本发明提供了一种能够保持工作点的分布式发电系统及其控制方法。该分布式发电系统包括：通过氢和氧的电化学反应产生电流和高温气体的燃料电池；利用由燃料电池产生的热而获得旋转功率的涡轮机；利用涡轮机的旋转功率向燃料电池提供空气的压缩机；在启动模式中用作使用由电池提供的电流的电动机、在发电模式中用作由涡轮机的旋转功率而旋转并产生电流的发电机的电动机/发电机单元；以及为三相电力系统提供由燃料电池产生的DC功率和由电动机/发电机单元产生的AC功率的逆变器单元。所述控制分布式发电系统的方法包括：检测电动机/发电机单元的转轴转速；将检测的转速与预定的参考速度进行比较；以及向电动机/发电机单元提供电流，从而沿转轴旋转的相反方向或相同方向产生负载。
1.一种控制分布式发电系统的方法，该方法包括：a)检测电动机/发电机单元的转轴转速；
c)通过控制提供给电动机/发电机的电流量而改变所述转速以匹配参考速度；
d)通过平滑电路将由电动机/发电机单元产生的AC电力转换成DC电力；
e)将转换后的DC电力以及由燃料电池提供的DC电力提供给主逆变器；
f)将提供给主逆变器的DC电力与预定参考电力进行比较；
g)更改由燃料电池产生的DC电力并改变提供给主逆变器的DC电力，以匹配预定的参考电力；以及h)主逆变器将转换后的DC电力与由燃料电池产生的DC电力相加，将相加后的电力转换成AC电力，并向三相电力系统释放转换后的AC电力。
2.如权利要求1的方法，其中所述电动机/发电机单元根据由电池提供的电流而产生沿转轴旋转的相反方向的负载。
3.如权利要求1的方法，其中当检测的转速高于参考速度时，通过向电动机/发电单元提供电流以产生沿转轴旋转的相反方向的负载，将该转速改变至参考速度。
4.如权利要求2的方法，其中当检测的转速低于参考速度时，通过减小电池提供的电流以降低沿转轴旋转的相反方向的负载，将该转速改变至参考速度。
与燃料电池和电动机/发电机电及机械连通的逆变器单元，其中所述逆变器单元包括整流电路、平滑电路、DC/DC转换器、以及主逆变器，并且其中所述DC/DC转换器被连接到可充电的电池，该可充电的电池由来自DC/DC转换器的电流充电，并且向电动机/发电机单元提供电流；
检测电动机/发电机单元的转轴转速的传感器，将由传感器检测的转速与预定的参考速度进行比较，向电动机/发电机单元提供由所述可充电的电池产生的电流，并且利用负载和旋转功率之一改变转速至参考速度，从而保持所述电动机/发电机单元的转轴的所需转速。
6.如权利要求5的分布式发电系统，其中所述燃料电池通过氢和氧的电化学反应产生电流和高温气体。
7.如权利要求5的分布式发电系统，其中所述涡轮机利用由所述燃料电池产生的热而旋转。
8.如权利要求5的分布式发电系统，其中所述压缩机利用涡轮机的旋转向所述燃料电池供给空气。
9.如权利要求5的分布式发电系统，其中所述电动机/发电机单元在启动模式中用作使用由所述可充电的电池提供的电流的电动机。
10.如权利要求5的分布式发电系统，其中用作发电机的所述电动机/发电机单元通过涡轮机的旋转而旋转，并在发电模式中产生电流。
11.如权利要求5的分布式发电系统，其中所述逆变器单元将由电动机/发电机单元产生的AC电力转换成DC电力，将转换后的电动机/发电机单元产生的电力与由燃料电池产生的DC电力相加，将相加后的电力转换成AC电力，并向三相电力系统释放转换后的AC电力。
12.如权利要求5的分布式发电系统，还包括用于对向燃料电池提供的空气进行预热的换热器。
使用燃料电池的分布式 发电系统及其控制方法
[0001] 相关专利申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2004年10月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请10-2004-0078261的优先权，其全部公开内容以引用方式结合在本文中。
技术领域
[0003] 本申请属于使用燃料电池的分布式发电系统及其控制方法，更具体地，涉及使用与发电运行相关地保持旋转轴的所需转速的燃料电池的分布式发电系统及其控制方法。
背景技术
[0004] 使用燃料电池的传统分布式发电系统通过燃料电池的化学反应以及通过对由内含的发电机产生的三相电整流而产生DC电力。传统的分布式发电系统使用逆变器将由两种电源产生的DC电力转换成频率50赫兹到60赫兹的AC电力，并且提供用于三相电力系统的AC电力。
[0005] 作为燃料电池的化学反应的副产品，产生了高温气体。传统的分布式发电系统使用高温气体提供将空气供给至燃料电池所需的电力，并为发电机提供旋转功率。即，在操作压缩机和发电机时，传统的分布式发电系统为与压缩机和发电机的旋转轴相连的涡轮机提供由燃料电池产生的高温气体，从而提高能量效率。
[0006] 在使用燃料电池的传统分布式发电系统中，发电机的转速决定于提供给涡轮机的气体体积。并且，发电机的功率效率随着由燃料电池产生并提供给涡轮机的高温气体的体积而变化。使用燃料电池和高速旋转的发电机的传统分布式发电系统的工作点改变。当旋转涡轮机的高温气体的体积改变时，不可能在保持燃料电池的功率效率的同时操作分布式发电系统。并且，由于高速旋转的发电机的功率效率改变，难以保持分布式发电系统的最优效率。
[0007] 从其开始工作直至达到预定的工作点时，或者当其从具有所需速度的预定工作点移动到具有不同速度的另一工作点时，包含高速旋转的叶轮的压缩机经历多种振动模式。使用高速旋转的发电机的分布式发电系统的可变工作使得它不能避免当分布式发电系统的工作点改变时的振动。因而，非常需要能够保持所需速度的分布式发电系统及其控制方法。
发明内容
[0008] 本发明提供了一种能够保持工作点的分布式发电系统及其控制方法。
[0009] 本发明也提供了一种能够保持发电机的所需旋转速度的分布式发电系统及其控制方法，以保持分布式发电系统的工作点。
[0010] 根据本发明的一方面，提供一种分布式发电系统，由燃料电池、发电单元和逆变器单元组成，其中所述发电单元包括电动机/发电机单元，在启动模式中用作使用来自电池的电流的电动机，在发电模式中，用作通过由涡轮机的旋转功率而旋转的发电机并产生AC电力。逆变器单元包括整流电路和主逆变器。
[0011] 本发明也涉及控制分布式发电系统的方法，该方法包括：a)检测电动机/发电机单元的转轴的转速；b)将检测的转速与预定的参考速度进行比较；c)通过控制提供给电动机/发电机的电流量而改变所述转速至参考速度；d)将由电动机/发电机单元产生的AC电力通过平滑电路转换成DC电力，并将转换后的DC电力以及由燃料电池提供的DC电力提供给主逆变器；e)将提供给主逆变器的DC电力与参考电力进行比较；f)如果必要，增加/减少由燃料电池产生的DC电力，并改变提供给主逆变器的DC电力至参考电力；以及g)将主逆变器的DC电力提供给三相电力系统。
[0012] 当检测的转速高于参考速度时，通过提供电流至电动机/发电机单元以产生沿转轴旋转相反方向的负载，从而改变转速至参考速度。当检测的转速低于参考速度时，提供电流至电动机/发电机单元，按转轴旋转的相同方向旋转。
[0013] 在一个实施方式中，电动机/发电机单元可以按照由电池提供的电流而产生沿转轴旋转的相反方向的负载。
[0014] 在另一个实施方式中，逆变器单元还可以包括含有预定数目的电容器的平滑电路，其中当电容器两端的电压超过参考电压时，电容器的电流被释放到三相电力系统，以防止电容器过分地过充电。
[0015] 根据本发明的另一方面，提供一种分布式发电系统，包括燃料电池、涡轮机、压缩机、电动机/发电机单元、以及将燃料电池产生的DC电力和电动机/发电机单元产生的AC电力提供给三相电力系统的逆变器单元，其中逆变器单元包括整流电路、平滑电路、DC/DC转换器、以及主逆变器，其中DC/DC转换器被连接到可充电的电池，该电池由来自DC/DC转换器的电流充电，并向电动机/发电机单元提供电流。
[0016] 根据本发明的另一方面，提供一种分布式发电系统，包括：通过氢和氧的电化学反应产生电流和高温气体的燃料电池；利用由燃料电池产生的热获得旋转功率的涡轮机；利用涡轮机的旋转功率向燃料电池提供空气的压缩机；在启动模式中利用由电池提供的电流而用作电动机、在发电模式中用作由涡轮机的旋转功率旋转并产生电流的发电机的电动机/发电机单元；以及向三相电力系统提供由燃料电池产生的DC电力和由电动机/发电机单元产生的AC电力的逆变器单元，其中所述逆变器单元包括整流电路、平滑电路、DC/DC转换器、以及主逆变器，其中所述DC/DC转换器被连接到可充电的电池，该电池由来自DC/DC转换器的电流充电，并向电动机/发电机单元提供电流。
[0017] 压缩机可以向燃料电池提供氢和氧，由燃料电池产生的高温气体被用于旋转涡轮机，该系统还包括：利用用于旋转涡轮机并从涡轮机处释放的高温气体、对从压缩机向燃料电池提供的空气进行预热的换热器。
[0018] 该系统还包括：控制单元，包含检测电动机/发电机单元转轴的转速的传感器，将由传感器检测的转速与预定的参考速度进行比较，向电动机/发电机单元提供由电池产生的电流、利用负载或旋转功率使转速改变为参考速度，从而保持电动机/发电机单元转轴的所需速度。
附图说明
[0019] 通过参照附图详细描述具体实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将更加明显，其中：
[0020] 图1是根据本发明实施方式的使用燃料电池的分布式发电系统的框图；以及[0021] 图2是图1所示的逆变器单元的框图。
具体实施方式
[0022] 将参照附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施方式。
[0023] 图1是根据本发明实施方式的使用燃料电池的分布式发电系统的框图。参照图1，该分布式发电系统包括燃料电池20、涡轮机发电单元10、控制单元30、以及逆变器单元40。
[0024] 燃料电池20通过氢和氧的电化学反应产生电流和高温气体。由燃料电池20产生的高温气体被提供给涡轮机发电单元10。
[0025] 涡轮机发电单元10包括电动机/发电机单元11、压缩机12、以及涡轮机13。包含定子和转子的电动机/发电机单元11在涡轮机发电单元10的启动模式中用作电动机，在涡轮机发电单元10的发电模式中用作发电机。
[0026] 压缩机12、涡轮机13以及电动机/发电机单元11形成单个的转轴。电动机/发电机单元11在启动模式中旋转，并且旋转压缩机12的叶轮。压缩机12吸入外部空气，并向燃料电池20提供压缩的空气。由燃料电池20产生的高温气体被提供给涡轮机13并旋转涡轮机，从而允许电动机/发电机单元11用作发电机。
[0027] 由燃料电池20产生的DC电力和由电动机/发电机单元11产生的AC电力通过逆变器单元40被提供给三相电力系统。逆变器单元40将由电动机/发电机单元11产生的AC电力转换成DC电力，将转换后的AC电力与由燃料电池20产生的DC电力相加，将相加后的AC/DC电力转换成AC电力，并向三相电力系统释放转换后的AC电力。
[0028] 控制单元30包含检测电动机/发电机单元11转轴的转速的传感器(未示出)。该控制单元30可以使用独立的装置测量转速，如编码器。该控制单元30测量电动机/发电机单元11转轴的转速，并且通过将该转速与预定的参考速度进行比较而控制提供给电动机/发电机单元11的电流。
[0029] 该电动机/发电机单元11在启动模式中用作电动机，并且在发电模式中向其提供少量的电流。在向其提供少量的电流时，该电动机/发电机单元11沿转轴旋转的相反方向产生小负载。即，电动机/发电机单元11通过由向涡轮机13提供的高温气体Te转轴旋转功率的相反方向产生小负载。当产生小负载时，电动机/发电机单元11通过提高控制单元30提供的电流、以及沿转轴旋转的相反方向提高负载而降低旋转速度。电动机/发电机单元11通过减小控制单元30提供的电流、以及降低沿转轴旋转的相反方向的负载而提高转速。
[0030] 向燃料电池20提供的空气通过由涡轮机13释放的高温液体而预热，以改善分布式发电系统的效率。为此，分布式发电系统包括利用由涡轮机13释放的高温液体对提供给燃料电池20的空气加热的换热器60。
[0031] 图2是图1所示的逆变器单元40的框图。参照图2，逆变器单元40包括整流电路41、平滑电路42、DC/DC转换器43、以及主逆变器44。
[0032] 整流电路41将由电动机/发电机单元11产生的AC电力转换成DC电力。平滑电路42用于均一化由整流电路41产生的波形(ripple)。经过平滑电路42的DC电流以及由燃料电池20产生的DC电流被提供给DC/DC转换器43，被转换成DC/DC逆变器43所需的电压，被转换成主逆变器44中的AC电流，并被提供给三相电力系统。
[0033] 可充电电池50被连接在逆变器单元40的DC/DC转换器43上。该电池50由向DC/DC转换器43提供的一部分电流充电，并通过控制单元30提供用于电动机/发电机单元11的电流。
[0034] 包括一个或多个电容器的平滑电路42通过对电容器的充电和放电形成均匀的DC波形。在分布式发电系统工作期间，平滑电路42中所含的电容器会由于过量的过充电而损坏。为了防止电容器损坏，主逆变器44测量电容器两端的电压，将电容器的测量电压与预定的参考电压进行比较，并且当测量的电压超过电容器的极限电压时向三相电力系统释放电流。
[0035] 当电动机/发电机单元的转速由于燃料电池产生的高温气体的体积改变或其它原因而改变时，该分布式发电系统快速地恢复电动机/发电机单元的转速至参考速度。
[0036] 当平滑电路中包含的电容器由于主逆变器的动作而过充电时，该分布式发电系统向三相电力系统释放电流，从而防止电容器损坏。
[0037] 尽管已经参照示例性实施方式具体示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解其中可以在形式上和细节上进行各种改变，而不背离由权利要求所述的本发明的精神和范围。这些示例性实施方式应当仅在描述的意义上考虑，而非为了限制。因此，本发明的范围不由对本发明的详细描述限定，而由所附权利要求限定，在本发明的范围内的所有区别应当被理解成包括在本发明内。
