专利名称：电能系统及其运行方法
技术领域：
本发明涉及清洁能源应用领域，具体涉及一种多能互补的复合电能系统以及运行这种电能系统的方法。
背景技术：
近年来已提出了多种利用太阳能、风能等可再生清洁能源的技术方案，并且考虑到太阳能、风能等受到天气情况等外部因素的影响较大，提出了将可再生能源组合互补来提供电能的方法。现有的多能互补设备大多数将太阳能和风能结合，并多采用储能设备来存储多余能量。然而，为满足自然条件最不利情况下的供电，储能设备选择时需要留有较大余量，导致设备运行效率降低，投入成本也增大了。特别是实现为孤网系统时，有时甚至不能满足负荷需求，即不能完全满足用户逐时负荷用电量。需要一种多能互补的复合电能系统，能够克服传统的电能设备运行效率低，使用成本高，不能满足用户逐时负荷需求的问题。
发明内容
根据本发明一方面，提供了一种电能系统，包括第一发电子系统，包括可再生能源发电子系统；第二发电子系统，包括燃料电池子系统；以及电能共用子系统，连接至第一和第二发电子系统，并连接至电能系统外部的负载， 根据第一和第二发电子系统的运行状况信息以及负载的反馈，控制第一和第二发电子系统，以满足负载电能需求并优化系统运行效率，其中第二发电子系统作为第一发电子系统的补充，来弥补第一发电子系统的电能供应盲点。根据本发明另一方面，提供了一种电能系统运行方法，所述电能系统包括第一发电子系统，包括可再生能源发电子系统；第二发电子系统，包括燃料电池子系统；以及电能共用子系统，连接至第一和第二发电子系统，并连接至电能系统外部的负载，所述方法包括根据第一和第二发电子系统的运行状况信息以及负载的反馈，控制第一和第二发电子系统，以满足负载电能需求并优化系统运行效率，其中将第二发电子系统作为第一发电子系统的补充，来弥补第一发电子系统的电能供应盲点。根据本发明示例实施例，将太阳能、风能等可再生能源发电系统互补使用，同时采用燃料电池与储能电池来弥补自然能源发电的盲点，形成能连续满足终端用电负荷需求的供电系统。该系统适宜于在偏远地区的孤网供电，能源系统的大小根据用户不同因地制宜并根据当地特点和用户需求进行优化设计和优化配置。此外，采用作为清洁能源设备之一的燃料电池作为补充发电装置，发电效率高，几乎没有污染物排放，保证了环境友好性。
通过下面结合
本发明的示例实施例，将使本发明的上述及其它目的、特征和优点更加清楚，其中图1示出了根据本发明实施例的电能系统的示意框图；以及图2示出了图1电能系统的一个示例。
具体实施例方式以下参照附图，对本发明的示例实施例进行详细描述，本发明不限于下述示例实施例。为了清楚描述本发明的基本思想，附图中仅示出了与本发明的技术方案密切相关的部件、功能或步骤，并且以下描述中省略了对已知技术、功能、部件或步骤的具体描述。考虑到自然能源发电受天气等外部因素影响较大，无法确切地满足用电负荷需求，根据本发明实施例，提出了采用燃料电池与储能电池来弥补自然能源发电的盲点，形成能连续满足终端用电负荷需求的供电系统。这特别适合于孤网供电。图1示出了根据本发明实施例的电能系统的示意框图。该多能互补的电能系统10 包括第一发电子系统101、第二发电子系统102和电能共用子系统103。第一发电子系统 101包括可再生能源发电子系统，例如包括太阳能、风能等中的至少一种。第二发电子系统 102包括燃料电池子系统。燃料电池的规模是可以按需灵活配置的，优选地采用小型的燃料电池，并对燃料电池子系统的运行起停以及/或者负荷率进行控制，这样可以提高燃料电池的功能效率。燃料电池的使用不会受到天气等外部因素的影响，可以确保对第一发电子系统101的供能盲点的可靠补充。此外，燃料电池也属于清洁能源设备，几乎没有污染物排放，保证了环境友好性。电能共用子系统103连接至第一和第二发电子系统，并连接至电能系统10外部的负载104，根据第一和第二发电子系统的运行状况信息以及负载104的反馈，控制第一和第二发电子系统，以满足负载电能需求并优化系统运行效率。第一发电子系统101作为主要供能源，第二发电子系统102作为第一发电子系统101的补充，来弥补第一发电子系统101的电能供应盲点。例如，在第一发电子系统101包括太阳能发电子系统和风力发电子系统的情况下，电能共用子系统103可以进行控制，以在晴天有风时从第一发电子系统101供给用户电能，同时根据用户用电负载的变化将多余的电能储存于储能电池中；而当夜间或无风时启动燃料电池，将燃料电池与储能电池并联切换或同时使用以给用户供电。通过结合燃料电池和储能电池，可以更加灵活、优化地配置系统设备，例如不必选择容量过大的储能电池，从而能够提高系统的整体功能效率。利用电能共用子系统103的控制，可以根据用电负载荷的要求使系统工作性能达到最优化，形成风-光-储与燃料电池电能互补的良好局面。电能共用子系统103可以包括分别针对第一和第二子发电子系统的电能控制器， 以分别控制第一和第二子发电子系统的运行。此外，电能共用子系统103可以包括储能电池，在相应电能控制器的控制下，存储来自第一发电子系统的电能和释放所存储的电能。电能共用子系统103还可以包括共用控制器，与电能控制器连接以接收第一和第二发电子系统的运行状况信息，并接收来自负载的反馈。共用控制器根据接收的运行状况信息和反馈， 指示相应的电能控制器调整对第一和第二发电子系统以及储能电池的控制。该共用控制器可以从全局角度对负载需求进行分析，对供电和充放电进行优化运算，根据用电负载和可再生能源的发电量灵活地进行供电、充放电和燃料电池系统的起停控制，以满足用户的逐时用电负荷需求，并实现系统运行效率最高，性能最优，运行成本最低的优化模式。此外，该共用控制器经由相应的电能控制器对各个子系统进行控制，这种全局控制加上局部控制的模式，即可以实现全局性能最优，又可以基本保持各个子系统的独立运行，几乎不需要对各个子系统的现有架构进行改变。这进一步方便了根据本发明实施例的电能系统的实施，降低了系统成本。图2示出了图1电能系统10的一个详细示例，在该示例中，第一发电子系统101 包括太阳能发电子系统和风力发电子系统两者。本领域技术人员可以理解，第一发电子系统也可以只包括两者之一，或者包括其他自然能源发电设备、或者它们的任意组合。可以根据系统要应用的地区的自然、天气条件来优化配置系统的构架。如图2所示，该电能系统的示例系统20包括太阳能发电子系统201、风力发电子系统202、燃料电池子系统203和电能共用子系统204。电能共用子系统204包括针对各个子系统201、202、和203的第一、第二和第三电能控制器20fe-c、针对各个子系统的第一、第二和第三逆变器206a-c、储能电池207以及共用控制器208。太阳能发电子系统201的输出连接至第一电能控制器20 ，并经由第一电能控制器20 连接至第一逆变器206a以及储能电池207。风力发电子系统202的输出连接至第二电能控制器20 ，并经由第二电能控制器20 连接至第二逆变器206b以及储能电池207。燃料电池子系统203的输出连接至第三电能控制器205c，并经由第三电能控制器205c连接至第三逆变器206c。第一、第二和第三电能控制器可以分别对子系统201、202和203的运行状况进行控制，收集相应的运行状况信息。第一和第二电能控制器205a、b还可以对储能电池207的充放电进行控制，并收集其储能状况信息。第一、第二和第三电能控制器分别连接至共用控制器208，与之进行双向通信。具体而言，电能控制器向共用控制器208提供各个子系统和储能电池的运行状况信息，共用控制器208根据接收的运行状况信息，指示相应的电能控制器调整对第一和第二发电子系统以及储能电池的控制。第一、第二和第三逆变器206a_c的输出提供给负载。具体而言，第一、第二和第三逆变器206a_c分别在第一、 第二和第三电能控制器的控制下将来自相应子系统的直流电能转换为交流电能， 以提供给交流负载。备选地，在负载是直流负载的情况下，可以省略或绕过各个逆变器，将来自各个子系统的直流电能提供给直流负载。此外，储能电池的输出也可以提供给直流负载或者经由对应的逆变器提供给交流负载。在一个实施例中，太阳能发电子系统201、风力发电子系统202、燃料电池子系统203的电能输出可以是并联的，经由接线箱等接入到电能共用子系统204中。此外，在系统输出端，各个电能输出可以是并联的，经由配线箱等提供给负载209。负载209向共用控制器208提供反馈，例如电压反馈或电流反馈，从而共用控制器208可以获取逐时用电负荷需求。由此，除了考虑各个子系统的运行状况，共用控制器 208还可以考虑到来自负载209的反馈，使得该示例的电能系统20能够综合分析系统运行状况和负载反馈，对供电和充放电进行优化运算，灵活地进行供电、充放电和燃料电池系统的起停控制等等。根据一个实施例，共用控制器208可以采用模糊控制算法，结合自然条件、天气条件、当地/逐时用电量、各个子系统发电量、燃料电池容量、储能电池储电量等多种因素，适应地配置系统运行。根据一个实施例，该电能系统20还可以包括用户接口(未示出)，与共用控制器208连接。例如，操作员可以根据预测的天气条件、用电需求等多种因素，通过用户接口输入相应的指令或命令，来进行手动控制，调整各个子系统和储能电池的运行。这样，操作员可以方便地通过共用控制器208来控制整个多能互补系统，并且这种人为介入可以进一步优化系统效率。根据另一实施例，第一、第二和第三电能控制器以及针对各个子系统的第一、第二和第三逆变器206a-c可以分别与相应的太阳能发电子系统201、风力发电子系统 202、燃料电池子系统203部署在一起，储能电池207可以相应地部署在太阳能发电子系统 201和风力发电子系统202附近，而共用控制器208可以部署在控制室中，进行远程控制，例如通过无线通信等。这进一步方便了操作员的操作和系统维护。下面对各个子系统及其运行进行更加详细的介绍，其中共用控制器208可以指示相应的电能控制器调整对各个发电子系统以及储能电池的控制，即各个电能控制器均在共用控制器208的控制下进行对相应子系统的控制。太阳能发电子系统201也可以称作光伏发电子系统，包括太阳能发电装置，例如包括机架、安装在机架上的太阳能硅晶板和聚光镜。产生的电流通过例如电能控制开关，可直接对直流负载进行供电，也可以通过第一逆变器206a变换后对交流负载进行供电，这里由第一电能控制器20 对不同负载的供电进行控制。第一电能控制器20 在共用控制器 208的控制下，确定如何供电以及是否对储能电池207进行充电。例如，当无阳光或阳光状况不利时，第一电能控制器20 可以根据来自共用控制器208的指示，确定是否停运子系统201、以及是否释放储能电池207存储的电能。当阳光条件非常好时，共用控制器208可以通过第一电能控制器20 停运其他子系统，而将太阳能发电子系统201运行到最大功率，并且可以在电能有剩余时向储能电池207充电。太阳能发电子系统201还可以包括追日式太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等常规设备。太阳能发电子系统201的规模及其结构配置可以根据使用区域的天气、自然环境、用电需求等来设计。风力发电子系统202包括风力发电机组。现代风力发电机采用空气动力学原理， 风力吹过叶片形成叶片正反面压差而产生升力，令风轮旋转并不断横切风流。风力发电机的风轮并不能提取风的所有功率。根据Betz定律，理论上风电机能够提取的最大功率是风的功率的59. 6%。大多数风电机只能提取风的功率的40%或者更少。由于风力发电机的功率输出是随着风力而变的，因此需要在强风下限制功率输出，最常见的两种限制功率输出的方法是失速调节和斜角调节。在本发明的示例实施例中， 可以采用斜角调节，这种风电机的每片叶片能够以纵向为轴而旋转，叶片角度随着风速不同而转变，从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强时，叶片转动至迎气边缘面向来风， 从而令风轮刹车。同时本风电机的叶片中嵌入了避雷条，当叶片遭到雷击时，可将闪电中的电流引导至地下去。风力发电机组发出的电流经交流/直流变换器变换为直流电。产生的电流通过例如电能控制开关，可直接对直流负载进行供电，也可以通过第二逆变器206b变换后对交流负载进行供电，这里由第二电能控制器20 对不同负载的供电进行控制。第二电能控制器 20 在共用控制器208的控制下，确定如何供电以及是否对储能电池207进行充电。例如， 当无风或风力不佳时，第二电能控制器20 可以根据来自共用控制器208的指示，确定是否停运子系统202、以及是否释放储能电池207存储的电能。当风力条件非常好时，共用控制器208可以通过第二电能控制器20 停运其他子系统，而将风力发电子系统202运行到最大功率，并且可以在电能有剩余时向储能电池207充电。风力发电子系统202的规模及其结构配置可以根据使用区域的天气、自然环境、用电需求等来设计。
燃料电池子系统203具有效率高、无污染、无运动部件和对多种燃料气体广泛适应等特性。燃料电池子系统主要由重整器和电池堆组成，电池堆就是由很多个电池单体组成的。由于单体电池只能产生IV左右的电压，功率有限，为了使燃料电池具有实际应用可能，需要大大提高其功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电池组，即电池堆。燃料电池单体主要组成部分由电解质、阳极或燃料极、阴极或空气极、 连接体或双极板组成。在燃料电池的阳极一侧持续通入燃料气，燃料气经过重整变成氢气， 并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通人氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使02得到电子变为02-，在化学势的作用下，02-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与阳极氢燃料气发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。
在燃料电池子系统中，经处理后的燃料气经过重整器重整后产生的氢气混和气进入电堆的阳极，空气经预处理系统处理后流入电堆的阴极。电堆中各电池单体发生电化学反应产生的电流汇集后由第三电能控制器205c进行供电控制，可直接供电给直流负载，也可以经第三逆变器206b转换后给交流负载供电。燃料电池的起停及负荷率控制在第三电能控制器205c和共用控制器208的共同作用下安全高效运行，以使燃料电池在满足负荷要求的前提下工作性能最优。
燃料电池是一个多变量的复杂系统。在燃料电池的实际工作运行中，各流体的温度、流量及湿度对燃料电池实际功率输出都有重大影响。在根据本发明示例实施例的系统中，燃料电池需要与其它发电设备(光伏或风电)及负载进行联动，以保证系统性能最优。 可以对燃料电池采用一种自适应模糊复合控制算法，考虑到燃料电池的多动态特性，加入自整因子层对量化因子和比例因子进行在线修改，从而改善相应电能控制器的静态和动态特性。向燃料电池输送的燃料氢气及氧化剂空气的流量、温度、湿度、冷却流体温度等运行参数之间可实现动态关联控制，对提高燃料电池运行效率及稳定性有重大影响。当燃料电池发电系统由怠速状态转向输出状态时，要求向燃料电池供应的燃料气、空气、冷却流体的流量也发生变化，并对其他运行参数例如湿度、温度实施动态控制，不但满足燃料电池功率输出变化的要求，而且可以达到提高燃料电池发电系统自身的燃料效率与运行稳定性的目的。
根据本发明实施例，共用控制器208可以进行全局控制，使得例如太阳能发电子系统201和风力发电子系统202在晴天有风时分别发电供给用户，同时根据用户用电负荷的变化将多余的电能储存于储能电池207中，当夜间或无风时可以启动燃料电池子系统 203和/或储能电池207，两者可以并联切换地或同时使用以给用户供电。根据一个实施例， 可以同时使用燃料电池子系统203和储能电池207，这样可以利用容量适度的电池，并且确保储能电池207不被过度充放电。
根据本发明实施例，该电能系统适合实现为孤网供电系统，能源系统的大小根据用户不同因地制宜并根据当地特点和用户需求进行优化设计和优化配置。
根据本发明实施例，对于上述电能系统，可以按照如下方法运行
根据各个发电子系统的运行状况信息以及负载的反馈，控制各个发电子系统，以满足负载电能需求并优化系统运行效率，其中将燃料电池子系统作为其他自然能源发电子系统的补充，来弥补自然能源发电子系统的电能供应盲点。根据一个实施例在自然能源发电子系统输出的电能满足电能需求之后剩余的电能存储在储能电池中。根据另一实施例， 在自然能源发电子系统输出的电能不能满足负载电能需求时，利用储能电池中存储的电能和/或燃料电池子系统输出的电能作为补充来满足负载电能需求。
以上描述了根据本发明实施例的多能源相互补充构成的复合电能系统，各个子系统能够根据各自不同的工作或应用条件协长补短，实现不同时段都能连续供电。其中，将太阳能与风能互补，同时采用燃料电池与储能电池来弥补自然能源发电的盲点，形成能连续满足终端用电负荷需求的供电系统。
以上所述是本发明的示例实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电能系统，包括第一发电子系统，包括可再生能源发电子系统； 第二发电子系统，包括燃料电池子系统；以及电能共用子系统，连接至第一和第二发电子系统，并连接至电能系统外部的负载，根据第一和第二发电子系统的运行状况信息以及负载的反馈，控制第一和第二发电子系统， 以满足负载电能需求并优化系统运行效率，其中第二发电子系统作为第一发电子系统的补充，来弥补第一发电子系统的电能供应盲点。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，第一发电子系统包括以下中的至少一种 太阳能发电子系统；和风能发电子系统。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，电能共用子系统包括第一电能控制器，与第一发电子系统连接，控制第一发电子系统的运行； 第二电能控制器，与第二发电子系统连接，控制第二发电子系统的运行； 储能电池，经由第一电能控制器与第一发电子系统连接，在第一电能控制器的控制下存储来自第一发电子系统的电能和释放所存储的电能；以及共用控制器，与第一和第二电能控制器连接，接收来自第一和第二电能控制器的第一和第二发电子系统的运行状况信息，并接收来自负载的反馈，共用控制器根据接收的运行状况信息和反馈，指示第一电能控制器调整对第一发电子系统和储能电池的控制，并指示第二电能控制器调整对第二发电子系统的控制。
4.根据权利要求3所述的系统，其中负载包括交流负载， 电能共用子系统还包括第一逆变器，经由第一电能控制器与第一发电子系统连接，在第一电能控制器的控制下将第一发电子系统输出的直流电能转化为交流电能；第二逆变器，经由第二电能控制器与第二发电子系统连接，在第二电能控制器的控制下将第二发电子系统输出的直流电能转化为交流电能；其中，第一和第二电能控制器分别控制从第一和第二逆变器输出的交流电能至交流负载的馈送。
5.根据权利要求3所述的系统，其中负载包括直流负载，第一和第二电能控制器分别控制第一和第二发电子系统输出的直流电能至直流负载的馈送。
6.根据权利要求3所述的系统，其中在第一发电子系统输出的电能不能满足负载电能需求时，共用控制器指示第一和第二电能控制器进行控制，以利用储能电池中存储的电能和/或第二发电子系统输出的电能作为补充来满足负载电能需求。
7.根据权利要求3所述的系统，其中燃料电池子系统是小型的，第二电能控制器对燃料电池子系统的运行起停以及/或者负荷率进行控制，以优化供能效率。
8.根据权利要求1所述的系统，其中该电能系统适合实现为孤网系统。
9.一种电能系统运行方法，所述电能系统包括第一发电子系统，包括可再生能源发电子系统；第二发电子系统，包括燃料电池子系统；以及电能共用子系统，连接至第一和第二发电子系统，并连接至电能系统外部的负载，所述方法包括根据第一和第二发电子系统的运行状况信息以及负载的反馈，控制第一和第二发电子系统，以满足负载电能需求并优化系统运行效率，其中将第二发电子系统作为第一发电子系统的补充，来弥补第一发电子系统的电能供应盲点。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在第一发电子系统输出的电能满足电能需求之后剩余的电能存储在储能电池中。
11.根据权利要求10所述的方法，其中控制步骤包括在第一发电子系统输出的电能不能满足负载电能需求时，利用储能电池中存储的电能和/或第二发电子系统输出的电能作为补充来满足负载电能需求。
12.根据权利要求10所述的方法，其中控制步骤还包括对燃料电池子系统的运行起停、以及/或者负荷率进行控制，以优化供能效率。
全文摘要
公开了一种多能互补电能系统及其运行方法，该系统包括第一发电子系统，包括可再生能源发电子系统；第二发电子系统，包括燃料电池子系统；以及电能共用子系统，连接至第一和第二发电子系统，并连接至电能系统外部的负载，根据第一和第二发电子系统的运行状况信息以及负载的反馈，控制第一和第二发电子系统，以满足负载电能需求并优化系统运行效率，其中第二发电子系统作为第一发电子系统的补充，来弥补第一发电子系统的电能供应盲点。本发明将太阳能、风能等可再生能源发电系统互补使用，同时采用燃料电池与储能电池作为补偿，形成能连续满足终端用电负荷需求的清洁能源供电系统。
文档编号H02J9/00GK102497001SQ201110358879
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者吴涛涛, 吴竺, 宫振华, 王建召, 甘中学, 韩继深 申请人:上海新奥能源科技有限公司