用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法技术方案

本申请提供一种用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法。该电能路由包括MMC中压变换级、公共母线的一次侧隔离级和燃料电池DC/DC级；MMC中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器；公共母线的一次侧隔离级包括半桥并联电容子模块、公共母线一次侧全桥、公共母线二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器，公共母线一次侧全桥级联在半桥并联电容子模块之后，两绕组高频隔离变压器的原边侧连接公共母线一次侧全桥，两绕组高频隔离变压器的副边侧并联形成公共母线，公共母线二次侧全桥接入公共母线；燃料电池DC/DC级包括燃料电池变换器一次侧全桥、燃料电池变换器二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器。本申请能够降低燃料电池的功率损耗。的功率损耗。的功率损耗。

【技术实现步骤摘要】
用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法


[0001]本申请涉及电能路由
，尤其涉及一种用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法。

技术介绍

[0002]目前，化石能源呈现逐渐减少的态势，而人们对能量需求确在持续增加，因此，发展可再生能源势在必行。氢能具有低排放、易置换、效率高的特点，通过氢能供电系统，如电解氢的FC(Fuel Cell，燃料电池)，不仅可以解决风光可再生能源的分布特性，而且具有发电效率高、功率密度高、燃料广泛的优点。
[0003]由于燃料电池等可再生能源的发展，电能的形式变得多样且复杂，为了使电网适应多种源荷、更快的实现能源互联，提出了电能路由器。电能路由器是能源互联网中的关键设备，其可以连接不同等级、不同形式的源荷，将清洁能源、储能装置和电网连接起来，并提供即插即用的接口，快速解决电网和路由器自身发生各种短路、断线、低电压通过等故障。目前，通常将MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)运用到电能路由中，以提高交直流电网的柔性调控能力与可靠性。
[0004]然而，目前的电能路由采用的是全功率变换技术，其存在燃料电池功率损耗大的缺陷。

技术实现思路

[0005]本申请实施例提供了一种用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法，以解决现有采用全功率变换技术的电能路由存在的燃料电池功率损耗大的问题。
[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种用于氢能供电系统的电能路由，包括MMC中压变换级、公共母线的一次侧隔离级和燃料电池DC/DC级；
[0007]MMC中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器，具有中压交流和直流端口；公共母线的一次侧隔离级包括半桥并联电容子模块、公共母线一次侧全桥、公共母线二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器，公共母线一次侧全桥级联在半桥并联电容子模块之后，两绕组高频隔离变压器的原边侧连接公共母线一次侧全桥，两绕组高频隔离变压器的副边侧并联形成公共母线，公共母线二次侧全桥接入公共母线；燃料电池DC/DC级包括燃料电池变换器一次侧全桥、燃料电池变换器二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器；燃料电池变换器一次侧全桥经两绕组高频隔离变压器接入公共母线。
[0008]第二方面，本申请实施例提供了一种用于氢能供电系统的电能路由的控制方法，控制方法应用于如第一方面的用于氢能供电系统的电能路由，控制方法包括：
[0009]公共母线一次侧全桥的驱动信号Q
FB
为频率为f、占空比D的同步调制方波信号；
[0010]公共母线二次侧全桥的驱动信号与公共母线一次侧全桥的驱动信号相差一个移相角度Φ，将低压直流母线电流的给定值i*
LVDC
减去低压直流母线电流的实际值i
LVDC
，经PI调节器得到移相角调制信号Φ*，经二次侧移相调制，得到公共母线二次侧全桥的驱动信号
Q
FBL
。
[0011]本申请实施例提供一种用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法，该电能路由包括MMC中压变换级、公共母线的一次侧隔离级和燃料电池DC/DC级，其中，MMC中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器，具有中压交流和直流端口；公共母线的一次侧隔离级包括半桥并联电容子模块、公共母线一次侧全桥、公共母线二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器，公共母线一次侧全桥级联在半桥并联电容子模块之后，两绕组高频隔离变压器的原边侧连接公共母线一次侧全桥，两绕组高频隔离变压器的副边侧并联形成公共母线，公共母线二次侧全桥接入公共母线；燃料电池DC/DC级包括燃料电池变换器一次侧全桥、燃料电池变换器二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器；燃料电池变换器一次侧全桥经两绕组高频隔离变压器接入公共母线。
[0012]如此，提供了一种实现部分功率变换的电能路由，其在部分功率变换下只有30％左右的功率经过变换器，如此，当变换器效率一定时，燃料电池变换器的功率损耗减小了70％左右，从而极大地降低了燃料电池变换器的功率损耗。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是本申请实施例提供的一种全功率变换技术和部分功率变换技术的结构示意图；
[0015]图2是本申请实施例提供的一种MMC子模块与公共母线一次侧全桥级联的电气原理图；
[0016]图3是本申请实施例提供的一种电能路由中燃料电池变换器一次侧全桥和二次侧全桥的电气原理图；
[0017]图4是本申请实施例提供的一种燃料电池部分功率变换器的电气原理图；
[0018]图5是本申请实施例提供的一种电能路由整体结构的电气原理图；
[0019]图6是本申请实施例提供的一种控制框图；
[0020]图7是本申请实施例提供的一种燃料电池变换器工作波形示意图。
具体实施方式
[0021]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
[0022]为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
[0023]如现有技术所介绍的，目前的应用于氢能供电系统的电能路由采用的是全功率变换技术，其存在燃料电池损耗大的缺陷。
[0024]为了解决现有技术问题，本申请实施例提供了一种用于氢能供电系统的电能路由及其控制方法。下面首先对本申请实施例提供的用于氢能供电系统的电能路由进行介绍。
[0025]如图1所示，提供了一种现有技术中全功率变换技术和本申请所提供的部分功率变换技术的结构示意图，以助于理解本申请。
[0026]需要说明的是，在传统FC全功率变换中，将燃料电池通过DC/DC变换器连接至低压直流母线，燃料电池的全部功率经过DC/DC变换器，形成功率损耗。而在本申请FC部分功率变换中，将燃料电池变换器一次侧全桥单元、燃料电池变换器二次侧全桥单元、燃料电池单元串联连接，燃料电池约有70％的功率不经过变换器直接供给低压直流母线，其余约30％的功率经过变换器，当变换器效率一定时，燃料电池变换器的功率损耗减小了70％左右。
[0027]用于氢能供电系统的电能路由，包括MMC中压变换级、公共母线的一次侧隔离级和燃料电池DC/DC级。其中，MMC中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器，具有中压交流和直流端口；公共母线的一次侧隔离级包括半桥并联电容子模块、公共母线一次侧全桥、公共母线二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器，公共母线一次侧全桥级联在半本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氢能供电系统的电能路由，其特征在于，包括MMC中压变换级、公共母线的一次侧隔离级和燃料电池DC/DC级；MMC中压变换级为三相六桥臂结构的模块化多电平变换器，具有中压交流和直流端口；公共母线的一次侧隔离级包括半桥并联电容子模块、公共母线一次侧全桥、公共母线二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器，公共母线一次侧全桥级联在半桥并联电容子模块之后，两绕组高频隔离变压器的原边侧连接公共母线一次侧全桥，两绕组高频隔离变压器的副边侧并联形成公共母线，公共母线二次侧全桥接入公共母线；燃料电池DC/DC级包括燃料电池变换器一次侧全桥、燃料电池变换器二次侧全桥和两绕组高频隔离变压器；燃料电池变换器一次侧全桥经两绕组高频隔离变压器接入公共母线。2.根据权利要求1所述的用于氢能供电系统的电能路由，其特征在于，所述燃料电池变换器二次侧全桥与所述公共母线二次侧全桥单元复用。3.根据权利要求1所述的用于氢能供电系统的电能路由，其特征在于，所述半桥并联电容子模块包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第一电容C；所述公共母线一次侧全桥包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4；所述两绕组高频隔离变压器包括第一绕组N1、第二绕组N2；所述第一功率开关管S1的发射极与第二功率开关管S2的集电极相连；所述第一电容C的一端与第一功率开关管S1的集电极连接，所述第一电容C的另一端与第二功率开关管S2的发射极连接；所述第一功率开关管S1的集电极与第一功率开关管Q1的集电极及第三功率开关管Q3的集电极相连；所述第二功率开关管S2的发射极与第二功率开关管Q2的发射极及第四功率开关管Q4的发射极相连；所述第一功率开关管Q1的发射极与第二功率开关管Q2的集电极相连，所述第三功率开关管Q3的发射极与第四功率开关管Q4的集电极相连；所述第一绕组N1位于所述两绕组高频隔离变压器的原边侧，第二绕组N2位于所述两绕组高频隔离变压器的副边侧；所述第一绕组N1的同名端连接到第一功率开关管Q1以及第二功率开关管Q2所组成的桥臂中点；所述第一绕组N1的异名端连接到第三功率开关管Q3以及第四功率开关管Q4所组成的桥臂中点；所述第二绕组N2的同名端连接到公共母线的正极，所述第二绕组N2的异名端连接到公共母线的负极。4.根据权利要求1所述的用于氢能供电系统的电能路由，其特征在于，所述燃料电池变换器一次侧全桥包括第一电感Le1、第二电感Le2、第一功率开关Se1、第二功率开关Se2、第三电容Ce、燃料电池单元Ue及第一变压器T；所述燃料电池变换器二次侧全桥包括移相电感Ld、第一功率开关管Sd1、第二功率开关管Sd2、第三功率开关管Sd3、第四功率开关管Sd4、第二电容Cd；所述第一电感Le1第一端与第二电感Le2第二端、第三电容Ce第一端均相连，并连接至所述燃料电池单元Ue的负极，所述第一电感Le1第二端与第一功率开关Se1的漏极、第一变压器T的一次侧第一端均相连，第二电感Le2第二端与第二功率开关Se2的漏极、第一变压器T的一次侧第二端均相连，第一功率开关Se1的源极与第二功率开关Se2的源极、第三电容Ce第二端均相连，并连接至所述燃料电池变换器二次侧全桥单元的LVDC
‑
端；所述移相电感Ld的一端接正交流母线，移相电感Ld的另一端连接第一功率开关管Sd1的发射极和第二功率开关管Sd2的集电极，所述第二电容Cd的一端与第一功率开关管Sd1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭小凡，李秉宇，贾伯岩，范辉，曾四鸣，杜旭浩，庞先海，蔡子文，刘杰，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：