CN103051032A - 燃料电池供电装置和供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃料电池供电装置和供电系统。其中，燃料电池供电装置包括：燃料电池；逆变器；第一变换单元，输入端与燃料电池相连接，输出端与逆变器相连接；第二变换单元，输入端与燃料电池相连接；第三变换单元，输入端与第二变换单元的输出端相连接，输出端与逆变器相连接；充放电储能单元，连接至第一节点；第一输出端，设置在第一节点；第二输出端，设置在逆变器的输出端；以及第一控制单元，用于根据逆变器的输入电压采用闭环控制方式控制第一变换单元和第三变换单元的输出电压。通过本发明，解决了现有技术中同时兼顾燃料电池的转换效率和发电效率的问题，进而达到了同时提高燃料电池的转换效率和发电效率的效果。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，具体而言，涉及一种燃料电池供电装置和供电系统。
背景技术
燃料电池是一种环境友好、高效、长寿命的发电装置。以质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）为例，燃料气体从阳极侧进入，氢原子在阳极失去电子变成质子，质子穿过质子交换膜到达阴极，电子同时经由外部回路也到达阴极，在阴极质子、电子与氧气结合生成水。燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，由于不受卡诺循环的限制其直接发电效率可高达45%。以电池堆为核心发电装置，燃料电池系统集成了电源管理，热管理等模块，具有热、电、水、气统筹管理的特征。燃料电池系统产品从固定式电站，到移动式电源；从电动汽车，到航天飞船；从军用装备，到民用产品有着广泛的应用空间。
燃料电池交直流备用电源，在市电正常或者异常的情况下都可输出高质量的直流电和交流电，可应用于通信基站和为重要设备供能的不间断电源（Uninterruptible PowerSystem，简称UPS）等。以通信基站备用电源系统为例，通信基站在正常情况下由电网供电，在电网电压异常情况下为保证基站继续工作，需要给基站配备备用电源，在断电时为基站中的负载供电，目前常用的备用电源有铅酸蓄电池组和移动油机等。燃料电池交直流备用电源应用于通信电源系统后，其灵活的燃料储备能够保障备用电源运行时间，克服了蓄电池堆体积庞大，性价比低的缺点；同时燃料电池支持高频度的启停机，使用寿命长，克服了铅酸蓄电池更换频繁的缺点；其交流输出可以为基站的空调等保障设备供能，防止基站在高温环境、或者长时间运行后温度过高而引发设备停机、过温保护等一系列的异常情况。类似地，燃料电池交直流备用电源亦可应用于UPS，为银行、证券、医疗等行业的重要设备供电。
燃料电池采用非燃烧的方式将化学能转化为电能，此环节不受卡诺循环的限制，其直接发电效率可高达45%，而后通过合适的功率变换，向最终负载供电，其燃料的综合发电效率与功率变换器的效率直接相关，决定了燃料电池的最终发电成本，因此追求高效率是燃料电池备用电源的目标之一。另一方面由于燃料电池气体供应的方式，使得其瞬态特性差，表现为应对负载功率突变的能力差，负载在一定范围内的功率脉动耦合到燃料电池上，会导致燃料电池发电效率的下降，进而影响燃料电池使用寿命。
现有技术中在利用燃料电池进行供电时，一种控制方法是控制燃料电池通过一级升压功率变换后，再经过逆变得到交流输出，使得系统转换效率高，但是在动态负载的条件下，负载的功率脉动，必然导致燃料电池的输出功率频繁变化，使燃料电池无法在稳态运行，进而不能发挥最大性能，造成燃料电池寿命减短、发电效率降低。另一种控制方法是通过中间储能环节，如通信电源直流母线，虽然能够满足燃料电池的最佳输出特性，保证燃料电池最佳性能的发挥，但是燃料电池输出的直流电压需要经过DC/DC变换为直流母线电压，再经过直流升压，通过逆变器转换为交流输出，经过多级转换，交流逆变输出综合效率低下。还有采用双向变换器抑制正负直流母线电压的低频脉动,使得燃料电池不间断电源系统的可靠性和寿命不再受电解电容可靠性和寿命的限制，提高了燃料电池的发电效率，但是双向变换器的控制复杂、效率相对较低，而且变换器带宽有限，造成燃料电池的转换效率降低。
针对相关技术中无法同时兼顾燃料电池的转换效率和发电效率的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种燃料电池供电装置和供电系统，以解决现有技术中无法同时兼顾燃料电池的转换效率和发电效率的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种燃料电池供电装置，包括：燃料电池；逆变器；第一变换单元，输入端与燃料电池相连接，输出端与逆变器相连接；第二变换单元，输入端与燃料电池相连接；第三变换单元，输入端与第二变换单元的输出端相连接，输出端与逆变器相连接；充放电储能单元，连接至第一节点，其中，第一节点为第二变换单元与第三变换单元之间的节点；第一输出端，设置在第一节点，用于连接直流负载；第二输出端，设置在逆变器的输出端，用于连接交流负载；以及第一控制单元，与第一变换单元的控制端和第三变换单元的控制端分别相连接，用于根据逆变器的输入电压采用闭环控制方式控制第一变换单元和第三变换单元的输出电压。
进一步地，第一控制单元包括：第一控制模块，与第一变换单元的控制端相连接，用于以燃料电池的预设输出电流为基准，采用闭环控制方式控制第一变换单元的输入电流；第二控制模块，与第一变换单元的控制端相连接，用于以第一预设电压为基准，采用闭环控制方式控制第一变换单元的输出电压；以及第三控制模块，与第三变换单元的控制端相连接，用于以第二预设电压为基准，采用闭环控制方式控制第三变换单元的输出电压，其中，第二预设电压小于第一预设电压。
进一步地，燃料电池供电装置还包括：选择单元，其中，第一控制模块和第二控制模块均通过选择单元与第一变换单元的控制端相连接，选择单元用于选中第一控制模块对第一变换单元的输入电流进行控制，或选中第二控制模块对第一变换单元的输出电压进行控制。
进一步地，第一控制模块包括第一误差放大器，第一误差放大器的正向输入端接收燃料电池的预设输出电流，第一误差放大器的反向输入端接收第一变换单元的输入电流，第二控制模块包括第二误差放大器，第二误差放大器的正向输入端接收第一预设电压，第二误差放大器的反向输入端接收逆变器的输入电压，第三控制模块包括第三误差放大器，第三误差放大器的正向输入端接收第二预设电压，第三误差放大器的反向输入端接收逆变器的输入电压，第三误差放大器的输出端与第三变换单元的控制端相连接。
进一步地，第一控制单元还包括：
第四误差放大器，第四误差放大器的正向输入端接收燃料电池的预设输出电流，第四误差放大器的反向输入端接收燃料电池的实际输出电流，第四误差放大器的输出端与第二变换单元的控制端相连接，用于以燃料电池的预设输出电流为基准，采用闭环控制方式控制第二变换单元的输入电流。
进一步地，燃料电池供电装置还包括：第二控制单元，用于对交流负载、直流负载和充放电储能单元的功率进行获取，并按照获取到的功率之和控制燃料电池的输出功率。
进一步地，燃料电池供电装置还包括：滤波单元，与逆变器的输入端相连接。
为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种供电系统，包括本发明上述内容所提供的任一种燃料电池供电装置。
通过本发明，采用包括以下结构的燃料电池供电装置：燃料电池；逆变器；第一变换单元，输入端与燃料电池相连接，输出端与逆变器相连接；第二变换单元，输入端与燃料电池相连接；第三变换单元，输入端与第二变换单元的输出端相连接，输出端与逆变器相连接；充放电储能单元，连接至第一节点，其中，第一节点为第二变换单元与第三变换单元之间的节点；第一输出端，设置在第一节点，用于连接直流负载；第二输出端，设置在逆变器的输出端，用于连接交流负载；以及第一控制单元，与第一变换单元的控制端和第三变换单元的控制端分别相连接，用于根据逆变器的输入电压采用闭环控制方式控制第一变换单元和第三变换单元的输出电压。通过在燃料电池的供电装置中设置两路供电支路，一路由第一变换单元直接连接至逆变器，另一路由第二变换单元和第三变换单元串联后连接至逆变器，同时在第二变换单元和第三变换单元之间设置充放电储能单元，并设置连接至第一变换单元和第三变换单元控制端的第一控制单元，该控制单元以逆变器的输入电压为基准采用闭环控制原理对第一变换单元和第三变换单元的输出电压进行控制，实现了当交流负载需要供电时，逆变器可以直接通过第一变换单元的一级变换获取到燃料电池的供能，达到了提高燃料电池的转换效率；当交流负载的需求存在动态变化时，若交流负载需求较小，则燃料电池的一部分能量直接通过第一变换单元的一级变换传递给逆变器，另一部分能量可以通过第二变换单元后存储在充放电储能单元中；若交流负载需求较大，燃料电池的能量输出通过第一变换单元的一级变换后无法满足负载需要，则逆变器可以通过第三变换单元从充放电储能单元中获取到能量，实现了在负载需求出现功率脉动时，在能量需求小的情况下能够将燃料电池的多余能量存储在充放电充能单元中，在能量需求大的情况下能够从充放电储能单元及时获取到能量补充，实现在控制燃料电池进行一级变换供电的基础上，避免燃料电池的输出功率频繁变化，保证燃料电池稳态运行，进而达到了提高燃料电池寿命和发电效率。解决了现有技术中同时兼顾燃料电池的转换效率和发电效率的问题，进而达到了同时提高燃料电池的转换效率和发电效率的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的燃料电池供电装置的示意图；
图2a是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中燃料电池的输出电流的波形；
图2b是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中第一变换单元的输入电流的波形；
图2c是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中第二变换单元的输入电流的波形；
图3a是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中逆变器的输入电压的波形；
图3b是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中交流负载的功率的波形；
图3c是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中第一变换单元的功率的波形；
图3d是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中第三变换单元的功率的波形；
图4是根据本发明实施例的燃料电池供电装置中选择单元的一种电路图；以及
图5是根据本发明实施例的供电系统的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种燃料电池供电装置，以下对本发明实施例所提供的燃料电池供电装置进行具体介绍：
图1是根据本发明实施例的燃料电池供电装置的示意图，如图1所示，该实施例的燃料电池供电装置包括燃料电池1、逆变器7、第一变换单元3（即，DC/DC4）、第二变换单元2（即，DC/DC3）、第三变换单元5（即，DC/DC2）、充放电储能单元4、第一输出端O1、第二输出端O2和第一控制单元。
具体地，第一变换单元3、第二变换单元2和第三变换单元5均为直流功率变换单元，直流功率变换单元DC/DC3、直流功率变换单元DC/DC4的输入均与燃料电池1的输出相连接；直流功率变换单元DC/DC3的输出与直流功率变换单元DC/DC2的输入、充放电储能单元4分别相连接；逆变器7的输入与直流功率变换单元DC/DC2的输出、直流功率变换单元DC/DC4的输出相连接；第一输出端O1设置在直流功率变换单元DC/DC3的输出端；第二输出端O2设置在逆变器的输出端；第一控制单元与直流功率变换单元DC/DC4的控制端、直流功率变换单元DC/DC2的控制端分别相连接，用于根据逆变器的输入电压采用闭环控制方式控制直流功率变换单元DC/DC4和直流功率变换单元DC/DC2的输出电压。其中，直流功率变换单元DC/DC3，用于将燃料电池的输出电压转换为输出直流母线电压；直流功率变换单元DC/DC4，用于将燃料电池输出直接升压后，作为逆变器的输入，实现一级功率变换，提高稳态能量的转换效率；直流功率变换单元DC/DC2，用于将直流母线电压转换为高压直流输出，作为逆变器的输入电压。
本发明实施例的燃料电池供电装置通过在燃料电池的供电装置中设置两路供电支路，一路由第一变换单元直接连接至逆变器，另一路由第二变换单元和第三变换单元串联后连接至逆变器，同时在第二变换单元和第三变换单元之间设置充放电储能单元，并设置连接至第一变换单元和第三变换单元控制端的第一控制单元，该控制单元以逆变器的输入电压为基准采用闭环控制原理对第一变换单元和第三变换单元的输出电压进行控制，实现了当交流负载需要供电时，逆变器可以直接通过第一变换单元的一级变换获取到燃料电池的供能，达到了提高燃料电池的转换效率；当交流负载的需求存在动态变化时，若交流负载需求较小，则燃料电池的一部分能量直接通过第一变换单元的一级变换传递给逆变器，另一部分能量可以通过第二变换单元后存储在充放电储能单元中；若交流负载需求较大，燃料电池的能量输出通过第一变换单元的一级变换后无法满足负载需要，则逆变器可以通过第三变换单元从充放电储能单元中获取到能量，实现了在负载需求出现功率脉动时，在能量需求小的情况下能够将燃料电池的多余能量存储在充放电充能单元中，在能量需求大的情况下能够从充放电储能单元及时获取到能量补充，实现在控制燃料电池进行一级变换供电的基础上，避免燃料电池的输出功率频繁变化，保证燃料电池稳态运行，进而达到了提高燃料电池寿命和发电效率。解决了现有技术中同时兼顾燃料电池的转换效率和发电效率的问题，进而达到了同时提高燃料电池的转换效率和发电效率的效果。
进一步，第一控制单元可以包括三个控制模块，第一控制模块采用电流控制模式，以燃料电池的预设输出电流Iref为基准，采用闭环控制方式控制直流功率变换单元DC/DC4的输入电流Idc4；第二控制模块采用电压控制模式，以第一预设电压Vfer1为基准，同时参考逆变器7的输入电压Vc，采用闭环控制方式控制直流功率变换单元DC/DC4的输出电压；第三控制模块采用电压控制模块，以第二预设电压Vfer2为基准，同时参考逆变器7的输入电压Vc，采用闭环控制方式控制直流功率变换单元DC/DC2的输出电压，其中，第二预设电压Vfer2小于第一预设电压Vfer1。本发明实施例的燃料电池供电装置还包括选择单元，其中，第一控制模块和第二控制模块均通过选择单元与直流功率变换单元DC/DC4的控制端相连接，选择单元用于选中第一控制模块对直流功率变换单元DC/DC4的输入电流进行控制，或选中第二控制模块对直流功率变换单元DC/DC4的输出电压进行控制。
本发明实施例中各个控制模块的功能可以通过电压型运算放大器、电流型跨导放大器和数字PID控制等来实现，以下以各个控制模块均采用误差放大器（电压型运算放大器或电流型跨导放大器）、选择单元采用二极管与恒流源相配合来进一步说明本发明实施例的燃料电池供电装置：
具体地，第一控制模块包括第一误差放大器22，第二控制模块包括第二误差放大器23，第三控制模块包括第三误差放大器21；选择单元包括恒流源28、二极管26和二极管27。其中，第一误差放大器22的正向输入端接收燃料电池的预设输出电流Iref，燃料电池的预设输出电流Iref包括但不限于根据燃料电池的工作状态的给定或者根据燃料电池的回馈信号的给定，第一误差放大器22的反向输入端接收直流功率变换单元DC/DC4的输入电流Idc4，输入电流Idc4可以通过设置在直流功率变换单元DC/DC4的输入线路上的电流环25来获取。第二误差放大器23的正向输入端接收第一预设电压Vref1，第一预设电压Vref1为输出电压基准给定，第二误差放大器23的反向输入端接收逆变器的输入电压Vc，可以通过将第二误差放大器23的反向输入端与直流功率变换单元DC/DC4的输出、直流功率变换单元DC/DC2的输出相连接来实现接收到逆变器的输入电压Vc。第三误差放大器21的正向输入端接收第二预设电压Vref2，第二预设电压Vref2为输出电压基准给定，并且，Vref2<Vref1，第三误差放大器21的反向输入端接收逆变器的输入电压Vc，同样可以通过将第三误差放大器21的反向输入端与直流功率变换单元DC/DC4的输出、直流功率变换单元DC/DC2的输出相连接来实现接收到逆变器的输入电压Vc，第三误差放大器21的输出端与直流功率变换单元DC/DC4的控制端相连接。恒流源28的输出连接至直流功率变换单元DC/DC4的控制端；二极管26作为第一限位单元，连接在第一误差放大器22的输出端与第二节点之间，其中，第二节点为恒流源28与直流功率变换单元DC/DC4之间的节点，二极管27作为第二限位单元，连接在第二误差放大器23的输出端与第二节点之间。
基于燃料电池供电装置的以上构造说明本发明实施例的燃料电池供电装置的工作原理：
燃料电池供电装置开始投入运行后，燃料电池1产生的能量一部分经由直流功率变换单元DC/DC3输出，另一部分经由直流功率变换单元DC/DC4输出，与第一输出端口相连接的直流负载直接从直流功率变换单元DC/DC3的输出或者充放电储能单元4的输出获取能量；与第二输出端口相连接的交流负载通过逆变器从直流功率变换单元DC/DC4的输出获取能量，或者通过逆变器同时从直流功率变换单元DC/DC4和DC/DC2获取能量，具体地，当某个直流功率变换单元的输入电流大时，该直流功率变换单元能够提供大的能量输出，反之，提供小的能量输出。
当DC/DC4的输入电流小于燃料电池的预设输出电流，即，Idc4<Iref，则误差放大器22输出高电平，二极管26处于截止状态，DC/DC4没有发生输入电流限制；逆变器的输入电压Vc、第一预设电压Vref1和第二预设电压Vref2三者之间满足Vc<Vref2<Vref1，这时逆变器会同时从DC/DC2和DC/DC4获取能量，Vc<Vref1，误差放大器23输出高电平，二极管27处于截止状态，在二极管26和27均处于截止状态时，电流源28的输出电流不断流向DC/DC4的补偿控制端，造成DC/DC4控制端电压升高，以致DC/DC不断从燃料电池获取到更多的电流，使得DC/DC4的输出功率升高，进而造成DC/DC4的输出电压升高，逆变器的输入电压Vc升高，直至Vc达到Vref1，误差放大器23进入线性放大区，深度负反馈，为电流源28提供通路，使得DC/DC4控制端的电压不再持续升高，稳态工作，在Vc升高过程中，一旦Vc大于Vref2，就会造成误差放大器21的输出降低，以致DC/DC2没有能量输出，所以，在Idc4<Iref的情况下，逆变器的能量供应最大程度的来自DC/DC4，保证燃料电池直接经过一级变换后进行供能，提高了转换效率。当Vc达到Vref1后，若交流负载的能量需求进一步增大，由于DC/DC4没有发生限流，DC/DC4能够从燃料电池获取到更多的电流输入，所以，可以通过DC/DC4从燃料电池获取到更多的电流输入来满足交流负载的能量需求，直至DC/DC4的输入电流Idc4达到Iref，二极管26导通，DC/DC4处于限流状态，若交流负载的能量需求继续增大的话，由于DC/DC的输入电流已经达到燃料电池可提供的电流（即Idc4=Iref），所以DC/DC4无法继续通过提高输入电流来提供较大的能量供应，这会造成Vc降低，当Vc降低到小于Vref2时，造成误差放大器21的输出升高，DC/DC2控制端电压升高，以致DC/DC2从充放电储能单元4中获取到能量来补充逆变器的能量需求，实现在负载功率发生动态变化时，能够通过充放电储能模块进行能量补充，以提高发电效率。
从以上描述可以看出，在Idc4<Iref的情况下，逆变器通过DC/DC4即可获取到足够的能量供应，DC/DC2处于非工作状态，此时，由于Idc4<Iref，则燃料电池的输出电流一部分会流向DC/DC3，DC/DC的输入电流Idc3等于燃料电池的实际输出电流与DC/DC4的输入电流之差（即，Idc3=Ifc-Idc4），又由于DC/DC3的后续电路DC/DC2处于非工作状态，所以，流向DC/DC3的这部分电流能够被充放电储能单元4利用，实现充放电储能单元进行充电储能，以便后续DC/DC2处于工作状态时，能够从中获取到能量；在Idc4=Iref的情况下，DC/DC4发生限流，若DC/DC4的能量输出无法满足逆变器的能量需求时，会造成Vc降低，当Vc低于Vref2时，所以DC/DC2自动投入运行从充放电储能单元中获取到补偿能量，提供给逆变器。
从上述工作原理的描述中可以看出，本发明实施例所提供的燃料电池供电装置中，直流功率变换单元DC/DC3与直流功率变换单元DC/DC4的输入电流之和等于燃料电池可提供电流，即跟踪燃料电池的可提供电流，实现了消除对燃料电池不利的低频纹波电流。同时实现了逆变器的能量输入最大程度的来自于直流功率变换单元DC/DC4，最大程度的减少燃料电池到逆变器单元的功率变换次数，提高燃料的综合发电效率。逆变器单元在输出功率峰值、功率突增跃变时，若直流功率变换单元DC/DC4的输入电流达到燃料电池提供电流的限制时，直流功率变换单元DC/DC2从可充放电储能模块取得能量进行实时的补充；对于逆变器单元输出功率谷值、功率突减跃变等情况下，直流功率变换单元DC/DC4的输入电流减少，直流功率变换单元DC/DC3将从燃料电池获取更多能量，在为可充放电储能模块存储能量的同时为直流负载供电，逆变器单元的输入电压基本恒定，容易获得高质量的交流输出。
其中，本发明实施例中的交流输出不限于交流电压等级，不限于单相输出或者三相输出；逆变器不限于逆变拓扑电路结构及其逆变控制方式及其输出波形；充放电储能单元包含且不仅限于铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、超级电容等，在采用燃料电池供电装置的供电系统中的网侧电压异常的情况下，充放电储能单元释放能量为直流负载供能；充放电储能单元通过功率变换单元DC/DC2升压后再通过逆变器单元为交流负载供能；同时充放电储能单元为燃料电池单元供能，准备燃料电池的启动。当燃料电池投入运行后，充放电储能单元进行充电储能。
在本发明实施例中，各个直流功率变换单元的功率拓扑结构包括但不限于隔离型、非隔离型开关变换结构，以DC/DC3采用非隔离Boost升压结构，采用峰值电流模结构；DC/DC2、DC/DC4采用隔离型升压结构；直流负载电压-48V；燃料电池输出电流设定值60A，燃料电池电压为42V；交流负载为纯阻性功率因数接近1，平均功率1.6kW；直流负载1kW为例，在本发明实施例的附图中，图2a示出了燃料电池的输出电流的波形，图2b示出了直流功率变换单元DC/DC4的输入电流的波形，图2c示出了直流功率变换单元DC/DC3的输入电流的波形，结合图2a至图2c，可见直流功率变换单元DC/DC4的输入电流Idc4与直流功率变换单元DC/DC3的输入电流Idc3的累加值（即燃料电池的实际输出电流Ifc）很好地跟踪了燃料电池的输出电流设置值60A。图3a示出了逆变器的输入电压的波形，图3b示出了交流负载的功率的波形，图3c示出了直流功率变换单元DC/DC4的功率的波形，图3d示出了直流功率变换单元DC/DC2的功率的波形，结合图3a至图3d，可见交流输出功率最大程度来自直流功率变换单元DC/DC4，提高了交流输出的效率，仅考虑交流负载情况下的燃料电池发电后的功率变换综合效率高达92%。
此外，本发明实施例中所提供的选择单元还可以通过二极管与电压源、限流电阻、光耦相配合的方式来实现，图4中示出了选择单元采用二极管与电压源、限流电阻相配合方式的电路图，如图4所示，光耦隔离芯片U9、电阻R1和Rc、电容Cc、电压源V5C以及二极管26和27组成选择单元，该选择单元的工作原理与上述选择单元（包括电流源28以及二极管26和27）的工作原理相同，此处不再赘述。其中，图4中示出的误差放大器22，23上的电阻和电容起到闭环补偿的作用（即，闭环控制中的PI调节器）。选择单元还可以通过数字PID控制器来实现，控制器对输入的采样电压（或采样电流）和参考电压（或参考电流）进行数字PID运算后，输出对应的控制信号至直流功率变换单元的控制端，实现对直流功率变换单元的调节。
进一步地，本发明实施例所提供的燃料电池供电装置的第一控制单元还包括第四误差放大器20，第四误差放大器20的正向输入端接收燃料电池的预设输出电流Iref，第四误差放大器20的反向输入端接收燃料电池的实际输出电流Ifc，第四误差放大器的输出端与直流功率变换单元DC/DC3的控制端相连接，用于以燃料电池的预设输出电流为基准，同时参考燃料电池的实际输出电流，采用闭环控制方式控制第二变换单元的输入电流。
优选地，本发明实施例所提供的燃料电池供电装置中的燃料电池包括燃料电池堆、燃料电池发电控制系统、辅助设备（Balance of Plant，简称BOP，也叫辅机，可能包括电磁阀、质量流量计、空气泵等）单元等，本发明实施例所提供的燃料电池供电装置还包括第二控制单元，具体地，该第二控制单元可以为功率监控单元9，功率监控单元9对充放电储能单元4的功率PM、第一输出端口的输出功率（即直流输出功率）PDC和第二输出端口的输出功率（即交流输出功率）PAC分别进行监测获取，并按照获取到的功率之和控制燃料电池的输出功率，即，产生与获取的功率之和相对应的功率需求指令，并按照功率需求指令供应燃料最终产生电能，其中，功率监控单元控制燃料电池的输出功率PFc≈PM+PDC+PAC，精确地，可以控制PFc=PM+PDC+PAC，上述根据燃料电池的工作状态或者根据燃料电池的回馈信号给定燃料电池的预设输出电流Iref即是指：由燃料电池的输出功率PFc决定燃料电池的预设输出电流Iref，简单来讲，当控制燃料电池的输出功率PFc大时，预设输出电流大，反之，则小，理想情况下，燃料电池的预设输出电流Iref的大小与燃料电池的输出功率PFc的大小满足：Iref＝kPFc，其中，k为比例系数，k值的具体取值由燃料电池的性能决定。
本发明实施例的燃料电池供电装置通过对各输出功率和储能功率进行监控获取，并按获取到的功率之和来控制燃料电池的功率输出，实现了根据供电装置的功率需求来控制燃料电池提高能量，以使燃料电池稳态运行，提高燃料电池的寿命。
此外，本发明实施例所提供的燃料电池供电装置还包括滤波单元，该滤波单元可以为连接在逆变器的输入端的储能电容器6，用于储能滤波，提供逆变器所能的能量的存储，在本发明实施例中，储能电容器6包括但不限于电解电容、薄膜电容和超级电容等。
本发明实施例还提供了一种供电系统，该供电系统包括本发明实施例上述内容所提供的任一种燃料电池供电装置，图5是根据本发明实施例的供电系统的示意图，如图5所示，该实施例的供电系统还包括市电交流电源10、有源功率因数校正（ActivePower Factor Correction，简称APFC）单元11、第四变换单元12（直流功率变换单元DC/DC1）和旁路开关13，本发明实施例上述内容所提供的燃料电池供电装置的第二输出通过旁路开关13接入供电系统的交流输出，第一输出接入供电系统的直流输出，该供电系统的工作原理为：
在网侧市电正常的情况下，有源功率因数校正APFC单元、直流功率变换单元DC/DC1为直流负载供能的同时为充放电储能单元充电或者补足充电；交流负载通过交流旁路开关单元采用市电直接供能；亦可由市电通过有源功率因数校正APFC单元，而后由逆变器单元逆变成交流输出的方式供能。在网侧电压异常的情况下，有源功率因数校正APFC单元和直流功率变换单元DC/DC1停止运行，充放电储能单元释放能量为直流负载供能；充放电储能单元通过功率变换单元DC/DC2升压后再通过逆变器单元为交流负载供能；同时充放电储能单元为燃料电池单元供能，准备燃料电池的启动。当燃料电池投入运行后，工作原理与本发明实施例上述内容所提供的燃料电池供电装置的原理相同，此处不再赘述。
从以上的描述中，可以看出，本发明通过闭环控制环路采用闭环控制的控制原理、根据交流负载的功率脉动而发生动态调整的，实现了逆变器的输入能量最大程度的来自一级变换单元，达到了提高转换效率；并且在负载功率发生动态变化时，能够通过充放电储能模块进行能量补充或蓄电，达到了提高发电效率。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种燃料电池供电装置，其特征在于，包括：
燃料电池；
逆变器；
第一变换单元，输入端与所述燃料电池相连接，输出端与所述逆变器相连接；
第二变换单元，输入端与所述燃料电池相连接；
第三变换单元，输入端与所述第二变换单元的输出端相连接，输出端与所述逆变器相连接；
充放电储能单元，连接至第一节点，其中，所述第一节点为所述第二变换单元与所述第三变换单元之间的节点；
第一输出端，设置在所述第一节点，用于连接直流负载；
第二输出端，设置在所述逆变器的输出端，用于连接交流负载；以及
第一控制单元，与所述第一变换单元的控制端和所述第三变换单元的控制端分别相连接，用于根据所述逆变器的输入电压采用闭环控制方式控制所述第一变换单元和所述第三变换单元的输出电压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池供电装置，其特征在于，所述第一控制单元包括：
第一控制模块，与所述第一变换单元的控制端相连接，用于以所述燃料电池的预设输出电流为基准，采用闭环控制方式控制所述第一变换单元的输入电流；
第二控制模块，与所述第一变换单元的控制端相连接，用于以第一预设电压为基准，采用闭环控制方式控制所述第一变换单元的输出电压；以及
第三控制模块，与所述第三变换单元的控制端相连接，用于以第二预设电压为基准，采用闭环控制方式所述控制所述第三变换单元的输出电压，其中，所述第二预设电压小于所述第一预设电压。
3.根据权利要求2所述的燃料电池供电装置，其特征在于，所述燃料电池供电装置还包括：
选择单元，其中，所述第一控制模块和所述第二控制模块均通过所述选择单元与所述第一变换单元的控制端相连接，所述选择单元用于选中所述第一控制模块对所述第一变换单元的输入电流进行控制，或选中所述第二控制模块对所述第一变换单元的输出电压进行控制。
4.根据权利要求3所述的燃料电池供电装置，其特征在于，
所述第一控制模块包括第一误差放大器，所述第一误差放大器的正向输入端接收所述燃料电池的预设输出电流，所述第一误差放大器的反向输入端接收所述第一变换单元的输入电流，
所述第二控制模块包括第二误差放大器，所述第二误差放大器的正向输入端接收所述第一预设电压，所述第二误差放大器的反向输入端接收所述逆变器的输入电压，
所述第三控制模块包括第三误差放大器，所述第三误差放大器的正向输入端接收所述第二预设电压，所述第三误差放大器的反向输入端接收所述逆变器的输入电压，所述第三误差放大器的输出端与所述第三变换单元的控制端相连接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池供电装置，其特征在于，所述第一控制单元还包括：
第四误差放大器，所述第四误差放大器的正向输入端接收所述燃料电池的预设输出电流，所述第四误差放大器的反向输入端接收所述燃料电池的实际输出电流，所述第四误差放大器的输出端与所述第二变换单元的控制端相连接，用于以所述燃料电池的预设输出电流为基准，采用闭环控制方式控制所述第二变换单元的输入电流。
6.根据权利要求1所述的燃料电池供电装置，其特征在于，所述燃料电池供电装置还包括：
第二控制单元，用于对所述交流负载、所述直流负载和所述充放电储能单元的功率进行获取，并按照获取到的功率之和控制所述燃料电池的输出功率。
7.根据权利要求1所述的燃料电池供电装置，其特征在于，所述燃料电池供电装置还包括：
滤波单元，与所述逆变器的输入端相连接。
8.一种供电系统，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的燃料电池供电装置。
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