燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法技术方案

本申请提供一种燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法，该燃料电池发电电路通过连接于逆变主电路与储能设备之间的双向变换电路，实现交直流功率解耦，进而减小交流侧的功率脉动，提高运行可靠性，避免燃料电池寿命的降低；而且，其用于承担交流侧功率脉动的储能设备是燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备，而非现有技术中额外设置于交流侧的储能元件，节省了现有技术所需要的大储能元件；再者，其逆变主电路为单级隔离式功率变换电路，而非现有技术中的两级式或三级式电路；进而，减少了功率器件数量，降低了成本。降低了成本。降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法


[0001]本申请涉及功率变换
，特别涉及一种燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着碳中和的概念逐渐深入人心，燃料电池因为其清洁、高效率的能源利用形式获得了越来越多的关注。燃料电池采用以氢为代表的还原剂与氧气在电解质中通过化学反应直接生成电能，其装置的功率等级大小相对传统的内燃机发电具有明显的灵活性，其相对于光伏、风力发电在功率密度上具有明显的优势，因为这些优点燃料电池发电从最初的航工航天应用，逐渐走向商业化示范应用。由于单片燃料电池的电压根据带载情况的不同，通常在0.4~0.8V之间变动，这种低压形式的直流电能很难经济的利用，因此，燃料电池一般采用叠片串联的形式组成更高的直流电压。但是，根据相关文献的研究，燃料电池叠片太多，容易造成燃料电池中还原剂和氧化剂均匀分配的难度大幅增加，燃料电池反映产物水的排除难度也会增加，会造成单片电池偏离最佳工作点的木桶效应，降低整个燃料电池电堆的效率；也因此大型燃料电池电堆的电压一般在350V以下，而小的燃料电池的电堆只有几十伏。
[0003]为了实现燃料电池低压直流电与用电负载或电网高压交流电之间的匹配，一般需要在燃料电池电堆后级增加DC/DC变换器进行升压，之后再采用DC/AC变换器进行逆变构成两级电路；在一些小功率的民用场景，为了满足一些电网标准，还需要在两级电路之间插入一级隔离型DC/DC变换器来满足安规要求，从而使燃料电池系统主功率增加为三级电路，如图1所示。
[0004]上述拓扑的优势在于交直流可以很好的解耦，减小交流脉动功率对燃料电池电堆端口的影响；这种交流脉动功率一般是由于交流侧出现不平衡负载变化或者高低穿工况而引起的，这种能量脉动经常造成燃料电池偏离最大工作点，降低效率，甚至频繁过流关机，降低燃料电池寿命。上述拓扑虽然可以减小这一影响，但是由于是两级式或三级式电路，所以器件多、成本高，而且还需要采用大的储能元件缓冲单相负载或不平衡负载造成的交流脉动能量。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供一种燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法，以在实现交直流之间解耦的同时，减少器件、降低成本。
[0006]为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：本申请第一方面提供了一种燃料电池发电电路，包括：逆变主电路，以及，双向变换电路；其中，所述逆变主电路为单级隔离式功率变换电路；所述逆变主电路的直流侧，作为所述燃料电池发电电路的输入端，用于连接燃料
电池电堆的功率接口；所述逆变主电路的交流侧，作为所述燃料电池发电电路的输出端，用于连接交流负载和/或电网；所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路中；所述双向变换电路的第二端，与所述燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备相连。
[0007]可选的，所述逆变主电路，包括：方波逆变电路、变压器、感性器件及双向传输电路；其中，所述方波逆变电路的直流侧，连接所述逆变主电路的直流侧；且所述逆变主电路的直流侧正负极之间设置有直流电容；所述方波逆变电路的交流侧，通过串联连接的所述变压器和所述感性器件，连接所述双向传输电路的第一侧；所述双向传输电路的第二侧连接所述逆变主电路的交流侧；且所述逆变主电路的交流侧两极之间设置有交流电容。
[0008]可选的，所述方波逆变电路为：H桥电路。
[0009]可选的，所述双向传输电路包括：一个桥臂；所述桥臂与所述交流电容并联连接；所述桥臂的中点，作为所述双向传输电路的第一侧，用于连接所述变压器的副边绕组一端；所述交流电容的中点，用于连接所述副边绕组的另一端；所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。
[0010]可选的，所述双向传输电路包括：两个桥臂；其中，各所述桥臂，均与所述交流电容并联连接；各所述桥臂的中点，分别作为所述双向传输电路的第一侧一端；所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。
[0011]可选的，所述双向开关包括：反向串联连接的两个开关管。
[0012]可选的，所述感性器件包括：谐振电感，或者，串联连接的谐振电感与谐振电容。
[0013]可选的，所述逆变主电路，包括：反激式电路；且：所述反激式电路中变压器的副边绕组两端，分别连接一个相应的双向开关；两个所述双向开关的另一端相连，连接交流电容的一端；所述副边绕组的中间抽头与所述交流电容的另一端相连；所述反激式拓扑的直流侧正负极之间设置有直流电容。
[0014]可选的，所述双向开关包括：反向串联连接的两个开关管；或者，一个开关管，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管。
[0015]可选的，所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路的直流侧，或者，连接于所述变压器的辅助绕组。
[0016]可选的，所述双向变换电路为：隔离型或非隔离型的双向变换电路。
[0017]可选的，所述双向变换电路为：BUCK电路、BOOST电路、开关电容变换电路或全桥电
路。
[0018]可选的，还包括：电磁干扰滤波器；所述电磁干扰滤波器设置于所述逆变主电路的交流侧与所述燃料电池发电电路的输出端之间。
[0019]可选的，还包括：受控开关；所述受控开关设置于所述逆变主电路的直流侧与所述燃料电池发电电路的输入端之间。
[0020]本申请第二方面提供了一种燃料电池发电电路的控制方法，所述燃料电池发电电路为如上述第一方面任一种所述的燃料电池发电电路，所述控制方法包括：确定所述燃料电池发电电路的交流瞬时功率；确定所述燃料电池发电电路的交流平均功率；获得所述交流瞬时功率减去所述交流平均功率的差值；根据所述差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号；对所述电流参考信号进行调制计算，得到所述燃料电池发电电路中双向变换电路的脉冲宽度调制PWM控制信号。
[0021]可选的，确定所述燃料电池发电电路的交流瞬时功率，包括：获取所述燃料电池发电电路的交流电压和交流电流；根据所述交流电压和所述交流电流，计算得到所述交流瞬时功率。
[0022]可选的，确定所述燃料电池发电电路的交流平均功率，包括：对所述交流瞬时功率进行滤波，得到所述交流平均功率。
[0023]可选的，根据所述差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号，包括：计算所述差值除以所述电压的商，作为所述电流参考信号。
[0024]可选的，在确定电流参考信号之后，还包括：以所述电流参考信号作为扰动信号，注入至所述燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中。
[0025]可选的，注入至所述燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中，包括：注入至所述控制环路的电流环前级。
[0026]本申请第三方面提供了一种燃料电池发电系统，包括：燃料电池电堆、电气辅助系统和机械辅助系统；其中，所述电气辅助系统中包括：控制器，储能设备，启动电路，以及，如上述第一方面任一种所述的燃料电池发电电路；所述机械辅助系统中包括：循环泵；所述控制器用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池发电电路，其特征在于，包括：逆变主电路，以及，双向变换电路；其中，所述逆变主电路为单级隔离式功率变换电路；所述逆变主电路的直流侧，作为所述燃料电池发电电路的输入端，用于连接燃料电池电堆的功率接口；所述逆变主电路的交流侧，作为所述燃料电池发电电路的输出端，用于连接交流负载和/或电网；所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路中；所述双向变换电路的第二端，与所述燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备相连。2.根据权利要求1所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述逆变主电路，包括：方波逆变电路、变压器、感性器件及双向传输电路；其中，所述方波逆变电路的直流侧，连接所述逆变主电路的直流侧；且所述逆变主电路的直流侧正负极之间设置有直流电容；所述方波逆变电路的交流侧，通过串联连接的所述变压器和所述感性器件，连接所述双向传输电路的第一侧；所述双向传输电路的第二侧连接所述逆变主电路的交流侧；且所述逆变主电路的交流侧两极之间设置有交流电容。3.根据权利要求2所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述方波逆变电路为：H桥电路。4.根据权利要求2所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向传输电路包括：一个桥臂；所述桥臂与所述交流电容并联连接；所述桥臂的中点，作为所述双向传输电路的第一侧，用于连接所述变压器的副边绕组一端；所述交流电容的中点，用于连接所述副边绕组的另一端；所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。5.根据权利要求2所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向传输电路包括：两个桥臂；其中，各所述桥臂，均与所述交流电容并联连接；各所述桥臂的中点，分别作为所述双向传输电路的第一侧一端；所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。6.根据权利要求4或5所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向开关包括：反向串联连接的两个开关管。7.根据权利要求2至5任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述感性器件包括：谐振电感，或者，串联连接的谐振电感与谐振电容。8.根据权利要求1所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述逆变主电路，包括：反激式电路；且：所述反激式电路中变压器的副边绕组两端，分别连接一个相应的双向开关；两个所述双向开关的另一端相连，连接交流电容的一端；所述副边绕组的中间抽头与所述交流电容的另一端相连；
所述反激式拓扑的直流侧正负极之间设置有直流电容。9.根据权利要求8所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向开关包括：反向串联连接的两个开关管；或者，一个开关管，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管。10.根据权利要求2至5、8至9任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路的直流侧，或者，连接于所述变压器的辅助绕组。11.根据权利要求1至5、8至9任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向变换电路为：隔离型或非隔离型的双向变换电路。12.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷雨，曹仁贤，徐君，庄加才，
申请(专利权)人：阳光电源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：