微电网控制系统，能实现对包含SOFC发电子系统在内的多能源系统进行协同控制。

本发明一实施例提供一种含有SOFC的微电网控制系统，包括：SOFC发电子系统、可再生能源发电子系统、储能子系统、控制模块以及第一直流母线；

所述SOFC发电子系统、可再生能源发电子系统、储能子系统共同接入第一直流母线；

所述控制模块，用于检测第一直流母线的负荷功率、可再生能源发电子系统的发电功率以及SOFC发电子系统的发电功率；

控制可再生能源发电子系统以最大发电功率发电；

计算可再生能源发电子系统的发电功率、SOFC发电子系统的发电功率以及储能子系统的放电功率之和，得到微电网系统的总供电功率；

将第一直流母线的负荷功率与所述总供电功率进行对比；

在第一直流母线的负荷功率大于总供电功率时，控制所述储能子系统向第一直流母线放电，直至第一直流母线的负荷功率等于总供电功率，继而在保持第一直流母线的负荷功率等于总供电功率的前提下，逐渐提高SOFC发电子系统的发电功率，逐渐降低储能子系统的发电功率；

在第一直流母线的负荷功率小于总供电功率且SOFC发电子系统的发电功率大于零时，降低所述SOFC发电子系统的发电功率；

在第一直流母线的负荷功率小于总供电功率且SOFC发电子系统的发电功率等于零时，发送充电指令到储能子系统，以使所述储能子系统根据充电指令执行充电操作。

进一步地，所述可再生能源发电子系统，包括：水力发电子系统、风力发电子系统、光伏发电子系统；

所述水力发电子系统包括水力发电装置以及第一单向AC/DC；所述水力发电装置经第一单向AC/DC与第一直流母线连接；

所述风力发电子系统包括风力发电装置以及第二单向AC/DC；所述风力发电装置经第二单向AC/DC与第一直流母线连接；

所述光伏发电子系统包括光伏组件以及第一单向DC/DC；所述光伏组件经第一单向DC/DC与第一直流母线连接。

进一步地，所述SOFC发电子系统，包括：SOFC电池堆、燃料供给装置、热处理装置以及第二单向DC/DC；

所述SOFC电池堆与燃料供给装置连接；所述SOFC电池堆经第二单向DC/DC与第一直流母线连接；

所述燃料供给装置，用于向SOFC电池堆提供燃气和空气；

所述热处理装置，用于提升SOFC电池堆的温度；

所述SOFC电池堆，用于在SOFC电池堆提升至发电所需温度时，使燃气、空气和电池堆发生反应生成电流。

进一步地，所述可再生能源发电子系统，还包括：热力发电子系统；

所述热力发电子系统包括热力发电装置以及第三单向DC/DC；

所述热力发电装置与热处理装置连接，所述热力发电装置的经第三单向DC/DC与第一直流母线连接；

所述热力发电装置，用于回收SOFC发电子系统产生的尾气，将尾气中的余热转化为电流。

进一步地，所述储能子系统包括：储能电池、电池管理系统以及第一双向DC/DC；

所述储能电池与电池管理系统连接；所述储能电池经第一双向DC/DC与第一直流母线连接；

所述发送充电指令到储能子系统，以使所述储能子系统根据充电指令执行充电操作，包括：

所述控制模块发送充电指令到储能子系统；

所述储能子系统中电池管理系统接收到充电指令后，电池管理系统获取储能电池的电量，在储能电池的电量小于第一阈值时，控制储能子系统开始充电。

进一步地，还包括：第一双向DC/AC以及交流母线；

所述第一直流母线经第一双向DC/AC与交流母线连接；

所述控制模块，还用于：获取储能子系统的发电功率，在第一直流母线的负荷功率和储能子系统的发电功率之和小于总供电功率时，控制第一双向DC/AC从第一直流母线取电。

进一步地，所述控制模块，还用于：

在检测到储能电池的电量小于第二阈值时，控制储能子系统逐渐提高充电功率至额定充电功率，并同步控制所述SOFC发电子系统逐渐提高发电功率；

在检测到储能电池的电量达到第三阈值时，控制储能子系统逐渐降低充电功率，并同步控制所述SOFC发电子系统逐渐降低发电功率，直至储能子系统的充电功率等于总供电功率时，控制储能子系统进入待机模式，并控制SOFC发电子系统保持当前发电功率；其中，所述第一阈值大于第三阈值，第三阈值大于第二阈值。

进一步地，还包括：第四单向DC/DC、第二直流母线、第五单向DC/DC以及第三直流母线；

所述第一直流母线经第四单向DC/DC与第二直流母线连接；所述第二直流母线经第五单向DC/DC与第三直流母线连接；

所述控制模块还用于，控制第四单向DC/DC从第一直流母线取电，控制第五单向DC/DC从第二直流母线取电。

通过实施本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种含有SOFC的微电网控制系统，该系统包括SOFC发电子系统、可再生能源发电子系统、储能子系统、控制模块以及第一直流母线；各子系统接入第一直流母线中，控制模块对各子系统的发电功率和第一直流母线的负荷功率进行检测，通过比对系统总供电功率与负荷功率，调控SOFC发电子系统与可再生能源发电子系统的发电以及储能子系统的充放电，实现对包含SOFC发电子系统在内的多能源系统进行协同控制。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种含有SOFC的微电网控制系统的结构示意图。

具体实施方式

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本发明一实施例提供的一种含有SOFC的微电网控制系统，包括：SOFC发电子系统、可再生能源发电子系统、储能子系统、控制模块以及第一直流母线；

所述SOFC发电子系统、可再生能源发电子系统、储能子系统共同接入第一直流母线；

所述控制模块，用于检测第一直流母线的负荷功率、可再生能源发电子系统的发电功率以及SOFC发电子系统的发电功率；控制可再生能源发电子系统以最大发电功率发电；计算可再生能源发电子系统的发电功率、SOFC发电子系统的发电功率以及储能子系统的放电功率之和，得到微电网系统的总供电功率；将第一直流母线的负荷功率与所述总供电功率进行对比；在第一直流母线的负荷功率大于总供电功率时，控制所述储能子系统向第一直流母线放电，直至第一直流母线的负荷功率等于总供电功率，继而在保持第一直流母线的负荷功率等于总供电功率的前提下，逐渐提高SOFC发电子系统的发电功率，逐渐降低储能子系统的发电功率；在第一直流母线的负荷功率小于总供电功率且SOFC发电子系统的发电功率大于零时，降低所述SOFC发电子系统的发电功率；在第一直流母线的负荷功率小于总供电功率且SOFC发电子系统的发电功率等于零时，发送充电指令到储能子系统，以使所述储能子系统根据充电指令执行充电操作。

具体的，可再生能源发电子系统、SOFC发电子系统、储能子系统分别与第一直流母线进行连接，控制模块分别与可再生能源发电子系统、SOFC发电子系统、储能子系统以及第一直流母线进行通讯连接，通过控制模块与各子系统和第一直流母线之间的通讯连接检测第一直流母线的负荷功率、可再生能源发电子系统的发电功率以及SOFC发电子系统的发电功率；在实际实施过程中，以可再生能源作为优先使用的能源，控制模块控制可再生能源发电子系统根据外界环境情况进入最大功率运行状态；控制模块在获取各检测数据后，依据可再生能源发电子系统的发电功率、SOFC发电子系统的发电功率以及储能子系统的放电功率的总和得到当前微电网系统的总供电功率；将微电网系统的总供电功率与用电功率(即上述第一直流母线的负荷功率)进行对比，并基于对比结果实施如下调控：

当用电功率大于总供电功率时，即当前供能不足，控制模块控制储能子系统向第一直流母线放电，通过储能子系统放电调控用电功率与总供电功率的关系，使得总供电功率等于用电功率；在通过控制储能子系统放电增大总供电功率到与用电功率相等后，在保持总供电功率到与用电功率相等的前提下，控制模块控制SOFC发电子系统逐渐提高发电功率，并同步逐渐降低储能子系统的输出功率，从而使得SOFC发电子系统所提高的发电功率逐步替代储能子系统所输出的放电功率；即以提高SOFC发电子系统的发电功率来降低储能子系统的放电功率。

需要说明的是，由于在微电网系统中，可再生能源发电子系统的发电功率随着环境不断变化其发电功率也会随之而骤变，加之外界用电需求的骤变，在实际应用场景中功率在短时间内变化较快，而当前的SOFC发电子系统无法对微电网中骤变的功率做出快速响应，因此，本发明采用储能子系统放电后再逐步提高SOFC发电子系统的发电功率的方式，以储能子系统来平稳用电供需关系，继而提高微电网系统的可靠性和电能质量。

当用电功率小于总供电功率时，判断SOFC发电子系统是否处于发电状态，若SOFC发电子系统处于发电状态(即上述SOFC发电子系统的发电功率大于零时)，降低SOFC发电子系统的发电功率；若SOFC发电子系统处于未发电状态(即上述且SOFC发电子系统的发电功率等于零时)，控制模块向储能子系统发送充电指令，将当前可再生能源子系统生成的多余能量存储到储能子系统中。

在一个优先的实施例中，所述可再生能源发电子系统，包括：水力发电子系统、风力发电子系统、光伏发电子系统；所述水力发电子系统包括水力发电装置以及第一单向AC/DC；所述水力发电装置经第一单向AC/DC与第一直流母线连接；所述风力发电子系统包括风力发电装置以及第二单向AC/DC；所述风力发电装置经第二单向AC/DC与第一直流母线连接；所述光伏发电子系统包括光伏组件以及第一单向DC/DC；所述光伏组件经第一单向DC/DC与第一直流母线连接。

具体的，水力发电装置通过水力发电，将产生的电流通过第一单向AC/DC传输至第一直流母线，在水力发电装置与第一单向AC/DC之间设有开关K1，在第一单向AC/DC与第一直流母线之间设有开关K2；风力发电装置通过风力发电，将产生的电流通过第二单向AC/DC传输至第一直流母线，在风力发电装置与第二单向AC/DC之间设有开关K3，在第二单向AC/DC与第一直流母线之间设有开关K4；光伏组件通过光能发电，将产生的电流通过第一单向DC/DC传输至第一直流母线，在光伏组件与第一单向DC/DC之间设有开关K5，在第一单向DC/DC与第一直流母线之间设有开关K6。

在一个优选的实施例中，所述SOFC发电子系统，包括：SOFC电池堆、燃料供给装置、热处理装置以及第二单向DC/DC；所述SOFC电池堆与燃料供给装置连接；所述SOFC电池堆经第二单向DC/DC与第一直流母线连接；所述燃料供给装置，用于向SOFC电池堆提供燃气和空气；所述热处理装置，用于提升SOFC电池堆的温度；所述SOFC电池堆，用于在SOFC电池堆提升至发电所需温度时，使燃气、空气和电池堆发生反应生成电流。

具体的，SOFC发电子系统中的燃料供给装置向SOFC电池堆提供燃气和空气后，热处理装置将含有燃气和空气的SOFC电池堆进行升温，使SOFC电池堆与燃气和空气发生反应后产生电流，将产生的电流通过第二单向DC/DC传输至第一直流母线，在SOFC电池堆与第二单向DC/DC之间设有开关K7，在第二单向DC/DC与第一直流母线之间设有开关K8。

在一个优选的实施例中，所述可再生能源发电子系统，还包括：热力发电子系统；所述热力发电子系统包括热力发电装置以及第三单向DC/DC；所述热力发电装置与热处理装置连接，所述热力发电装置的经第三单向DC/DC与第一直流母线连接；所述热力发电装置，用于回收SOFC发电子系统产生的尾气，将尾气中的余热转化为电流。

具体的，热力发电子系统中的热力发电装置与SOFC发电子系统中的热处理装置连接，SOFC发电子系统反应产生的尾气经热处理装置传输至热力发电装置，热力发电装置对尾气中的余热进行回收，并将尾气中的热能转化为电能，将反应产生的电流经第三单向DC/DC传输至第一直流母线，在热力发电装置与第三单向DC/DC之间设有开关K9，在第三单向DC/DC与第一直流母线之间设有开关K10。

在一个优选的实施例中，所述储能子系统包括：储能电池、电池管理系统以及第一双向DC/DC；所述储能电池与电池管理系统连接；所述储能电池经第一双向DC/DC与第一直流母线连接；所述发送充电指令到储能子系统，以使所述储能子系统根据充电指令执行充电操作，包括：所述控制模块发送充电指令到储能子系统；所述储能子系统中电池管理系统接收到充电指令后，电池管理系统获取储能电池的电量，在储能电池的电量小于第一阈值时，控制储能子系统开始充电。

具体的，储能子系统包含有用于充放电的储能电池、BMS(即上述电池管理系统)以及第一双向DC/DC；在控制模块控制储能子系统进行充电时，控制模块发送一充当指令到储能子系统，储能子系统中的BMS接收到充电指令后，获取储能电池当前的SOC值(即上述电量)，如果当前SOC值小于储能电池的最大充电电量(即上述第一阈值)，BMS控制储能电池从第一直流母线取电，电流经第一双向DC/DC充入储能电池；如果当前SOC值大于或等于储能电池的最大充电电量，BMS控制储能电池不充电；在储能电池与第一双向DC/DC之间设有开关K11，在第一双向DC/DC与第一直流母线之间设置有开关K12；

需要说明的是，上述第一阈值可以为储能电池的最大充电电量，也可为自定义的电池充电上限值，该值作为判断是否需继续向储能电池充电的评判标准可在实际实施过程中按具体情况进行调整。

在一个优选的实施例中，还包括：第一双向DC/AC以及交流母线；所述第一直流母线经第一双向DC/AC与交流母线连接；所述控制模块，还用于：获取储能子系统的发电功率，在第一直流母线的负荷功率和储能子系统的发电功率之和小于总供电功率时，控制第一双向DC/AC从第一直流母线取电。

具体的，第一直流母线与第一双向DC/AC连接，在第一直流母线与第一双向DC/AC之间设有开关K15；第一双向DC/AC与交流母线连接，在第一双向DC/AC与交流母线之间设有开关K16；在SOFC发电子系统不发电且当前储能子系统中储电量饱和的情况下，控制模块可通过控制第一双向DC/AC从第一直流母线取电，使得多余的电能流入交流母线中，使得多余功率通过第一双向DC/AC进行并网；若微电网系统处于离线状态，则第一单向AC/DC、第二单向AC/DC、第一单向DC/DC处于恒压模式，使得当前用电功率加充电功率等于总供电功率；交流母线通过开关K21、K22可分别需使用交流负荷的设备进行连接。

在一个优选的实施例中，所述控制模块，还用于：在检测到储能电池的电量小于第二阈值时，控制储能子系统逐渐提高充电功率至额定充电功率，并同步控制所述SOFC发电子系统逐渐提高发电功率；在检测到储能电池的电量达到第三阈值时，控制储能子系统逐渐降低充电功率，并同步控制所述SOFC发电子系统逐渐降低发电功率，直至储能子系统的充电功率等于总供电功率时，控制储能子系统进入待机模式，并控制SOFC发电子系统保持当前发电功率；其中，所述第一阈值大于第三阈值，第三阈值大于第二阈值。

具体的，为了保护电池，当BMS(即上述电池管理系统)检测到电池的SOC值(即上述电量)小于储能电池的最小充电电量时，控制模块控制储能子系统进入充电模式，逐渐提高储能子系统的充电功率，使得储能子系统的充电功率从0缓慢上升至额定充电功率，并同步控制SOFC发电子系统逐渐提高发电功率；当BMS(即上述电池管理系统)检测到电池的SOC值(即上述电量)达到储能电池的充电电量中值(即上述第三阈值)时，控制模块控制储能子系统逐渐降低充电功率，并同步控制SOFC发电子系统降低发电功率，直到用电量等于总供电量时，储能子系统进入待机模式，SOFC发电子系统的发电功率维持当前功率不变；

需要说明的是，上述第一阈值、第二阈值以及第三阈值用于作为对储能电池充电是否安全的一个判断，在实际实施过程中，第一阈值、第二阈值以及第三阈值在满足第一阈值大于第三阈值，第三阈值大于第二阈值的条件下，可进行调整。

在一个优选的实施例中，还包括：第四单向DC/DC、第二直流母线、第五单向DC/DC以及第三直流母线；所述第一直流母线经第四单向DC/DC与第二直流母线连接；所述第二直流母线经第五单向DC/DC与第三直流母线连接；所述控制模块还用于，控制第四单向DC/DC从第一直流母线取电，控制第五单向DC/DC从第二直流母线取电。

具体的，在第一直流母线与第四单向DC/DC之间设有开关K13，在第四单向DC/DC于第二直流母线之间设有开关K14，在第二直流母线与第五单向DC/DC之间设有开关K18，在第五单向DC/DC与第三直流母线之间设有开关K19；第一直流母线通过开关K17可与充电桩等需使用直流电的设备进行连接，第二直流母线通过开关K20也可与使用直流电的设备进行连接，第三直流母线通过开关K23可以使用直流电的设备进行连接。

需要补充的是，在本发明实施例中，第一直流母线可向外提供DC750V接口，第二直流母线可向外提供DC400V接口，第三直流母线可向外提供DC48V接口，交流母线可向外提供AC220V、AC390V接口，采用本发明实施例提供的上述接口，可满足大部分用电负荷的需求。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。