CN110896228A

CN110896228A - 一种sofc发电***

Info

Publication number: CN110896228A
Application number: CN201811062739.XA
Authority: CN
Inventors: 杨文强; 牟树君; 黄斌; 曹晋; 张亚宁
Original assignee: China Energy Investment Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Current assignee: China Energy Investment Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-20

Abstract

本发明提供一种SOFC发电***，涉及电工技术领域，用于解决在SOFC发电***实现并网发电时，由于SOFC发电***中用于实现SOFC发电单元并网发电的PCS单元无法匹配不同功率等级的SOFC发电单元并网发电的技术问题。本发明的SOFC发电***包括多个SOFC发电装置，每个SOFC发电装置包括SOFC发电单元及PCS单元，PCS单元包括逆变器以及m个直流电压转换器，m个直流电压转换器以并联的方式通过直流母线耦合至逆变器；逆变器与电网的交流母线耦合；SOFC发电单元与n个直流电压转换器相耦合以使PCS单元能够与不同功率等级的SOFC发电单元进行匹配，m≥1，0≤n≤m，n根据SOFC发电单元的输出功率确定。本发明用于提供一种基于通用型PCS适用于不同类型的SOFC并网发电需求的SOFC发电***。

Description

一种SOFC发电***

技术领域

本发明涉及电工技术领域，具体涉及一种SOFC发电***。

背景技术

氧化物燃料电池SOFC是一种采用电化学发电的发电装置，具有较高发电效率，同时由于发电产物大都为水和二氧化碳，因此对环境产生的污染少，在清洁能源方面具有很大发展前景。

目前，SOFC由于电堆技术不是十分成熟而出现发电不稳定且易损坏的情况，因此在实现SOFC发电***并网发电时，通常在SOFC发电***中设置多个SOFC发电单元，并为每个SOFC发电单元匹配一个PCS单元，SOFC发电单元通过接入PCS单元实现并网发电。当其中一个SOFC发电单元出现故障时，通过切除出现故障的SOFC发电单元，并在与该SOFC发电单元匹配的PCS单元上重新接入新的SOFC发电单元以对出现故障的SOFC发电单元进行更换，有效提高SOFC发电***供电的可靠性，维护SOFC发电***的正常运行。

但是，由于只有功率等级相同的SOFC发电单元和PCS单元能够实现匹配，而实际情况中每个SOFC发电单元与每个PCS单元的功率等级固定且唯一，这便使得在上述更换过程中，在PCS单元仅能接入与其功率等级相同的SOFC发电单元，由此可见SOFC发电单元与PCS单元在匹配时不具灵活性上，导致SOFC发电***在实现并网发电时不便维护。例如，若无法获取在功率等级上与PCS单元相同的SOFC发电单元，则其它功率等级的SOFC发电单元便无法接入上述PCS单元以实现并网发电等；同时，若为了新的SOFC发电单元并网发电选择更换PCS单元无疑会增加维护SOFC发电***的成本，尤其当SOFC发电***中存在多个出现故障的SOFC发电单元需要进行更换时，上述问题更为明显。

发明内容

本发明的实施例提供一种SOFC发电***，用于解决现有技术中在SOFC发电***实现并网发电时，由于SOFC发电***中用于实现SOFC发电单元并网发电的PCS单元无法匹配不同功率等级的SOFC发电单元并网发电的技术问题，同时缓解SOFC发电***不便维护且耗费较高维护成本的问题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

本发明提供一种SOFC发电***，多个SOFC发电装置，SOFC发电装置包括：SOFC发电单元以及PCS单元；其中，

PCS单元包括逆变器以及m个直流电压转换器，其中m≥1，且m为整数；

SOFC发电单元与n个直流电压转换器相耦合，其中0≤n≤m，且n为整数；n根据SOFC发电单元的输出功率确定；

m个直流电压转换器以并联的方式通过直流母线耦合至逆变器；逆变器与电网的交流母线耦合；

SOFC发电单元用于产生直流电；

直流电压转换器用于对直流电进行电压转换并输出至逆变器；

逆变器用于将电压转换后的直流电转换为交流电并输出至交流母线。

在本发明提供的SOFC发电***中，PCS单元设置有m个直流电压转换器，不同功率等级的SOFC发电单元通过与m个直流电压转换器中的n个直流电压转换器相耦合来接入PCS单元实现并网发电，并且n根据SOFC发电单元的输出功率确定。由此可见，在本发明提供的SOFC发电***中，用于实现SOFC发电单元并网发电的PCS单元的功率等级可以根据PCS单元中与SOFC发电单元相耦合直流电压转换器的数量而灵活改变。在对出现故障的SOFC发电单元进行更换时，由于每个PCS单元的功率等级不再是固定且唯一的，则可以灵活选择不同功率等级的SOFC发电单元接入PCS单元实现并网发电，则SOFC发电单元的并网发电不再受到PCS单元功率等级的限制，同时也无需对PCS单元进行更换，使SOFC发电***在维护上具有较高灵活性以及较低的维护成本。

可选地，SOFC发电单元包括：多个SOFC发电模块；

SOFC发电模块与k个直流电压转换器相耦合，其中0≤k≤m，且k为整数；

SOFC发电单元通过多个SOFC发电模块产生直流电。

可选地，直流电压转换器包括：Boost变换器以及移相全桥；

Boost变换器用于对发电模块产生的直流电进行一级电压转换；

移相全桥用于对进行一级电压转换后的直流电进行二级电压转换。

可选地，发电模块的输出功率与发电模块耦合的k个直流电压转换器的输出功率之和相等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明实施例提供的一种SOFC发电***的架构图；

图2a为本发明实施例提供的一种SOFC发电***中SOFC发电装置的架构图；

图2b为本发明实施例提供的另一种SOFC发电***中SOFC发电装置的架构图；

图3为本发明实施例提供的一种电压转换器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。术语“第一”和“第二”等的使用不表示任何顺序，可将上述术语解释为所描述对象的名称。在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明提出了一种SOFC发电***，用于解决现有技术中在SOFC发电***实现并网发电时，由于SOFC发电***中用于实现SOFC发电单元并网发电的PCS单元无法匹配不同功率等级的SOFC发电单元并网发电的技术问题。

如图1所示，本发明提供的SOFC发电***包括多个SOFC发电装置，每个SOFC发电装置包括SOFC发电单元110以及储能双向逆变器PCS单元120。SOFC发电单元110通过接入PCS单元120实现并网发电。

具体地，多个SOFC发电装置在物理结构上相互独立，通过接入电网的交流母线与电网接通以实现并网。即：多个SOFC发电装置在电网的交流母线一侧并联。每个SOFC发电装置中，SOFC发电单元110与PCS单元120耦合，SOFC发电单元110用于产生直流电，PCS单元120用于将SOFC发电单元110产生的直流电的电压转换至预设电压，并将转换至预设电压的直流电转换为交流电输出至交流母线以实现并网。上述预设电压可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置，本发明对此不作限定。上述耦合的方式可以为电连接。

其中，由于SOFC发电单元由多个SOFC发电堆通过不同的连接方式(例如不同的串联连接和/或并联连接的连接组合)组合构成，并且SOFC发电堆的规格多种多样，因此在输出功率以及输出电压等电气参数上SOFC发电单元具有较宽的变化范围。其中，在输出功率上，可以对应具有多种不同功率等级的SOFC发电单元。因此，在实现并网发电时，为了满足不同功率等级的SOFC发电单元的并网发电的需求以使SOFC发电***便于维护，本发明采用图2a所示方式设置SOFC发电装置中SOFC发电单元110以及PCS单元120。

具体地，参见图2a，PCS单元120包括：逆变器(DC/AC)121以及m个直流电压转换器(DC/DC)122，其中m≥1，且m为整数，m个直流电压转换器122形成m个直流电压转换器支路。m个直流电压转换器122以并联的方式通过PCS单元120的直流母线耦合至逆变器121；逆变器121与电网的交流母线耦合。

具体地，SOFC发电单元110与n个直流电压转换器122相耦合，其中0≤n≤m，且n为整数。n根据SOFC发电单元的输出功率确定。在输出功率上，SOFC发电单元110的输出功率与SOFC发电单元110耦合的n个直流电压转换器的输出功率之和相等。因此当具有多个功率等级的SOFC发电单元110时，需要确定SOFC发电单元110所要接入的n个直流电压转换器的输出功率之和与SOFC发电单元110的输出功率(即功率等级)相等，以实现PCS单元与不同功率等级的SOFC发电单元之间的匹配。

举例说明，若PCS单元中每个直流电压转换器的输出功率为5kw，若SOFC发电单元110的功率等级为15kw，则将SOFC发电单元110接入3(5kw+5kw+5kw＝15kw)个直流电压转换器，即可实现PCS单元与输出功率15kw的SOFC发电单元之间的匹配，满足SOFC发电***中功率等级为15kw的SOFC发电单元并网发电需求；类似地，若SOFC发电单元的功率等级为10kw，则将SOFC发电单元接入2(5kw+5kw＝10kw)个直流电压转换器，即可实现PCS单元与输出功率10kw的SOFC发电单元之间的匹配，满足SOFC发电***中功率等级为10kw的SOFC发电单元110并网发电需求，等等。

其中，SOFC发电单元110接入n个直流电压转换器之后，每个直流电压转换器上的输出功率相同。例如，当直流电压转换器01的工作功率为5kw时，直流电压转换器01-n的中每个流电压转换器的输出功率为5kw。上述n个直流电压转换器122对SOFC发电模块产生的直流电的电压转换为预设电压，然后将转换为预设电压的直流电输出至逆变器121，以供逆变器121将上述直流电转换为交流电并输出至交流母线。其中，在输出功率上，m个直流电压转换器与逆变器121的关系为：m个直流电压转换器的输出功率之和与逆变器121的输出功率相等。

由此可见，在本发明提供的SOFC发电***中，PCS单元设置有m个直流电压转换器，不同功率等级的SOFC发电单元通过与m个直流电压转换器中的n个直流电压转换器相耦合来接入PCS单元实现并网发电。并且n根据SOFC发电单元的输出功率确定。由此可见，在本发明提供的SOFC发电***中，用于实现SOFC发电单元并网发电的PCS单元的功率等级可以根据PCS单元中与SOFC发电单元相耦合直流电压转换器的数量而灵活改变。在对出现故障的SOFC发电单元进行更换时，由于每个PCS单元的功率等级不再是固定且唯一的，则可以灵活选择不同功率等级的SOFC发电单元接入PCS单元实现并网发电，则SOFC发电单元的并网发电不再受到PCS单元功率等级的限制，同时也无需对PCS单元进行更换，使SOFC发电***在维护上具有较高灵活性以及较低的维护成本。

为了进一步提高SOFC发电单元的可靠性，SOFC发电单元还可以采用如图2b所示方式进行设置。具体地，在图2b中，SOFC发电单元210包括：多个SOFC发电模块211。其中，每个SOFC发电模块211与k个直流电压转换器相耦合；0≤k≤m，且k为整数。

其中，每个SOFC发电模块211进一步包括多个SOFC发电堆。SOFC发电模块211中SOFC发电堆的设置方式与上述SOFC发电单元110中SOFC发电堆设置方式相同，具体可以参见上述针对SOFC发电单元110中SOFC发电堆设置方式的介绍。则对应地，在输出功率上，可以对应具有多种功率等级的SOFC发电模块211。例如可以具有5kw、10kw、15kw等多种功率等级的SOFC发电模块。

具体地，SOFC发电模块211与k个直流电压转换器122相耦合，其中0≤k≤m，且k为整数。在输出功率上，SOFC发电模块211的输出功率与SOFC发电模块耦合的k个直流电压转换器的输出功率之和相等。因此当具有多个功率等级的SOFC发电模块211时，需要确定SOFC发电模块211所要接入的k个直流电压转换器的输出功率之和与SOFC发电模块211的输出功率(功率等级)相等，以实现PCS单元与不同功率等级的SOFC发电模块211之间的匹配。

具体地，在SOFC发电单元210中，每个SOFC发电模块独立设置，当多个SOFC发电模块中的其中一个SOFC发电模块211出现故障时，仅需要切除与出现故障的SOFC发电模块耦合的直流电压转换器支路即可，从而有效提高SOFC发电单元的可靠性。

在此基础上，为了满足不同电压等级的SOFC发电单元或者SOFC发电模块的并网需求，使PCS单元120能够与不同电压等级的SOFC发电单元或者SOFC发电模块进行匹配，本发明优选采用如图3所示方式设置直流电压转换器，以进一步解决在SOFC发电***实现并网发电时，由于SOFC发电***中用于实现SOFC发电单元并网发电的PCS单元无法匹配不同电压等级的SOFC发电单元的问题。

具体地，参见图3，直流电压转换器(DC/DC)310包括：Boost变换器311以及移相全桥312。其中，Boost变换器311与SOFC发电单元或者SOFC发电模块耦合，Boost变换器311用于对SOFC发电单元或者SOFC发电模块产生的直流电进行一级电压转换，移相全桥312与Boost变换器311以及逆变器(DC/AC)耦合，移相全桥312用于对进行一级电压转换后的直流电进行二级电压转换。

具体地，预先设定直流电压转换器310向逆变器输出直流电的预设电压，例如通过向SOFC发电***发送相应的功率指令设定预设电压等等；直流电压转换器310可以将上述输出电压进行一级电压转换后直接转换至预设电压并输出(例如当输出电压升至预设电压所需的升压倍数小于一级电压转换的升压倍数)；直流电压转换器310可以将对上述输出电压进行一级电压转换以及二级电压转换共两级电压转换(例如当输出电压升至预设电压所需的升压倍数大于一级电压转换的升压倍数)，以将输出电压转换至预设电压并输出。相较传统方式中仅采用一级电压转换的直流电压转换器，本发明提供的直流电压转换器310可以满足不同电压等级的SOFC发电模块的并网需求，同时还能够实现高增益的电压转换。

最后，需要说明的是，本发明提供的SOFC发电***包括但不限于应用在SOFC发电中，具体实施中，还可以应用在熔融碳酸盐燃料电池MCFC等其它具有相似特性的燃料电池中。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims

1.一种SOFC发电***，其特征在于，包括：多个SOFC发电装置，所述SOFC发电装置包括：SOFC发电单元以及PCS单元；其中，

所述PCS单元包括逆变器以及m个直流电压转换器，其中m≥1，且m为整数；

所述SOFC发电单元与n个直流电压转换器相耦合，其中0≤n≤m，且n为整数；所述n根据所述SOFC发电单元的输出功率确定；

所述m个直流电压转换器以并联的方式通过直流母线耦合至所述逆变器；所述逆变器与电网的交流母线耦合；

所述SOFC发电单元用于产生直流电；

所述直流电压转换器用于对所述直流电进行电压转换并输出至所述逆变器；

所述逆变器用于将电压转换后的直流电转换为交流电并输出至所述交流母线。

2.根据权利要求1所述的SOFC发电***，其特征在于，所述SOFC发电单元包括：多个SOFC发电模块；

所述SOFC发电模块与k个直流电压转换器相耦合，其中0≤k≤m，且k为整数；

所述SOFC发电单元通过所述多个SOFC发电模块产生直流电。

3.根据权利要求1所述的SOFC发电***，其特征在于，所述直流电压转换器包括：Boost变换器以及移相全桥；

所述Boost变换器用于对所述发电模块产生的直流电进行一级电压转换；

所述移相全桥用于对进行一级电压转换后的直流电进行二级电压转换。

4.根据权利要求2所述的SOFC发电***，其特征在于，所述发电模块的输出功率与所述发电模块耦合的k个直流电压转换器的输出功率之和相等。