一种分布式发电系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种分布式发电系统及其控制方法，发电系统包括主控模块，甲醇制氢模块，质子交换膜燃料电池模块，系统电源模块和人机交互模块；还包括能量缓存模块和用于提供备用氢气的氢气安全模块；所述甲醇制氢模块、质子交换膜燃料电池模块、系统电源模块、人机交互模块、能量缓存模块和氢气安全模块均与所述主控模块控制相连；还包括用于连接负载的负载总线，所述负载总线与所述质子交换膜燃料电池模块的直流变换组件和所述能量缓存模块的电能管理组件星形连接；所述负载总线上设置有电压传感器和电流传感器，并与所述主控模块相连。本发明专利技术系统具有结构设计合理，安全性能较好，本发明专利技术方法具有功率波动小，有利于提高发电效率等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式发电系统及其控制方法
本专利技术涉及分布式发电
，特别的涉及一种采用质子交换膜燃料电池和甲醇制氢的分布式发电系统及其控制方法。
技术介绍
现代电力系统在地震、水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前表现得十分脆弱，电网上任何一点故障所产生的扰动都会以光速波及，严重的可能会引发大面积停电，甚至全网崩溃。面对这种大电网停电可能导致的灾难性后果，推动“大电网+分布式发电”的供电模式，可在电网崩溃和意外灾害情况下，维持重要用户的供电，避免灾难性的后果发生，极大的提高供电可靠性。因此分布式发电特别适用于军用特殊电源、供电网难以达到的边远分散用户和重要区域的备用电源。质子交换膜燃料电池发电技术具有污染小，能量转化效率高，噪声低，燃料来源广泛、易于建设、维修方便等优点。质子交换膜燃料电池可以选择氢气和液态甲醇等燃料，被认为是电动汽车、分布式电站的核心技术。然而质子交换膜燃料电池的寿命受功率波动的影响大，发电效率低，且目前高压气态纯氢属于易燃易爆物品，受国家法规严格管制。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种结构设计合理，安全性能较好，功率波动小，有利于提高发电效率的分布式发电系统及其控制方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种分布式发电系统，包括主控模块，用于处理甲醇水溶液并提取氢气的甲醇制氢模块，用于控制氢和氧发生电化学反应并产生电能的质子交换膜燃料电池模块，用于系统供电控制的系统电源模块和用于人机交互操控的人机交互模块；其特征在于，还包括用于储存电能的能量缓存模块和用于提供备用氢气的氢气安全模块；所述甲醇制氢模块、质子交换膜燃料电池模块、系统电源模块、人机交互模块、能量缓存模块和氢气安全模块均与所述主控模块控制相连；还包括用于连接负载的负载总线，所述负载总线与所述质子交换膜燃料电池模块的直流变换组件和所述能量缓存模块的电能管理组件星形连接；所述负载总线上设置有电压传感器和电流传感器，并与所述主控模块相连。进一步的，所述甲醇制氢模块包括用于储存甲醇水溶液的甲醇燃料箱、用于输送甲醇水溶液的燃料泵、用于氢气制取和提纯的反应器和提纯器；用于给所述反应器和提纯器加热的加热器；用于暂存提取氢气的缓冲罐；所述缓冲罐内设置有用于检测氢气压力的压力传感器，所述甲醇燃料箱内设置有液位传感器。一种分布式发电控制方法，其特征在于，获取如上所述的分布式发电系统，运行时，通过所述负载总线的电压传感器和电流传感器检测负载的用电功率数据并反馈至所述主控模块，所述主控模块根据接收到的用电功率数据计算需求功率和对应的氢气需求量对各模块进行控制，包括控制所述甲醇制氢模块的制氢速率，通过所述质子交换膜燃料电池模块的直流变换组件调节输出功率，通过所述能量缓存模块吸收或释放电能以保证所述质子交换膜燃料电池模块的功率稳定输出，通过所述氢气安全模块给所述甲醇制氢模块提供备用氢气以保证氢气供给速度的稳定。进一步的，所述甲醇制氢模块包括用于控制所述甲醇制氢模块启停的甲醇制氢控制组件，用于储存甲醇水溶液的甲醇燃料箱、用于输送甲醇水溶液的燃料泵、用于氢气制取和提纯的反应器和提纯器；用于给所述反应器和提纯器加热的加热器；用于暂存提取氢气的缓冲罐；所述缓冲罐内设置有用于检测氢气压力的压力传感器，所述甲醇燃料箱内设置有液位传感器；运行时，所述主控模块对所述甲醇制氢模块和所述氢气安全模块的控制包括如下步骤：启动前，先检测所述缓冲罐内的压力和所述甲醇燃料箱内的液位高度，若所述甲醇燃料箱内的液位高度小于最低液位设定高度，所述甲醇制氢控制组件控制所述甲醇制氢模块保持停机状态，并通过所述主控模块向所述人机交换模块发送提示信息，用于提醒加注甲醇水溶液；若所述缓冲罐内的压力小于最小设定启动压力，则控制所述氢气安全模块向所述缓冲罐内充入氢气，以维持所述甲醇制氢模块的内部处于氢气环境；若甲醇燃料箱内的液位高度大于最低液位设定高度，且所述缓冲罐内的压力大于最小设定启动压力，所述甲醇制氢控制组件控制所述甲醇制氢模块进入启动状态，开始制取氢气；启动后，检测反应器和提纯器的温度，若反应器和提纯器的温度均小于最小设定工作温度，控制所述系统电源模块为加热器供电，对所述反应器和提纯器进行加热，直到反应器和提纯器的温度均大于最小设定工作温度，并停止所述氢气安全模块向所述缓冲罐内充入氢气；若反应器和提纯器的温度均大于最大设定工作温度，控制所述系统电源模块切断对加热器的供电，停止加热。启动后，所述甲醇制氢控制组件根据氢气需求量设定燃料泵初始转速，抽取甲醇水溶液注入反应器制取氢气；实时检测所述缓冲罐内的压力，若该压力大于最小设定启动压力，且小于最小设定工作压力，则增加所述燃料泵的转速，增大制氢速率；若该压力大于最大设定工作压力，则降低所述燃料泵的转速，减小制氢速率。所述氢气需求量采用如下公式获取：Qac＝Qth×ξQth＝(PFC÷ηFC)×282(L/h)式中，PFC为质子交换膜燃料电池输出功率，ηFC为发电效率，ξ为修正系数。进一步的，所述燃料泵采用PWM方式进行控制，其初始转速采用如下步骤进行确定：S1、先获取燃料泵在不同占空比控制下的泵送相同甲醇水溶液的流量值，并制作插值表；S2、依据氢气需求量Qac计算甲醇重整反应中的甲醇水溶液流量：式中，ρ为甲醇水溶液密度(g/L)，δ为甲醇质量分数(％)；S3、将计算得到的甲醇水溶液流量代入插值表中，计算出燃料泵PWM的占空比，作为控制燃料泵初始转速的控制占空比。启动后，所述压力传感器间隔时间t1对缓冲罐内的氢气压力进行检测，控制所述燃料泵的占空比的增量采用如下公式进行计算：Δu＝kp*Δp+ki*p(k)Δp＝p(k)-p(k-1)其中，kp与ki为修正系数，Δp为气压增量，p(k)和p(k-1)分别为第k次压力测量值和第k-1次压力测量值。作为优化，所述质子交换膜燃料电池模块还包括燃料电池控制组件，运行时，所述主控模块对所述质子交换膜燃料电池模块的控制包括如下步骤：当质子交换膜燃料电池模块启动时，通过直流变换器限制质子交换膜燃料电池模块的输出功率，并按照需求功率的N％呈阶跃式增加进行逐步加载，加载间隔时间为t2，直至输出功率等于需求功率；当质子交换膜燃料电池模块停止运行时，通过直流变换器限制质子交换膜燃料电池模块的输出功率，并按照需求功率的N％呈阶跃式减小进行逐步卸载，卸载间隔时间为t3，直到完全停止运行。所述质子交换膜燃料电池模块运行时，所述直流转换组件通过限电流方式改变质子交换膜燃料电池堆的输出功率，其输出功率采用如下方式进行判定：若ψ1＜ψ＜1，其输出功率＝负载功率-能量缓存模块的功率，其中ψ为能量缓存模块的SOC；若ψ2＜ψ＜ψ1，其输出功率在最小功率到额定功率之间；若ψ3＜ψ＜ψ2，其输出功率在额定功率和最大功率之间；若ψ4＜ψ＜ψ3，燃料电池堆的输出功率保持最大功率；...

【技术保护点】
1.一种分布式发电系统，包括主控模块，用于处理甲醇水溶液并提取氢气的甲醇制氢模块，用于控制氢和氧发生电化学反应并产生电能的质子交换膜燃料电池模块，用于系统供电控制的系统电源模块和用于人机交互操控的人机交互模块；其特征在于，还包括用于储存电能的能量缓存模块和用于提供备用氢气的氢气安全模块；所述甲醇制氢模块、质子交换膜燃料电池模块、系统电源模块、人机交互模块、能量缓存模块和氢气安全模块均与所述主控模块控制相连；还包括用于连接负载的负载总线，所述负载总线与所述质子交换膜燃料电池模块的直流变换组件和所述能量缓存模块的电能管理组件星形连接；所述负载总线上设置有电压传感器和电流传感器，并与所述主控模块相连。/n

【技术特征摘要】
1.一种分布式发电系统，包括主控模块，用于处理甲醇水溶液并提取氢气的甲醇制氢模块，用于控制氢和氧发生电化学反应并产生电能的质子交换膜燃料电池模块，用于系统供电控制的系统电源模块和用于人机交互操控的人机交互模块；其特征在于，还包括用于储存电能的能量缓存模块和用于提供备用氢气的氢气安全模块；所述甲醇制氢模块、质子交换膜燃料电池模块、系统电源模块、人机交互模块、能量缓存模块和氢气安全模块均与所述主控模块控制相连；还包括用于连接负载的负载总线，所述负载总线与所述质子交换膜燃料电池模块的直流变换组件和所述能量缓存模块的电能管理组件星形连接；所述负载总线上设置有电压传感器和电流传感器，并与所述主控模块相连。


2.如权利要求1所述的分布式发电系统，其特征在于，所述甲醇制氢模块包括用于储存甲醇水溶液的甲醇燃料箱、用于输送甲醇水溶液的燃料泵、用于氢气制取和提纯的反应器和提纯器；用于给所述反应器和提纯器加热的加热器；用于暂存提取氢气的缓冲罐；所述缓冲罐内设置有用于检测氢气压力的压力传感器，所述甲醇燃料箱内设置有液位传感器。


3.一种分布式发电控制方法，其特征在于，获取如权利要求1所述的分布式发电系统，运行时，通过所述负载总线的电压传感器和电流传感器检测负载的用电功率数据并反馈至所述主控模块，所述主控模块根据接收到的用电功率数据计算需求功率和对应的氢气需求量对各模块进行控制，包括控制所述甲醇制氢模块的制氢速率，通过所述质子交换膜燃料电池模块的直流变换组件调节输出功率，通过所述能量缓存模块吸收或释放电能以保证所述质子交换膜燃料电池模块的功率稳定输出，通过所述氢气安全模块给所述甲醇制氢模块提供备用氢气以保证氢气供给速度的稳定。


4.如权利要求3所述的分布式发电控制方法，其特征在于，所述甲醇制氢模块包括用于控制所述甲醇制氢模块启停的甲醇制氢控制组件，用于储存甲醇水溶液的甲醇燃料箱、用于输送甲醇水溶液的燃料泵、用于氢气制取和提纯的反应器和提纯器；用于给所述反应器和提纯器加热的加热器；用于暂存提取氢气的缓冲罐；所述缓冲罐内设置有用于检测氢气压力的压力传感器，所述甲醇燃料箱内设置有液位传感器；
运行时，所述主控模块对所述甲醇制氢模块和所述氢气安全模块的控制包括如下步骤：
启动前，先检测所述缓冲罐内的压力和所述甲醇燃料箱内的液位高度，若所述甲醇燃料箱内的液位高度小于最低液位设定高度，所述甲醇制氢控制组件控制所述甲醇制氢模块保持停机状态，并通过所述主控模块向所述人机交换模块发送提示信息，用于提醒加注甲醇水溶液；若所述缓冲罐内的压力小于最小设定启动压力，则控制所述氢气安全模块向所述缓冲罐内充入氢气，以维持所述甲醇制氢模块的内部处于氢气环境；若甲醇燃料箱内的液位高度大于最低液位设定高度，且所述缓冲罐内的压力大于最小设定启动压力，所述甲醇制氢控制组件控制所述甲醇制氢模块进入启动状态，开始制取氢气；
启动后，检测反应器和提纯器的温度，若反应器和提纯器的温度均小于最小设定工作温度，控制所述系统电源模块为加热器供电，对所述反应器和提纯器进行加热，直到反应器和提纯器的温度均大于最小设定工作温度，并停止所述氢气安全模块向所述缓冲罐内充入氢气；若反应器和提纯器的温度均大于最大设定工作温度，控制所述系...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋洋，李进，袁洪根，陈杰，聂海云，
申请(专利权)人：重庆宗申氢能源动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50