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CN102308420B - 燃料电池热电联产系统及其控制方法 - Google Patents

燃料电池热电联产系统及其控制方法 Download PDF

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CN102308420B CN201080007116.8A CN201080007116A CN102308420B CN 102308420 B CN102308420 B CN 102308420B CN 201080007116 A CN201080007116 A CN 201080007116A CN 102308420 B CN102308420 B CN 102308420B
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Abstract

本发明涉及一种燃料电池热电联产系统，包括:燃料电池，其使用含氢的燃料气体和含氧的空气产生直流电；电力转换器，其将所述燃料电池生产的直流电转换为交流电；电力分配器，其在系统电源的商用电力和所述燃料电池的生产电力中进行选择，并将结果作为负载电力分配到负载上；废热回收器，其回收所述燃料电池所产生的热；以及燃料电池控制器，其控制所述燃料电池、所述电力转换器、所述电力分配器及所述废热回收器，并且控制商用电能使得商用电力价格和生产电力价格在设定值上一致。

Description

燃料电池热电联产系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池热电联产系统，更具体地，涉及一种消除燃料电池的生产电力与用户的负载电力之间的电力失衡，从而具有经济性的燃料电池热电联产系统及其控制方法。
背景技术
例如，燃料电池使用碳氢类发电原料(LNG, LPG等)在燃料处理装置中置换成富氢重整气后，将重整气与空气中的氧气一同供给到燃料电池堆，进而通过电化学反应生产直流电，且利用电力转换器将所述直流电转换为交流电，对电力生产过程中产生的热进行回收并存储于贮热槽的水中。
韩国专利第0661920号公开了一种可根据负载进行运转的燃料电池系统。所述燃料电池系统包括：燃料供给单元，其用于调节发电原料的供给量；空气供给单元，其用于调节空气供给量；电输出单元，其用于转换燃料电池堆所生产的电力，以供给到负载；电力测量单元，其用于同时测出由电输出单元供给到负载之后所剩的剩余电能及通过商用电源来供给的补充电能；以及控制单元，其计算由电力测量单元检测出的剩余电能与补充电能之差，以调节燃料电池堆的电力生产量。
但是，该燃料电池系统在通过燃料电池堆生产电力时，不对生产电力价格与所用发电原料价格之比即经济性进行判断。因此，作为燃料电池热电联产系统生产电力时，该燃料电池系统难以并用电力生产价格低廉的系统电源的商用电力及通过新再生能源（如风力，太阳光等）所生产的电力进行运转。因此，燃料电池系统在运转时，其经济性会受到限制。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种燃料电池热电联产系统及其控制方法。所述燃料电池热电联产系统在低价范围内优先采用适用累进费用体系的系统电源的商用电力，以消除燃料电池的生产电力与用户的负载电力之间的电力失衡，从而具有经济性。
根据本发明的一实施例的燃料电池热电联产系统，包括：燃料电池，其使用含氢的燃料气体和含氧的空气而生产直流电；电力转换器，其将所述燃料电池生产的直流电转换为交流电；电力分配器，其在系统电源的商用电力和所述燃料电池的生产电力中进行选择，并将结果作为负载电力分配到负载上；废热回收器，其回收所述燃料电池所产生的热；以及燃料电池控制器，其用于控制所述燃料电池、所述电力转换器、所述电力分配器及所述废热回收器，并且控制商用电能以使商用电力价格和生产电力价格在设定值上一致。
所述燃料电池控制器，还可以包括经济性识别器。该经济性识别器通过比较所述述商用电力价格和所述生产电力价格来识别经济性。
所述燃料电池控制器，还可以包括负载跟踪器，该负载跟踪器根据所述生产电力与负载电力的失衡差值，将电力生产方向判断为增加或减少。
所述燃料电池控制器，还可以包括：数据随机存储器（RAM）, 其用于存储所述负载跟踪器实时计算出的所述商用电能及所述商用电力价格（WP）；运转控制器，其鉴于所述负载电力的变动，与额定发电相应地分步控制电力生产步骤。
根据本发明一实施例的燃料电池热电联产系统的控制方法，包括：第一计算步骤，计算由燃料电池所生产的生产电力价格（MWP）； 第二计算步骤，计算所用系统电源商用电力的商用电力价格（WP）；经济性判断步骤，比较所述生产电力价格（MWP）和商用电力价格（WP），以判断用于识别生产电力经济性的经济性指数（EW）为正还是负；以及电力供给步骤，若所述经济性指数为正（+），则供给商用电力，若所述经济性指数为负（-），则供给生产电力。
在所述第一计算步骤中，可由发电原料（F）的使用量、原料价格(FP，价格/Nm3)及生产电能算出生产电力价格（MWP）。
所述第二计算步骤，可包括：失衡差值计算步骤，计算所述生产电力（P1）和所述负载电力（P2）的失衡差值（△P=P2-P1）；范围判断步骤，判断所述失衡差值（△P=P2-P1）是否超出预定的设定值范围；电力生产步骤，若所述失衡差值落入预定的设定值范围，则减少所述生产电力（P1）, 若超出预定的设定值范围，则增加所述生产电力（P1）；积算步骤，积算（∫△P）所供给的与失衡差值相应的商用电力的电能；以及计算步骤，通过比较所述积算的商用电能和累进费用体系，计算所述商用电力价格。
假设所述商用电力价格和所述生产电力价格在设定值上一致的商用电能称为一致商用电能Pe时，所述电力生产步骤可包括：第一电力生产步骤，若所使用的商用电能在小于Pe/3的范围内，则生产比实际负载电能少的生产电力，以使电力失衡差值为额定发电的3/10；第二电力生产步骤，若所使用的商用电能在Pe/3以上且小于2Pe/3的范围内, 则生产比实际负载电能少的生产电力，以使电力失衡差值为额定发电的2/10；第三电力生产步骤，若所使用的商用电能在2Pe/3以上 且小于Pe的范围内，则生产比实际负载电能少的生产电力，以使电力失衡差值为额定发电的1/10 ；以及第四电力生产步骤，若所使用的商用电能在Pe以上的范围，则生产消除电力失衡的生产电力。
如上所述，根据本发明的一实施例，由于具备燃料电池控制器，控制所使用的商用电能使得商用电力价格和生产电力价格在设定值上一致，因此在低价领域中优先使用采用适用累进费用体系的商用电力，因此具有提高经济性的效果。而且，根据燃料电池的生产电力与用户的负载电力之间的电力失衡差值范围，增减燃料电池的生产电力，因此在消除电力失衡的过程中也具有提高经济性的效果。
附图说明
图1是示意地表示根据本发明的一实施例的燃料电池热电联产系统的结构图。
图2是表示图1所示燃料电池热电联产系统的控制方法的流程图。
图3是将系统电源的商用电力与燃料电池的生产电力各自的电能和电力价格相比较的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明，以便所属领域的技术人员能够容易实施。但是，本发明可用各种不同的方式实现，不限于在此说明的实施例。为了明确说明本发明，在附图中省略了与说明无关的部分，对于同样或类似的结构要素，在通篇说明中采用了相同的附图标记。
图1是示意地表示根据本发明一实施例的燃料电池热电联产系统的结构图。参照图1可见，一实施例的燃料电池热电联产系统100（以下简称“系统”），包括：燃料电池10、电力转换器20、电力分配器30、废热回收器40以及燃料电池控制器50。
燃料电池例如包括：将碳氢类原料转换为富氢重整气的燃料处理装置11；利用氢和空气中的氧气来生产直流电的燃料电池堆12；生产电力所需的各种外围设备(BOP；Balance Of Plant）13；以及回收燃料处理装置11和燃料处理堆所生成的热的热交换器14。
电力转换器20将燃料电池10所生产的直流电转换为交流电。例如，电力转换器20包括：将直流电转换为直流电的DC-DC转换器21、将直流电转换为交流电的逆变器22；以及测定已被转换的交流电的第一电力表23。例如，所述第一电力表23包括电流传感器和电压传感器而构成。
第二电力表24可具有与第一电力表23相同的结构，并设置在负载线241上 以测定用户所使用的负载电力P2。该负载线用于从系统电源及电力转换器20将商用电力及生产电力P1供给到用户的负载25上。因此，燃料电池控制器50可在预定的时间以上的期间内，比较第一电力表23所测定的燃料电池的生产电力P1与第二电力表24所测定的用户的负载电力P2之间的电力失衡差值（△P=P2-P1）。
一实施例的系统100关联于燃料电池10及系统电源（例如，商用电源），并选择性地由生产电力P1和商用电力运转。即系统100在启动燃料电池10时，由系统电源的商用电力运转，且在由燃料电池10生产电力的运转过程中，由燃料电池10的生产电力P1运转。
为此，电力分配器30配置于燃料电池10与系统电源之间，使得商用电力能够供给到燃料电池10。即电力分配器30随着燃料电池10的启动或者运转，选择性地将商用电力和生产电力P1供给到系统的其它构件上。
废热回收器40例如包括：贮热槽41、水泵42、空冷式热交换器43、三通阀44、辅助燃烧器45以及温度传感器46。贮热槽41将通过连接于燃料电池10的燃料电池堆12及燃料处理装置11的热交换器14从燃料电池10回收的废热贮存于水中。当贮热槽41中充满热量时，水泵42与空冷式热交换器43通过使贮热槽41中的水循环，来除去包含在贮热槽41水中的热量。辅助燃烧器45给贮热槽41补充热量。温度传感器46测量贮热槽41的温度。贮热槽41包括：供给自来水的自来水入口411；排出温水的温水排出口412；排出及供给暖气水的暖气水排出口413；以及回收暖气水的暖气水回收口414。
燃料电池控制器50电连接于燃料电池10、电力转换器20、第二电力表24、电力分配器30、废热回收器40及它们所具备的各种构件上，从而在系统的100各种情况下，以最优化的状态使系统100运转并对其进行控制。
燃料电池控制器50通过消除燃料电池10的生产电力P1与用户的负载电力P2之间电力失衡差值(△P=P2-P1)来提高系统100的经济性。而且，考虑到系统电源的商用电力适用累进费用体系，燃料电池控制器50在低价范围中优选使得商用电力被使用。
为此，燃料电池控制器50包括: 负载跟踪器51、经济性识别器52、运转控制器53以及数据随机存储器（RAM）54。负载跟踪器51根据生产电力P1和负载电力P2的电力失衡差值（△P=P2-P1）判断电力生产方向。经济性识别器52通过比较燃料电池10的生产电力价格MWP和系统电源的商用电力价格WP来识别经济性。运转控制器53鉴于负载电力P2的变动，并相应于额定发电，分步控制燃料电池10的电力生产阶段，且根据燃料电池10的生产电能，线性控制发电原料、空气及冷却水的流量。至于对燃料电池控制器50的更为具体的作用效果，将结合控制方法进行说明。
图2是示意地表示图1所示燃料电池热电联产系统的控制方法的流程图。参照图2可见，一实施例的燃料电池热电联产系统的控制方法（下称“控制方法”），包括：第一计算步骤ST10、第二计算步骤ST20、经济性判断步骤ST30以及电力供给步骤ST40。
第一计算步骤ST10计算燃料电池10所生产的生产电力P1的价格即生产电力价格（MWP）。即在第一计算步骤ST10中，检测发电原料F的使用量、单位原料价格FP(价格/Nm3)及生产电能ST11，并由这些数据算出生产电力价格MWP（ST12）。
例如，若燃料电池10在1小时内生产P kWh的电能所使用的发电原料为F(Nm3)，单位发电原料价格为FP(韩元/Nm3)，则燃料电池10的生产电力价格MWP是F×FP/P(韩元/kWh)。
第二计算步骤ST20计算所使用的系统电源的商用电力的价格，即商用电力价格WP。即第二计算步骤ST20包括: 失衡差值计算步骤ST21，计算燃料电池10的生产电力P1和负载电力P2的电力失衡差值（△P=P2-P1）； 范围判断步骤ST22, 判断电力失衡差值△P是否超出预定的设定值范围；电力生产步骤ST23, 若电力失衡差值△P落入预定的设定值范围内，则减少生产电力P1，若电力失衡差值△P超出预定的设定值范围，则增加生产电力P1；积算步骤ST24, 积算（∫△P）所供给到的与失衡差值△P相应的商用电力的商用电能；以及计算步骤ST25, 通过比较所积算的商用电能和累进费用体系，计算商用电力价格WP。
在经济性判断步骤ST30中，通过比较生产电力价格MWP和商用电力价格WP(ST31)，从而判断用于识别生产电力经济性的经济性指数（EW=MWP-WP）为正（+）还是负（-）（ST32）。
数据随机存储器（RAM）54用于存储实时使用的系统电源的积算商用电能（∫△P）和如累进费用体系的系统电力的各累进区间的商用电力价格WP。因此，经济性识别器52由积算的商用电能（∫△P）实时计算商用电力价格WP，并与燃料电池10的生产电力价格MWP进行比较，从而判断经济性指数EW并将其传送到运转控制器53。
在电力供给步骤ST40中，当经济性指数EW为正（+）时，将商用电力供给到负载25上(ST41)，当经济性指数EW为负（-）时，将生产电力P1供给到负载25上（ST42）。即，经济性指数EW为正（+）意味着燃料电池10的生产电力价格MWP比系统电源的商用电力价格WP更贵，因此将相对低廉的商用电力供给到负载25上。而且，经济性指数EW为负（-）意味着燃料电池10的生产电力价格MWP比系统电源的商用电力价格WP更低廉，因此将相对低廉的生产电力P1供给到负载25上。因此，系统100具有经济性。
图3是比较系统电源的商用电力和燃料电池的生产电力各自的电能和电力价格的曲线图。参照图3说明一例如下：在第二计算步骤ST20中电力生产步骤ST23包括第一至第四电力生产步骤ST231、ST232、ST233、ST234。
为了便于说明，将商用电力价格WP和生产电力价格MWP在设定值上一致的商用电能称为一致商用电能Pe。例如，将为了判断电力失衡差值△P的产生与否而预先被设定的时间设为5分钟至10分钟。
在第一电力生产步骤ST231中，若所使用的商用电能在小于Pe/3的范围内，则生产比实际负载电能少的生产电力P1，以使电力失衡差值△P 为额定发电的3/10。
在第二电力生产步骤ST232中，若所使用的商用电能在Pe/3以上且小于2Pe/3的范围内, 则生产比实际负载电能少的生产电力P1，以使电力失衡差值△P为额定发电的2/10。
在第三电力生产步骤ST233中，若所使用的商用电能在2Pe/3以上且小于Pe的范围内，则生产比实际负载电能少的生产电力P1，以使电力失衡差值△P为额定发电的1/10。
在第四电力生产步骤ST234中，若所使用的商用电能在Pe以上的范围，则生产能够消除电力失衡差值△P的生产电力P1 。
即，在电力生产步骤ST23中，在控制商用电力使用量时，以向最佳步骤移动的方式进行控制，从而使其达到商用电力价格WP和燃料电池生产电力价格MWP一致的一致商用电能Pe。鉴于燃料电池10所生产的热生产价格HP，可上调生产电力价格MWP，随之系统电源的一致商用电能Pe会移动到新的一致商用电能Phe(参照图3)。由此，一实施例的系统100能够消除燃料电池10的生产电力P1和用户的负载电力P2之间的电力失衡，从而具有经济性。
再如，有鉴于用户的负载电力变动，电力生产步骤ST23可分为额定发电的9个步骤(例如额定发电为1000W时，分为100W、200W、300W、400W、500W、600W、700W、800W、900W及1000W)，并由燃料电池10生产生产电力P1。在电力生产步骤ST23中，若在预定的设定时间以上的期间内，预定的生产电能和负载电能的电力失衡差值△P为额定发电的1/10以上，则移动到下一个步骤来生产生产电力P1。此时，根据燃料电池10所生产的生产电能，发电原料、供给到燃料电池堆的空气与冷却水流量产生线性变化。
下面，以基于适用累进费用体系（例如韩国电力公司）的系统电源的商用电能和每个累进区间的商用电力价格为例进行说明。
如表1所示，当使用1Nm3的发电原料（例如城市煤气）生产4kWh的生产电力P1时，假如城市煤气价格为670元/ Nm3，在0kWh至200kWh的区间中，生产电力价格MWP=670×200/4=33500元，因此系统电源的商用电力价格（WP=55.1×100+113.8×100=16890元）远远低于生产电力价格。即在图3中，电能（kWh）在0至Pe范围内。
如上所述，一实施例的控制方法优先使用系统电源的商用电力，直到每月的商用电力价格WP和燃料电池的生产电力价格MWP一致为止，从而最大限度地减少能源费用。例如，每月可在0.5×Pe至0.9×Pe的使用量范围内使用系统电源的商用电力。
而且，一实施例的系统100及控制方法比较由发电原料价格算出的生产电力价格MWP与系统电源的商用电力价格WP及新再生能源（例如，风力、太阳光等）的生产电力价格，使得能够使用新再生能源，且在采用新再生能源时可进一步提高经济性。
以上对本发明的优选实施例进行了说明，但是本发明并不局限于此，在权利要求书和说明书以及附图的范围内能够以各种方式变形并实施，这种变形理所当然属于本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种燃料电池热电联产系统，包括：
燃料电池，其使用含氢的燃料气体和含氧的空气而生产直流电；
电力转换器，其将所述燃料电池生产的直流电转换为交流电；
电力分配器，其在系统电源的商用电力和所述燃料电池的生产电力中进行选择，并分配到系统；
废热回收器，其回收所述燃料电池所产生的热；以及
燃料电池控制器，其控制所述燃料电池、所述电力转换器、所述电力分配器及所述废热回收器，并且控制商用电能使得商用电力价格和生产电力价格在设定值上一致。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联产系统，所述燃料电池控制器还包括经济性识别器，该经济性识别器通过比较所述商用电力价格和所述生产电力价格来识别经济性。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联产系统，所述燃料电池控制器还包括负载跟踪器，该负载跟踪器根据所述生产电力与所述负载电力的失衡差值，将电力生产方向判断为增加或减少。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热电联产系统，所述燃料电池控制器还包括：
数据随机存储器，用于存储所述负载跟踪器实时计算出的所述商用电能及所述商用电力价格；
运转控制器，鉴于所述负载电力的变动，与额定发电相应地分步控制电力生产步骤。
5.一种燃料电池热电联产系统的控制方法，包括：
第一计算步骤，计算由燃料电池生产的生产电力的生产电力价格；
第二计算步骤，计算所使用的系统电源商用电力的商用电力价格；
经济性判断步骤，比较所述生产电力价格和商用电力价格，判断用于识别生产电力经济性的经济性指数为正还是负；以及
电力供给步骤，若所述经济性指数为正，则供给商用电力，若所述经济性指数为负，则供给生产电力，
所述第二计算步骤包括：
失衡差值计算步骤，计算所述生产电力与所述负载电力的失衡差值；
范围判断步骤，判断所述失衡差值是否超出预定的设定值范围；
电力生产步骤，若所述失衡差值落入预定的设定值范围，则减少所述生产电力, 若超出预定的设定值范围，则增加所述生产电力；
积算步骤，积算所供给的与所述失衡差值相应的商用电力的商用电能；以及
计算步骤，通过比较所述积算的所述商用电能和累进费用体系，计算出所述商用电力价格。
6.根据权利要求5所述的燃料电池热电联产系统的控制方法，
在所述第一计算步骤中，由发电原料的使用量、原料价格及生产电能算出生产电力价格。
7.根据权利要求5所述的燃料电池热电联产系统的控制方法，
假设所述商用电力价格和所述生产电力价格在设定值上一致的商用电能称为一致商用电能Pe时，
所述电力生产步骤，包括：
第一电力生产步骤，若所使用的商用电能在小于Pe/3的范围内，则生产比实际负载电能少的生产电力，以使电力失衡差值为额定发电的3/10；
第二电力生产步骤，若所使用的商用电能在Pe/3以上且小于2Pe/3的范围内, 则生产比实际负载电能少的生产电力，以使电力失衡差值为额定发电的2/10；
第三电力生产步骤，若所使用的商用电能在2Pe/3以上且小于Pe的范围内，则生产比实际负载电能少的生产电力，以使电力失衡差值为额定发电的1/10；及
第四电力生产步骤，若所使用的商用电能在Pe以上的范围，则生产消除电力失衡的生产电力。
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