一种燃料电池发电系统及其功率控制方法与流程

本发明涉及电网发电，具体地说，是一种燃料电池发电系统及其功率控制方法。

背景技术：

1、燃料电池fc是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，效率较高。此外，燃料电池fc用燃料和氧气作为原料，故排放出的有害气体极少。因此，燃料电池fc的商业化应用存在着广阔的发展前景。

2、目前燃料电池fc并网系统需要满足稳态控制和动态补偿。在稳态情况下，网侧功率完全来自于燃料电池fc，超级电容sc侧不需要承担稳态功率；在动态情况下，当网侧功率变时，超级电容sc承担动态功率，燃料电池fc功率可以缓慢变化，这样可以有效弥补燃料电池fc动态响应慢的缺点。

3、但是，现行的电力电子变换器没有容错运行能力，所以一个功率变换器的故障可能会造成整个系统的崩溃。在关键部门如银行、医院、金融等，电源系统一旦发生故障，造成的经济损失将不可估量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种燃料电池发电系统及其功率控制方法，当任一变换器发生故障时，燃料电池系统的整体工作不受影响，并得以稳态控制和动态补偿要求均能满足。

2、为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种燃料电池发电系统，包括燃料电池fc和电网，所述燃料电池fc适于通过正常通路与所述电网连接；所述正常通路包括依次连接的bi-dc/dc单元#1、超级电容sc和dc/ac单元#1；还包括：冗余通路，所述冗余通路与所述正常通路并联；当所述正常通路或冗余通路中的其中之一故障时，所述燃料电池fc得以通过另一条正常的通路向所述电网提供稳态功率，所述超级电容sc通过直接或间接与所述电网进行连通以提供动态功率。

3、作为一种优选，在所述正常通路未发生故障时，无论所述冗余通路故障与否，所述燃料电池fc均通过所述正常通路与所述电网进行连通。

4、作为一种优选，当所述正常通路的所述bi-dc/dc单元#1发生故障时，所述超级电容sc通过所述dc/ac单元#1直接与所述电网连通以提供动态功率；当所述正常通路的所述dc/ac单元#1发生故障时，所述超级电容sc通过所述bi-dc/dc单元以及所述冗余通路与所述电网间接连通以提供动态功率。

5、作为一种优选，所述冗余通路包括依次连接的dc/dc单元#2、母线电容以及dc/ac单元#2。

6、作为一种优选，所述正常通路还包括dc/dc单元#1，所述超级电容sc经所述dc/dc单元#1和dc/ac单元#1与所述电网进行连接，进而得以增大所述超级电容sc的电压波动范围。

7、作为一种优选，所述bi-dc/dc单元#1采用双向三电平dc/dc拓扑，所述dc/ac单元#1和所述dc/ac单元#2均采用三电平npc电路；所述dc/dc单元#1和所述dc/dc单元#2均采用单向三电平dc/dc拓扑。

8、一种燃料电池发电系统的功率控制方法，在正常通路进行导通时，bi-dc/dc单元#1的控制环路只工作于单向模式，以使得系统功率由燃料电池fc到超级电容sc；当正常通路的其中一个单元故障时，燃料电池fc通过冗余通路进行稳态功率输出；则正常通路中未故障的单元的控制环路适于跟踪网侧的突变功率，进而控制超级电容sc提供突变功率。

9、作为一种优选，在正常通路的其中一个单元故障时，其余的单元的控制环路适于通过提取网侧的突变电流来控制超级电容sc提供突变功率。

10、作为一种优选，bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1的控制环路均包括稳态环路和突变环路；当正常通路导通时，bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1均通过稳态环路进行燃料电池fc的功率输出；当bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1中的一个发生故障时，另一个正常的单元将控制环路切换至突变环路，进而通过对网侧突变电流的提取以控制超级电容sc提供突变功率。

11、作为一种优选，bi-dc/dc单元#1的稳态环路包括电压环和电流环，dc/ac单元#1的稳态环路包括功率环和电流环；bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1的突变环路均为包括电流环，且电流环的输入参考为提取的网侧突变电流；冗余通路的dc/dc单元#2的控制环路包括电压环和电流环，冗余通路的dc/ac单元#2的控制环路包括功率环和电流环；当正常通路导通时，bi-dc/dc单元#1的稳态环路的电压环的响应带宽远低于突变环路带宽；当冗余通路导通时，dc/dc单元#2的控制环路的电压环和dc/ac单元#2的控制环路的功率环的响应带宽均远低于突变环路带宽。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

13、（1）正常通路中的任一变换器发生故障后，得以通过导通冗余通路，使得燃料电池fc通过冗余通路向所述电网提供稳态功率，进一步使得燃料电池发电系统具有容错能力；

14、（2）通过控制开关，得以切换燃料电池fc和电网之间的环路，使得燃料电池fc向电网提供稳态功率，超级电容sc向电网提供动态功率。

技术特征：

1.一种燃料电池发电系统，包括燃料电池fc和电网，所述燃料电池fc适于通过正常通路与所述电网连接；所述正常通路包括依次连接的bi-dc/dc单元#1、超级电容sc和dc/ac单元#1；其特征在于，还包括：冗余通路，所述冗余通路与所述正常通路并联；当所述正常通路或冗余通路中的其中之一故障时，所述燃料电池fc得以通过另一条正常的通路向所述电网提供稳态功率，所述超级电容sc通过直接或间接与所述电网进行连通以提供动态功率。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：在所述正常通路未发生故障时，无论所述冗余通路故障与否，所述燃料电池fc均通过所述正常通路与所述电网进行连通。

3.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：当所述正常通路的所述bi-dc/dc单元#1发生故障时，所述超级电容sc通过所述dc/ac单元#1直接与所述电网连通以提供动态功率；当所述正常通路的所述dc/ac单元#1发生故障时，所述超级电容sc通过所述bi-dc/dc单元以及所述冗余通路与所述电网间接连通以提供动态功率。

4.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述冗余通路包括依次连接的dc/dc单元#2、母线电容以及dc/ac单元#2。

5.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述正常通路还包括dc/dc单元#1，所述超级电容sc经所述dc/dc单元#1和dc/ac单元#1与所述电网进行连接，进而得以增大所述超级电容sc的电压波动范围。

6.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于：所述bi-dc/dc单元#1采用双向三电平dc/dc拓扑，所述dc/ac单元#1和所述dc/ac单元#2均采用三电平npc电路；所述dc/dc单元#1和所述dc/dc单元#2均采用单向三电平dc/dc拓扑。

7.一种燃料电池发电系统的功率控制方法，其特征在于：在正常通路进行导通时，bi-dc/dc单元#1的控制环路只工作于单向模式，以使得系统功率由燃料电池fc到超级电容sc；当正常通路的其中一个单元故障时，燃料电池fc通过冗余通路进行稳态功率输出；则正常通路中未故障的单元的控制环路适于跟踪网侧的突变功率，进而控制超级电容sc提供突变功率。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发电系统的功率控制方法，其特征在于：在正常通路的其中一个单元故障时，其余的单元的控制环路适于通过提取网侧的突变电流来控制超级电容sc提供突变功率。

9.根据权利要求8所述的燃料电池发电系统的功率控制方法，其特征在于：bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1的控制环路均包括稳态环路和突变环路；当正常通路导通时，bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1均通过稳态环路进行燃料电池fc的功率输出；当bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1中的一个发生故障时，另一个正常的单元将控制环路切换至突变环路，进而通过对网侧突变电流的提取以控制超级电容sc提供突变功率。

10.根据权利要求9所述的燃料电池发电系统的功率控制方法，其特征在于：bi-dc/dc单元#1的稳态环路包括电压环和电流环，dc/ac单元#1的稳态环路包括功率环和电流环；bi-dc/dc单元#1和dc/ac单元#1的突变环路均为包括电流环，且电流环的输入参考为提取的网侧突变电流；冗余通路的dc/dc单元#2的控制环路包括电压环和电流环，冗余通路的dc/ac单元#2的控制环路包括功率环和电流环；当正常通路导通时，bi-dc/dc单元#1的稳态环路的电压环的响应带宽低于突变环路带宽；当冗余通路导通时，dc/dc单元#2的控制环路的电压环和dc/ac单元#2的控制环路的功率环的响应带宽均低于突变环路带宽。

技术总结
本申请提供了一种燃料电池发电系统及其功率控制方法，包括燃料电池FC和电网，燃料电池FC适于通过正常通路与电网连接；正常通路包括依次连接的Bi‑DC/DC单元#1、超级电容SC和DC/AC单元#1；还包括：冗余通路，冗余通路与正常通路并联；当正常通路或冗余通路中的其中之一故障时，燃料电池FC得以通过另一条正常的通路向电网提供稳态功率，超级电容SC通过直接或间接与电网进行连通以提供动态功率。进一步使得燃料电池发电系统具有容错能力。

技术研发人员：张文平,王一鸣,许颇
受保护的技术使用者：锦浪科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15