一种制氢多端口变换器及其故障容错方法

本发明涉及电力电子，尤其是一种制氢多端口变换器及其故障容错方法。

背景技术：

1、人类大规模工业化排放了过量的二氧化碳，造成日益严重的全球气候变暖，气候变暖造成的灾难加剧了人们对地球生存环境恶化的担忧。世界各国均提出了相应的减少碳排放目标，而在众多的减排路径中，新能源发电作为一种绿色清洁的能量获取手段，是各国重点关注和发展的关键领域。可再生新能源发电尽管可以解决能量来源的问题，但能否可实现能量的大规模储存也是其能否取代化石能源，成为人类主要能源形式的关键。氢气具有清洁环保、热值高、原料易获取等优点，使得电解制氢技术作为一种有效的能量大规模储存手段受到人们的关注。通过多端口变换器连接光伏电源、制氢电解槽、储能电池、燃料电池和负载，可以组成微电网系统，实现能源的灵活高效使用；此外还可以充分利用峰谷电价差等，在故障情况下可起到应急电源的作用，有效提高了电能质量并增强了系统的稳定性。但现有的多端口变换器缺少故障容错能力，一但故障发生，系统将会失稳甚至造成爆炸的危险，所以一套有效、准确、快速的故障诊断和重构对该系统的稳定运行至关重要。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种制氢多端口变换器及其故障容错方法，能够实现光伏、燃料电池、电池、电解槽、负载协同工作，并且在多端口变换器任一端口发生故障时都具备较强的故障容错能力，可以有效降低成本、提高电能质量并增强系统的稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种制氢多端口变换器，包括光伏端口a、负载端口b、燃料电池端口c、电池端口d和电解槽端口e；所述光伏端口a、所述负载端口b、所述燃料电池端口c、所述电池端口d和所述电解槽端口e所接变换器均为ac\dc和dc\ac双向变换器；所述光伏端口a和所述负载端口b采用冗余支路设计使线路具有故障容错能力；所述燃料电池端口c和所述电池端口d之间采用若干个开关连接，所述电池端口d和所述电解槽端口e之间采用若干个开关连接；当所述光伏端口a、所述负载端口b、所述燃料电池端口c、所述电池端口d和所述电解槽端口e中任一端口发生故障时，均能够通过开关借用其他端口的双向变换器继续工作，使线路具有故障容错能力。

4、本发明技术方案的进一步改进在于：所述双向变换器包括光伏工作支路逆变器 ia1、光伏冗余支路逆变器 ia2、负载工作支路逆变器 ib1、负载冗余支路逆变器 ib2、燃料电池支路逆变器 ic和电池支路逆变器 id、负载工作支路整流器 rb1、负载冗余支路整流器 rb2和电解槽支路整流器 re；所述开关包括光伏工作支路控制开关 sa1、光伏冗余支路控制开关 sa2、负载工作支路控制开关 sb1、负载冗余支路控制开关 sb2、燃料电池支路控制开关 sc、电池支路控制第一开关 sd1、电池支路控制第二开关 sd2、电解槽支路控制开关 se、第三开关 scd和第四开关 sde；

5、所述光伏端口a组成为：光伏发电系统pv与光伏工作支路逆变器 ia1直流侧、光伏冗余支路逆变器 ia2直流侧连接；所述光伏工作支路逆变器 ia1交流侧与光伏工作支路控制开关 sa1连接，所述光伏工作支路控制开关 sa1与光伏端口a连接；所述光伏冗余支路逆变器 ia2交流侧与光伏冗余支路控制开关 sa2连接，所述光伏冗余支路控制开关 sa2并联至光伏端口a；

6、所述负载端口b组成为：所述负载端口b与负载工作支路控制开关 sb1、负载冗余支路控制开关 sb2连接，所述负载工作支路控制开关 sb1与负载工作支路整流器 rb1交流侧连接，所述负载工作支路整流器 rb1直流侧与负载工作支路逆变器 ib1直流侧连接，所述负载工作支路逆变器 ib1交流侧连接至负载；所述负载冗余支路控制开关 sb2与负载冗余支路整流器 rb2交流侧连接，所述负载冗余支路整流器 rb2直流侧与负载冗余支路逆变器 ib2直流侧连接，所述负载冗余支路逆变器 ib2交流侧并联至负载；

7、所述燃料电池端口c组成为：燃料电池与燃料电池支路控制开关 sc连接，所述燃料电池支路控制开关 sc与燃料电池支路逆变器 ic直流侧连接，所述燃料电池支路逆变器 ic交流侧与燃料电池端口c连接；

8、所述电池端口d组成为：电池与电池支路控制第二开关 sd2连接，所述电池支路控制第二开关 sd2与电池支路控制第一开关 sd1连接，所述电池支路控制第一开关 sd1与电池支路逆变器 id直流侧连接，所述电池支路逆变器 id交流侧与电池端口d连接；

9、所述电解槽端口e组成为：所述电解槽端口e与电解槽支路整流器 re交流侧连接，所述电解槽支路整流器 re直流侧与电解槽支路控制开关 se连接，所述电解槽支路控制开关 se与电解槽连接；

10、燃料电池支路与电池支路通过第三开关 scd连接，所述电池支路与电解槽支路通过第四开关 sde连接。

11、一种制氢多端口变换器的故障容错方法，具体工作模态为：

12、模态a：无故障时，光伏发电系统pv正常工作产生电流，光伏工作支路控制开关 sa1导通，电流经光伏工作支路逆变器 ia1和光伏工作支路控制开关 sa1后输至光伏端口a，光伏冗余支路控制开关 sa2关断，光伏冗余支路不工作；负载工作支路控制开关 sb1导通，负载端口b交流电流经负载工作支路整流器 rb1、负载工作支路逆变器 ib1后输至负载，负载冗余支路控制开关 sb2关断，负载冗余支路不工作；燃料电池支路控制开关 sc导通，燃料电池输出直流电流经燃料电池支路逆变器 ic后输至燃料电池端口c；电池支路控制第一开关 sd1、电池支路控制第二开关 sd2导通，电池输出直流电流经电池支路逆变器 id后输至电池端口d；电解槽支路控制开关 se导通，电解槽端口e输出交流电流经电解槽支路整流器 re后输至电解槽；第三开关 scd、第四开关 sde关断，燃料电池支路、电池支路、电解槽支路间无电流流动；

13、模态b：光伏工作支路发生故障时，光伏工作支路控制开关 sa1关断，光伏冗余支路控制开关 sa2导通，光伏发电系统pv输出直流电流通过光伏冗余支路逆变器 ia2后输至光伏端口a；

14、模态c：负载工作支路发生故障时，负载工作支路控制开关 sb1关断，负载冗余支路控制开关 sb2导通，负载端口b输出交流电流通过负载冗余支路整流器 rb2、负载冗余支路逆变器 ib2后为负载供电；

15、模态d：燃料电池支路发生故障时，第三开关 scd、电池支路控制第一开关 sd1导通，第四开关 sde关断，燃料电池输出直流电流通过电池支路逆变器 id输至电池端口d；

16、模态e：电池支路发生故障时，第三开关 scd导通，电池支路控制第一开关 sd1、第四开关 sde关断，电池输出直流电流通过燃料电池支路逆变器 ic输至燃料电池端口c；

17、模态f：电解槽支路发生故障时，第三开关 scd、第四开关 sde导通，电池支路控制第一开关 sd1关断，电池支路逆变器 id工作在整流模态，电池端口d输出交流电通过电池支路逆变器 id、第四开关 sde输至电解槽，电池输出直流电流通过第三开关 scd、燃料电池支路逆变器 ic输至燃料电池端口c。

18、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

19、本发明采用多端口变换器连接光伏、燃料电池、电解槽、蓄电池、直流负荷等元件，具有更高的效率、更高的电能质量和更强的系统稳定性；在光伏和负载端口侧通过冗余设计，在发生故障时，故障诊断算法发出故障信号，故障设备可以从变换器中隔离出来，功率流可以在正常工作的变换器端口流动；因此，变换器可在不影响系统正常运行和维护成本的情况下，保证系统可靠运行；在电解槽、燃料电池端口侧采用端口柔性互联，通过柔性互联拓扑结构，可以实现燃料电池端口、电解槽、电池端口变换器容错运行。