CN101651349B - 一种燃料电池发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的燃料电池发电装置，包括主电路和控制系统，主电路包括燃料电池、滤波器、直流-直流变换器、三相四线逆变器、静态开关、双向直流-直流变换器、超级电容组以及控制系统，控制系统中有两个脉动电压控制环节、两个内环电流控制环节、直流输出侧电流检测环节和超级电容电压控制环节。装置通过双向直流-直流变换器和超级电容组提供发电系统输出功率中的高频成分，同时控制直流正负母线到中点的电压，当电网不对称或发电系统三相输出功率不平衡时，有效平抑直流正负母线到中点产生的低频电压脉动，取代了传统燃料电池发电装置直流母线上大容量的电解电容，使系统的可靠性和寿命不再受电解电容的可靠性和寿命的限制，提高了发电装置的可靠性和寿命。

Description

一种燃料电池发电装置
技术领域
本发明涉及燃料电池发电装置，尤其是无电解电容的燃料电池发电装置。
背景技术
燃料电池受到自身内部机械特性的制约，其动态响应较慢，很难满足负载突变时的需求，且负载突变还可能导致燃料电池工作超出正常范围，影响其使用寿命，目前的燃料电池发电装置中多使用超级电容及双向直流-直流变换器作为辅助储能环节直接或间接并联于燃料电池的输出端，仅在负载扰动或冷启动过程中对燃料电池起到能量缓冲的作用，虽然辅助储能环节在燃料电池发电装置中必不可少，但它发挥的作用还比较单一。大容量燃料电池发电装置逆变器采用三相四线结构可以兼顾并网和独立运行的要求，但当电网不对称或发电系统三相输出功率不平衡时，直流正负母线到中点会产生低频电压脉动，传统的燃料电池发电装置采用在正负直流母线与中点之间分别并联大容量电解电容的方法来滤除低频电压脉动，但电解电容的使用势必会带来装置寿命和可靠性等方面的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种长寿命、运行可靠的燃料电池发电装置。
本发明的燃料电池发电装置包括主电路和控制系统；主电路包括燃料电池，滤波器，直流-直流变换器，三相四线逆变器，双向直流-直流变换器和超级电容组，燃料电池的输出经过滤波器后接到直流-直流变换器的输入端，直流-直流变换器的输出端连接直流正负母线，三相四线逆变器的输入端以及双向直流-直流变换器的输出端共同连接直流正负母线及中点，双向直流-直流变换器的输入端接超级电容组；
控制系统包括：
-直流输出侧电流检测环节，用于采集三相四线逆变器侧直流母线电流，由电流滤波器和限流器组成，电流滤波器的输入端连接三相四线逆变器侧直流母线，电流滤波器的输出端连接限流器的输入端；
-第一脉动电压控制环节，用于控制直流正母线电压，由第一电压滤波器、第一脉动电压误差计算器、第一脉动电压控制器和第一脉动电压调节限流器)组成，第一脉动电压误差计算器的一个输入端连接参考电压信号Vri_ref，另一个输入端与第一电压滤波器的输出端相连，第一脉动电压误差计算器的输出端与第一脉动电压控制器的输入端相连，第一脉动电压控制器的输出端与第一脉动电压调节限流器的输入端相连相连，第一电压滤波器的输入端为直流正母线电压v1采样端，与直流正母线相连；
-第二脉动电压控制环节，用于控制直流负母线电压，由第二电压滤波器、第二脉动电压误差计算器、第二脉动电压控制器和第二脉动电压调节限流器组成，第二脉动电压误差计算器的一个输入端连接参考电压信号Vri_ref，另一个输入端与第二电压滤波器的输出端相连，第二脉动电压误差计算器的输出端与第二脉动电压控制器的输入端相连，第二脉动电压控制器的输出端与第二脉动电压调节限流器的输入端相连，第二电压滤波器的输入端为直流负母线电压v2采样端，与直流负母线相连；
-第一内环电流控制环节，用于控制双向直流-直流变换器的输入电流，由第二加法器、第一电流误差计算器、第一电流控制器和第一脉宽调制器组成，第二加法器的一个输入端与第一脉动电压调节限流器的输出端相连，第二加法器的输出端与第一电流误差计算器的一个输入端相连，第一电流误差计算器的另一个输入端为双向直流-直流变换器输入电流iBi1采样端，与双向直流-直流变换器的正母线连接端相连，第一电流误差计算器的输出端与第一电流控制器的输入端相连，第一电流控制器的输出端与第一脉宽调制器的输入端相连，第一脉宽调制器输出端输出脉冲驱动信号PWM1，2；
-第二内环电流控制环节，用于控制双向直流-直流变换器的输出电流，由第三加法器、第二电流误差计算器、第二电流控制器和第二脉宽调制器组成，第三加法器的一个输入端与第二脉动电压调节限流器的输出端相连，第三加法器的输出端与第二电流误差计算器的一个输入端相连，第二电流误差计算器的另一个输入端连为双向直流-直流变换器输出电流iBi2采样端，与双向直流-直流变换器负母线连接端相连，第二电流误差计算器的输出端与第二电流控制器的输入端相连，第二电流控制器的输出端与第二脉宽调制器的输入端相连，第二脉宽调制器的输出端输出脉冲驱动信号PWM3，4；
-超容电压控制环节，用于超级电容组的电压调节，由超容电压误差计算器、超容电压控制器和超容电压调节限流器组成，超容电压误差计算器的一个输入端连接参考电压信号VSC_ref，另一个输入端为超级电容组的电压vSC采样端，与超级电容组相连，超容电压误差计算器的输出端与超容电压控制器的输入端相连，超容电压控制器的输出端与超容电压调节限流器的输入端相连；
-第一加法器，用于两个内环电流控制环节参考电流的计算，第一加法器的两个输入端分别与限流器的输出端和超容电压调节限流器的输出端相连，第一加法器的输出端分别与第二加法器的另一个输入端及第三加法器的另一个输入端相连。
本发明的燃料电池发电装置利用双向直流-直流变换器和超级电容组有效平抑直流母线低频电压脉动，取代了传统燃料电池发电装置中大容量的电解电容，因此提高了装置的寿命，增加了装置的可靠性。
附图说明
图1是本发明的燃料电池发电装置构成示意图。
图2是双向直流-直流变换器的一种电路拓扑。
具体实施方式
参照图1，本发明的燃料电池发电装置包括主电路和控制系统；主电路包括燃料电池1，滤波器2，直流-直流变换器3，三相四线逆变器4，双向直流-直流变换器7和超级电容组8，燃料电池1的输出经过滤波器2后接到直流-直流变换器3的输入端，直流-直流变换器3的输出端连接直流正负母线，三相四线逆变器4的输入端以及双向直流-直流变换器7的输出端共同连接直流正负母线及中点，双向直流-直流变换器7的输入端接超级电容组8；图例中，双向直流-直流变换器7是由开关管S1、S2、S3、S4、电感L和电容C1、C2构成的三电平双向Boost电路，或者采用如图2所示的由Boost电路与Buck-boost电路输入端并联，输出端串联构成。
上述的三相四线逆变器4为电容中点三相四线两电平或三电平半桥式逆变器。
控制系统包括：
-直流输出侧电流检测环节，用于采集三相四线逆变器4侧直流母线电流idc，由电流滤波器9和限流器10组成，电流滤波器9的输入端连接三相四线逆变器4侧直流母线，电流滤波器9的输出端连接限流器10的输入端；
-第一脉动电压控制环节，用于控制直流正母线电压，由第一电压滤波器14、第一脉动电压误差计算器15、第一脉动电压控制器16和第一脉动电压调节限流器17组成，第一脉动电压误差计算器15的一个输入端连接参考电压信号Vri_ref，另一个输入端与第一电压滤波器14的输出端相连，第一脉动电压误差计算器15的输出端与第一脉动电压控制器16的输入端相连，第一脉动电压控制器16的输出端与第一脉动电压调节限流器17的输入端相连，第一电压滤波器14的输入端为直流正母线电压v1采样端，与直流正母线相连；
-第二脉动电压控制环节，用于控制直流负母线电压，由第二电压滤波器18、第二脉动电压误差计算器19、第二脉动电压控制器20和第二脉动电压调节限流器21组成，第二脉动电压误差计算器19的一个输入端连接参考电压信号Vri_ref，另一个输入端与第二电压滤波器18的输出端相连，第二脉动电压误差计算器19的输出端与第二脉动电压控制器20的输入端相连，第二脉动电压控制器20的输出端与第二脉动电压调节限流器21的输入端相连，第二电压滤波器18的输入端为直流负母线电压v2采样端，与直流负母线相连；
-第一内环电流控制环节，用于控制双向直流-直流变换器7的输入电流，由第二加法器23、第一电流误差计算器24、第一电流控制器25和第一脉宽调制器26组成，第二加法器23的一个输入端与第一脉动电压调节限流器17的输出端相连，第二加法器23的输出端与第一电流误差计算器24的一个输入端相连，第一电流误差计算器24的另一个输入端为双向直流-直流变换器7输入电流iBi1采样端，与双向直流-直流变换器7正母线连接端相连，第一电流误差计算器24的输出端与第一电流控制器25的输入端相连，第一电流控制器25的输出端与第一脉宽调制器26的输入端相连，第一脉宽调制器26输出脉冲驱动信号PWM1，2驱动双向直流-直流变换器7中的开关管S1和S2；
-第二内环电流控制环节，用于控制双向直流-直流变换器7的输出电流，由第三加法器27、第二电流误差计算器28、第二电流控制器29和第二脉宽调制器30组成，第三加法器27的一个输入端与第二脉动电压调节限流器21的输出端相连，第三加法器27的输出端与第二电流误差计算器28的一个输入端相连，第二电流误差计算器28的另一个输入端连为双向直流-直流变换器输出电流iBi2采样端，与双向直流-直流变换器7负母线连接端相连，第二电流误差计算器28的输出端与第二电流控制器29的输入端相连，第二电流控制器29的输出端与第二脉宽调制器30的输入端相连，第二脉宽调制器30输出脉冲驱动信号PWM3，4驱动双向直流-直流变换器7中的开关管S3和S4；
-超容电压控制环节，用于超级电容组8的电压调节，由超容电压误差计算器11、超容电压控制器12和超容电压调节限流器13组成，超容电压误差计算器11的一个输入端连接参考电压信号VSC_ref，另一个输入端为超级电容组8的电压VSC采样端，与超级电容组8相连，超容电压误差计算器11的输出端与超容电压控制器12的输入端相连，超容电压控制器12的输出端与超容电压调节限流器13的输入端相连；
-第一加法器22，用于两个内环电流控制环节参考电流的计算，第一加法器22的两个输入端分别与限流器10的输出端和超容电压调节限流器13的输出端相连，第一加法器22的输出端分别与第二加法器23的另一个输入端及第三加法器27的另一个输入端相连。
工作原理：
三相四线逆变器4的输出端接负载5和静态开关6，当需要并网运行时通过静态开关6接入电网。
两个脉动电压控制环节分别采样直流正负母线到中点的电压v1和v2，经过第一、第二脉动电压滤波器14和18滤波后仅提取电压中的低频脉动成分，通过第一、第二脉动电压控制器16和20调节，再经过第一、第二脉动电压调节限流器17和21限流后输给两个内环电流控制环节；直流输出侧电流检测环节采样三相四线逆变器侧直流母线电流idc，由电流滤波器9滤除低频成分再经过限流器10限流后输给两个内环电流控制环节；超容电压控制环节采样超级电容组8的电压vSC，经过超容电压误差计算器11和超容电压控制器12再通过超容电压调节限流器13也输给两个内环电流控制环节，利用三个加法器22、23和27将上述三个信号求和后作为两个内环电流控制环节的参考电流iBi1_ref、iBi2_ref，经过第一、第二电流误差计算器24、28和第一、第二电流控制器25、29调节后由第一、第二脉宽调制器26、30分别产生两组独立的驱动信号驱动双向直流-直流变换器中的两组开关管，第一、第二两组脉动电压控制环节相互对称，第一、第二两组内环电流控制环节相互对称。当电网不对称或发电系统三相输出功率不平衡时，仅由两组脉动电压控制环节的电压滤波器14、18分别提取电压的低频脉动成分Vri1、Vri2经过脉动电压控制器16、20调节并限流后作为两个内环电流控制环节的参考电流iBi1_ref、iBi2_ref，通过控制双向直流-直流变换器7调节两个高频电容C1、C2的充放电使得直流正负母线到中点的电压脉动维持在参考电压信号值Vri_ref＝0；当有负载扰动且没有出现电网不对称或发电系统三相输出功率不平衡时，vri1，2＝0，仅由直流输出侧电流检测环节的电流滤波器检测出直流母线电流idc中的高频成分限流后作为两个内环电流控制环节的参考电流iBi1_ref、iBi2_ref，使得发电系统输出功率中的高频成分由双向直流-直流变换器7和超级电容组8来承担；当没有负载扰动且没有出现电网不对称或发电系统三相输出功率不平衡时，vri1，2＝0，idc_HP＝0仅通过超容电压控制环节提供维持超级电容组8电压的充、放电电流ich作为两个内环电流控制环节的参考电流iBi1_ref、iBi2_ref，使超级电容组电压维持在参考电压信号值VSC_ref。
燃料电池发电装置中的双向直流-直流变换器7能够控制直流正负母线到中点的电压，当电网不对称或发电系统三相输出功率不平衡时，平抑直流正负母线到中点的低频电压脉动，取代了传统燃料电池发电装置直流母线上大容量的电解电容；同时双向直流-直流变换器7和超级电容组8能够提供发电系统输出功率中的高频成分，为燃料电池提供能量缓冲，并实现了超级电容的能量管理。

Claims (3)

1.一种燃料电池发电装置，其特征是包括主电路和控制系统；主电路包括燃料电池(1)，滤波器(2)，直流-直流变换器(3)，三相四线逆变器(4)，双向直流-直流变换器(7)和超级电容组(8)，燃料电池(1)的输出经过滤波器(2)后接到直流-直流变换器(3)的输入端，直流-直流变换器(3)的输出端连接直流正负母线，三相四线逆变器(4)的输入端以及双向直流-直流变换器(7)的输出端共同连接直流正负母线及中点，双向直流-直流变换器(7)的输入端接超级电容组(8)；
控制系统包括：
-直流输出侧电流检测环节，用于采集三相四线逆变器(4)侧直流母线电流idc，由电流滤波器(9)和限流器(10)组成，电流滤波器(9)的输入端连接三相四线逆变器(4)侧直流母线，电流滤波器(9)的输出端连接限流器(10)的输入端；
-第一脉动电压控制环节，用于控制直流正母线电压，由第一电压滤波器(14)、第一脉动电压误差计算器(15)、第一脉动电压控制器(16)和第一脉动电压调节限流器(17)组成，第一脉动电压误差计算器(15)的一个输入端连接参考电压信号Vri_ref，另一个输入端与第一电压滤波器(14)的输出端相连，第一脉动电压误差计算器(15)的输出端与第一脉动电压控制器(16)的输入端相连，第一脉动电压控制器(16)的输出端与第一脉动电压调节限流器(17)的输入端相连，第一电压滤波器(14)的输入端为直流正母线电压采样端，与直流正母线相连；
-第二脉动电压控制环节，用于控制直流负母线电压，由第二电压滤波器(18)、第二脉动电压误差计算器(19)、第二脉动电压控制器(20)和第二脉动电压调节限流器(21)组成，第二脉动电压误差计算器(19)的一个输入端连接参考电压信号Vri_ref，另一个输入端与第二电压滤波器(18)的输出端相连，第二脉动电压误差计算器(19)的输出端与第二脉动电压控制器(20)的输入端相连，第二脉动电压控制器(20)的输出端与第二脉动电压调节限流器(21)的输入端相连，第二电压滤波器(18)的输入端为直流负母线电压采样端，与直流负母线相连；
-第一内环电流控制环节，用于控制双向直流-直流变换器(7)的输入电流，由第二加法器(23)、第一电流误差计算器(24)、第一电流控制器(25)和第一脉宽调制器(26)组成，第二加法器(23)的一个输入端与第一脉动电压调节限流器(17)的输出端相连，第二加法器(23)的输出端与第一电流误差计算器(24)的一个输入端相连，第一电流误差计算器(24)的另一个输入端为双向直流-直流变换器(7)输入电流采样端，与双向直流-直流变换器(7)正母线连接端相连，第一电流误差计算器(24)的输出端与第一电流控制器(25)的输入端相连，第一电流控制器(25)的输出端与第一脉宽调制器(26)的输入端相连，第一脉宽调制器(26)输出端输出脉冲驱动信号PWM1，2；
-第二内环电流控制环节，用于控制双向直流-直流变换器(7)的输出电流，由第三加法器(27)、第二电流误差计算器(28)、第二电流控制器(29)和第二脉宽调制器(30)组成，第三加法器(27)的一个输入端与第二脉动电压调节限流器(21)的输出端相连，第三加法器(27)的输出端与第二电流误差计算器(28)的一个输入端相连，第二电流误差计算器(28)的另一个输入端为双向直流-直流变换器输出电流采样端，与双向直流-直流变换器(7)的负母线连接端相连，第二电流误差计算器(28)的输出端与第二电流控制器(29)的输入端相连，第二电流控制器(29)的输出端与第二脉宽调制器(30)的输入端相连，第二脉宽调制器(30)的输出端输出脉冲驱动信号PWM3，4；
-超容电压控制环节，用于超级电容组(8)的电压调节，由超容电压误差计算器(11)、超容电压控制器(12)和超容电压调节限流器(13)组成，超容电压误差计算器(11)的一个输入端连接参考电压信号VSC_ref，另一个输入端为超级电容组(8)的电压vSC采样端，与超级电容组(8)相连，超容电压误差计算器(11)的输出端与超容电压控制器(12)的输入端相连，超容电压控制器(12)的输出端与超容电压调节限流器(13)的输入端相连；
-第一加法器(22)，用于两个内环电流控制环节参考电流的计算，第一加法器(22)的两个输入端分别与限流器(10)的输出端和超容电压调节限流器(13)的输出端相连，第一加法器(22)的输出端分别与第二加法器(23)的另一个输入端及第三加法器(27)的另一个输入端相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电装置，其特征在于双向直流-直流变换器(7)是由开关管(S1、S2、S3、S4)、电感(L)和电容(C1、C2)构成的三电平双向Boost电路，或是Boost电路与Buck-boost电路输入端并联，输出端串联构成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池发电装置，其特征在于三相四线逆变器(4)为电容中点三相四线两电平或三电平半桥式逆变器。
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