利用氢燃料电池储能的光伏发电系统及其控制方法与流程

本发明涉及光伏发电技术领域，尤其涉及一种利用氢燃料电池储能的光伏发电系统及其控制方法。

背景技术：

太阳能光伏发电技术水平与实用化程度有了显著提高，其应用范围和规模不断扩大随着燃料电池技术的发展，同时，氢燃料电池逐渐被业界认识到在后备电源领域具有广阔的应用前景，节能环保，完全避免了铅、硫酸以及其他酸性污染物的排放。但是氢燃料电池本身是一个非常复杂的非线性电源系统，其输出电能特性不仅受到电池内部结构的影响，同时也受温度、气体压力、气体流量以及负载等因素的制约，所以对于氢气的利用显得十分困难。能够把光伏发电与燃料电池发电有效的结合在一起，成为一项技术难点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种利用氢燃料电池储能的光伏发电系统及其控制方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种利用氢燃料电池储能的光伏发电系统，包括光伏阵列、燃料电池、功率分配电路pd、功率合成电路ps、逆变器u、电压控制电路v0、氢气压缩机、储氢装置、氢气进气压力变送器p1、冷却水进口温度变送器t1、氧气压缩机、储氧装置、氧气进气压力变送器p3、氢气排气压力变送器p2、氧气排气压力变送器p4、冷却水出口温度变送器t2、氢气进气阀v1、氢气侧排水阀v2、氧气进气阀v3、氧气侧排水阀v4；所述光伏阵列产生的电能通过所述功率分配电路pd分别传送给所述功率合成电路ps以及电压控制电路v0，所述功率合成电路ps通过所述逆变器u将电能传送给负载；所述电压控制电路v0控制所述电解池工作状态，所述电解池分别与所述氢气压缩机、氧气压缩机以及冷却水源连接，所述氢气压缩机的输出端与所述储氢装置连接，所述储氢装置通过所述氢气进气压力变送器p1与所述氢气进气阀v1的进口连接，所述氢气进气阀v1的出口与所述燃料电池连接；所述氧气压缩机的输出端与所述储氧装置连接，所述储氧装置通过所述氧气进气压力变送器p3与所述氧气进气阀v3的进口连接，所述氧气进气阀v3的出口与所述燃料电池连接；所述燃料电池与所述冷却水源之间设有冷却水进口温度变送器t1；所述燃料电池的输出端与所述功率合成电路ps连接；所述燃料电池分别与第一汽水分离器和第二汽水分离器连接，其中第一汽水分离器用于回收氢气和冷却水，第一汽水分离器上安装有氢气排气压力变送器p2，所述第一汽水分离器通过氢气侧排水阀v2与冷却水回收装置连接；所述第二汽水分离器用于回收氧气和冷却水，第二汽水分离器上安装有氧气排气压力变送器p4，所述第二汽水分离器通过氧气侧排水阀v4与冷却水回收装置连接；所述冷却水回收装置与所述燃料电池之间连接有所述冷却水出口温度变送器t2。

一种利用氢燃料电池储能的光伏发电系统的控制方法，其特征在于：包括主控芯片、光伏阵列、燃料电池、功率分配电路pd、功率合成电路ps、逆变器u、电压控制电路v0、氢气压缩机、储氢装置、氢气进气压力变送器p1、冷却水进口温度变送器t1、氧气压缩机、储氧装置、氧气进气压力变送器p3、氢气排气压力变送器p2、氧气排气压力变送器p4、冷却水出口温度变送器t2、氢气进气阀v1、氢气侧排水阀v2、氧气进气阀v3、氧气侧排水阀v4；所述光伏阵列产生的电能通过所述功率分配电路pd分别传送给所述功率合成电路ps以及电压控制电路v0，所述功率合成电路ps通过所述逆变器u将电能传送给负载；所述电压控制电路v0控制所述电解池工作状态，所述电解池分别与所述氢气压缩机、氧气压缩机以及冷却水源连接，所述氢气压缩机的输出端与所述储氢装置连接，所述储氢装置通过所述氢气进气压力变送器p1与所述氢气进气阀v1的进口连接，所述氢气进气阀v1的出口与所述燃料电池连接；所述氧气压缩机的输出端与所述储氧装置连接，所述储氧装置通过所述氧气进气压力变送器p3与所述氧气进气阀v3的进口连接，所述氧气进气阀v3的出口与所述燃料电池连接；所述燃料电池与所述冷却水源之间设有冷却水进口温度变送器t1；所述燃料电池的输出端与所述功率合成电路ps连接；所述燃料电池分别与第一汽水分离器和第二汽水分离器连接，其中第一汽水分离器用于回收氢气和冷却水，第一汽水分离器上安装有氢气排气压力变送器p2，所述第一汽水分离器通过氢气侧排水阀v2与冷却水回收装置连接；所述第二汽水分离器用于回收氧气和冷却水，第二汽水分离器上安装有氧气排气压力变送器p4，所述第二汽水分离器通过氧气侧排水阀v4与冷却水回收装置连接；所述冷却水回收装置与所述燃料电池之间连接有所述冷却水出口温度变送器t2；

所述主控芯片通过rs485总线控制设定参数，通过主控芯片的can总线模块采集功率分配电路pd的参数和功率合成电路ps的参数，pd和ps分别为光伏发电系统提供的功率和负载消耗的功率，如果检测到pd>ps，即光伏发电系统提供功率大于负载消耗功率，则将剩余功率提供给电解池，电解池开始电解得到氢和氧，如果检测到氢气进气压力变送器p1的数值、氧气进气压力变送器p3的数值大于储存域值，系统将会通过电压控制电路v0停止继续电解；

如果检测到pd<ps，系统将开启燃料电池发电用以补充光伏系统供电的不足：首先检测氢气进气压力变送器p1的数值、氢气排气压力变送器p2的数值，其次氧气进气压力变送器p3的数值、氧气排气压力变送器p4的数值，如果检测到p1、p2、p3和p4的值均在正常工作域值范围内，燃料电池开始发电，并与光伏发电系统合成为负载供电；同时系统会自动检测冷却水进口温度变送器t1、冷却水出口温度变送器t2的值，如果检测到t1、t2的值大于域值，散热器将会启动进行散热；当p1、p2、p3和p4的值不在正常工作阈值范围时，系统开启保护模式，燃料电池不能运行发电。

本发明的有益效果是:本发明有效的将光伏发电与燃料电池有效的结合在一起。采用检测氢气进气压力p1、氢气排气压力p2、氧气进气压力p3、氧气排气压力p4、冷却水进口温度t1、冷却水出口温度t2等传感器的实时数值，通过控制电解池的电解制氢电压v0状态以及氢气进气阀v1、氢气侧排水阀v2、氧气进气阀v3、氧气侧排水阀v4等电磁阀的工作状态，实现对氢燃料电池的实际反应温度、氢气有效分压、氧气有效分压等自变量的精确控制，达到控制氢燃料电池堆内的单体电池电压输出的目标，从而实现燃料电池发电与光伏系统发电有效合成。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的主控芯片的结构示意图；

图3为本发明的主控电路流程框图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，一种利用氢燃料电池储能的光伏发电系统，包括主控芯片、光伏阵列、燃料电池、功率分配电路pd、功率合成电路ps、逆变器u、电压控制电路v0、氢气压缩机、储氢装置、氢气进气压力变送器p1、冷却水进口温度变送器t1、氧气压缩机、储氧装置、氧气进气压力变送器p3、氢气排气压力变送器p2、氧气排气压力变送器p4、冷却水出口温度变送器t2、氢气进气阀v1、氢气侧排水阀v2、氧气进气阀v3、氧气侧排水阀v4；所述光伏阵列产生的电能通过所述功率分配电路pd分别传送给所述功率合成电路ps以及电压控制电路v0，所述功率合成电路ps通过所述逆变器u将电能传送给负载；所述电压控制电路v0控制所述电解池工作状态，所述电解池分别与所述氢气压缩机、氧气压缩机以及冷却水源连接，所述氢气压缩机的输出端与所述储氢装置连接，所述储氢装置通过所述氢气进气压力变送器p1与所述氢气进气阀v1的进口连接，所述氢气进气阀v1的出口与所述燃料电池连接；所述氧气压缩机的输出端与所述储氧装置连接，所述储氧装置通过所述氧气进气压力变送器p3与所述氧气进气阀v3的进口连接，所述氧气进气阀v3的出口与所述燃料电池连接；所述燃料电池与所述冷却水源之间设有冷却水进口温度变送器t1；所述燃料电池的输出端与所述功率合成电路ps连接；所述燃料电池分别与第一汽水分离器和第二汽水分离器连接，其中第一汽水分离器用于回收氢气和冷却水，第一汽水分离器上安装有氢气排气压力变送器p2，所述第一汽水分离器通过氢气侧排水阀v2与冷却水回收装置连接；所述第二汽水分离器用于回收氧气和冷却水，第二汽水分离器上安装有氧气排气压力变送器p4，所述第二汽水分离器通过氧气侧排水阀v4与冷却水回收装置连接；所述冷却水回收装置与所述燃料电池之间连接有所述冷却水出口温度变送器t2。

主控芯片控制系统对系统电能应用进行优先顺序控制：光伏发电阵列产生的电能首先通过逆变器供给负载，多余的电能通过功率分配，启动电解槽电解氢和氧，并储存起来；当光伏系统发电不足时，开启燃料电池供电系统，光伏发电阵列产生的电能和燃料电池产生的电能进行功率合成，通过逆变器将电能输送给负载。

本设计将氢气进气压力变送器p1、氢气排气压力变送器p2、氧气进气压力变送器p3、氧气排气压力变送器p4、冷却水进口温度变送器t1、冷却水出口温度变送器t2等传感器的输出信号经隔离转换接口电路送入主控芯片的不同的通道，再经a/d转换模块采样后转换为数字量，作为控制程序的入口参数。

如图1所示，主控芯片的输出口主要用于控制冷却水进口温度变送器t1、氢气侧排水阀v2、氧气进气阀v3、氧气侧排水阀v4等电磁阀的工作状态，除此之外，主控芯片的can总线模块用于实现与功率分配和功率合成电路间的数据通讯，rs485总线用于实现人机接口通讯功能。

如图3所示，氢燃料电池理想状态下，通过精确控制氢燃料电池的实际反应温度、氢气有效分压、氧气有效分压等变量的数值，就可以得到稳定的氢燃料电池单体电压输出。在电池管理系统主控电路设计中，采用检测氢气进气压力变送器p1、氢气排气压力变送器p2、氧气进气压力变送器p3、氧气排气压力变送器p4、冷却水进口温度变送器t1、冷却水出口温度变送器t2等传感器的实时数值，通过控制氢气进气阀v1、氢气侧排水阀v2、氧气进气阀v3、氧气侧排水阀v4等电磁阀的工作状态，实现对氢燃料电池的实际反应温度、氢气有效分压、氧气有效分压等自变量的精确控制，从而达到控制氢燃料电池堆内的单体电池电压输出的目标，从而实现与光伏发电系统的有效合成。

如图3所示，在氢燃料电池管理系统主控电路流程框图中，所述主控芯片通过rs485总线控制设定参数，通过主控芯片的can总线模块采集功率分配电路pd的参数和功率合成电路ps的参数，pd和ps分别为光伏发电系统提供的功率和负载消耗的功率，如果检测到pd>ps，即光伏发电系统提供功率大于负载消耗功率，则将剩余功率提供给电解池，电解池开始电解得到氢和氧，如果检测到氢气进气压力变送器p1的数值、氧气进气压力变送器p3的数值大于储存域值，系统将会通过电压控制电路v0停止继续电解；

如果检测到pd<ps，系统将开启燃料电池发电用以补充光伏系统供电的不足：首先检测氢气进气压力变送器p1的数值、氢气排气压力变送器p2的数值，其次氧气进气压力变送器p3的数值、氧气排气压力变送器p4的数值，如果检测到p1、p2、p3和p4的值均在正常工作域值范围内，燃料电池开始发电，并与光伏发电系统合成为负载供电；同时系统会自动检测冷却水进口温度变送器t1、冷却水出口温度变送器t2的值，如果检测到t1、t2的值大于域值，散热器将会启动进行散热；当p1、p2、p3和p4的值不在正常工作阈值范围时，系统开启保护模式，燃料电池不能运行发电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。