CN108701993B - 直流(dc)负载均衡器 - Google Patents

直流(dc)负载均衡器 Download PDF

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Abstract

一种负载均衡系统，包括燃料电池逆变器、直流(DC)负载组和控制器。燃料电池逆变器被配置为接收由燃料电池组件产生的直流电力。直流负载组与燃料电池逆变器并联地连接到燃料电池组件。控制器与燃料电池逆变器及直流负载组进行通信。控制器被配置为识别正被燃料电池逆变器汲取的负载的减少。响应于对负载减少的识别，控制器还被配置为将燃料电池组件产生的直流电力从燃料电池逆变器转移到直流负载组，以防止燃料电池组件的负载循环。

Description

直流(DC)负载均衡器
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年3月2日递交的美国临时专利申请第62/302,265的优先权，该申请的全部内容以引用的方式纳入本申请。
背景技术
燃料电池是通过电化学反应将化学能(诸如储存在烃燃料中的能量)转换成电能的装置。通常，燃料电池包括由电解质隔开的阳极和阴极，电解质用于传导带电离子。诸如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池的高温燃料电池通过在使反应物燃料气体穿过阳极的同时使氧化剂气体(例如，二氧化碳和氧气)通过阴极的方式进行工作。为了产生所需的功率水平，可以串联堆叠多个单独的燃料电池。工作过程中，燃料电池系统可以向诸如电网的负载提供电力。如果这样的负载被意外地从燃料电池系统中移除(例如，电网停机)，则会导致燃料电池系统以热机械应力的形式退化。
发明内容
负载均衡系统包括燃料电池逆变器、直流(DC)负载组和控制器。燃料电池逆变器被配置为汲取燃料电池组件产生的直流电力。直流负载组与燃料电池逆变器并联连接到燃料电池组件。控制器与燃料电池逆变器及直流负载组进行通信。控制器被配置为对正被燃料电池逆变器汲取的负载的减少进行识别。响应于对负载减少的识别，控制器还被配置为将燃料电池组件产生的直流电力从燃料电池逆变器转移到直流负载组，以防止燃料电池组件的负载循环。
上述内容是本公开的概述，因此必然包含细节的简化、概括和省略。因此，本领域技术人员应当理解，本概述仅起说明作用，并不旨在以任何方式进行限制。由权利要求所限定的、本文所述设备和/或过程的其他方面、特征和优点将在本文的详细描述中结合附图进行阐释。
附图说明
图1是根据说明性实施例的燃料电池负载均衡系统的框图。
图2是描述根据说明性实施例的用于在燃料电池系统中进行负载均衡的操作的流程图。
具体实施方式
高温燃料电池系统(例如，熔融碳酸盐燃料电池系统或固体氧化物燃料电池系统)的寿命受到负载循环的不利影响，其中，从燃料电池系统中获取能量的负载的突然减少(或完全消失)可引起负载循环。特别是，燃料电池系统的部件在负载循环情况下会遭受加大的热机械应力。不稳定的电网(即负载)条件可导致发生意外的负载循环，进而导致连接到燃料电池系统的逆变器不慎跳闸。
有助于减少由于逆变器跳闸引起的负载循环影响的一种方法是快速复位逆变器，从而消除燃料电池系统上的大部分或全部热机械应力。在这种情况下有助于减少负载循环影响的另一种方法是改善逆变器的可靠性和电网扰动穿越能力。然而，当燃料电池逆变器由于失灵、长时间的电网扰动等而停机持续一段时间时，这种解决方案是无效的。本文所描述的系统是为了当燃料电池逆变器因不稳定的电网状况、失灵、其他负载故障等而跳闸且无法立即复位时，防止发生负载循环(以及由此产生的系统应力)而设计的。
图1是根据说明性实施例的燃料电池负载均衡系统100的框图。连接到电网125的系统100，包括燃料电池组件105、燃料电池逆变器110、输出变压器115和输出断路器120。系统100还包括寄生负载130、控制器135和直流(DC)负载组140。在替代实施例中，燃料电池负载均衡系统100中可以包括更少的、附加的和/或不同的组件。
在说明性实施例中，燃料电池组件105由一个或多个燃料电池列组成，每个燃料电池列可包括一个或多个燃料电池堆。在另一个说明性实施例中，燃料电池组件105中的燃料电池是熔融碳酸盐燃料电池。在替代实施例中，可以使用不同类型的燃料电池。燃料电池组件105用于生成由燃料电池逆变器110经由总线接收的直流(DC)电力。依据实施方式，燃料电池逆变器110可以是单个逆变器或多个逆变器。在接收到由控制器135产生的直流需求信号时，燃料电池逆变器110将直流电力反转为将被馈送到输出变压器115的交流(AC)电力。输出变压器115将从燃料电池逆变器110接收到的交流电压升高到与电网125兼容的期望值。在替代实施例中，输出变压器108可以降低从燃料电池逆变器110接收的电压。输出断路器120可以用于为了进行维护而将燃料电池负载均衡系统100与电网125断开，以独立操作电网等。
如图1所示，寄生负载130经由总线连接到输出变压器115的输出。这样，寄生负载130能够接收与提供给电网125的相同的升压交流电压。寄生负载130包括鼓风机、过程加热器、水处理单元、加热、通风和空调系统(HVAC)等。
直流负载组140经由将燃料电池组件105连接到燃料电池逆变器110的相同总线，连接到燃料电池组件105的输出(即，直流负载组140连接到燃料电池组件105并与燃料电池组件105和燃料电池逆变器110之间的连接相并联)。在替代实施例中，可使用不同的总线以将燃料电池系统105连接至直流负载组140且连接至燃料电池逆变器110。顾名思义，直流负载组140包括一个或多个直流负载。在燃料电池逆变器110跳闸或失灵的情况下，这些直流负载能够直接从燃料电池组件105汲取直流电力。因此，避免了负载循环和在燃料电池组件105上的相关热机械应力。
直流负载组140可包括本领域技术人员已知的任何直流负载。例如，直流负载组140可包括利用由燃料电池组件105产生的直流电力的实际负载，诸如变频电动机驱动装置，直流照明装置，氢电解器，数据中心服务器等。替代地，直流负载组140可以配置为耗散由燃料电池组件105产生的直流电力，这使得燃料电池组件105能够继续运行，直到燃料电池逆变器110再一次可运行并能够接收直流电力。在存在可用热负载的一种实施方式中，直流负载组140可以是可变电加热器，其被配置为恢复从燃料电池组件105耗散的能量。
在另一个实施例中，如果备份应用程序中存在临界负载，则直流负载组140还可用于将燃料电池堆维持在恒定功率，同时在来自电网125的电力不可用时跟踪负载。另外，对于具有多个逆变器的多个燃料电池系统，可以为每个逆变器实现直流负载组，以保持相同的个性化堆电流控制能力。或者，如果不需要个性化堆电流控制，则具有多个逆变器的燃料电池系统可以利用能够用于所有燃料电池堆的公共负载组。相比于具有与燃料电池组件的每个堆相关联的单独直流负载组，这种公共负载组系统更具成本效益。
控制器135可以是计算机化控制器，其至少包括处理器，存储器，收发器和接口。在一个实施例中，控制器135的存储器可包括存储在其上的计算机可读指令。可通过由处理器执行计算机可读指令来执行本文所述的任何操作。控制器将从传感器接收一个表示燃料电池堆输出电流的信号，该信号将与期望电流设定点进行比较。其差值将输入到比例+积分(PI)控制算法，该算法将对控制器将计算要发送到直流负载组的电流需求信号。因此，PI控制算法将根据需要调节直流负载，以将燃料电池堆电流输出维持在期望的设定点。收发器允许控制器与诸如寄生负载130、燃料电池逆变器110和DC负载组140的其他系统组件通信。该接口允许用户与控制器135交互以输入命令、对单元进行编程、查看状态和其他信息等。
如图1所示，控制器135与燃料电池逆变器110、寄生负载130及DC负载组140进行通信。控制器135配置成对燃料电池逆变器110进行监测和控制。在逆变器110由于任何原因而跳闸的情况下，控制器135确保来自燃料电池组件105的直流电力反而由直流负载组140接收。在说明性实施例中，控制器135还可以控制直流负载组140，使得存在的负载量等于(或基本等于)不再被燃料电池逆变器110汲取的负载量。控制器135还被配置为监测和控制寄生负载130。在一个实施例中，在逆变器跳闸的情况下，可以使用小型逆变器来接收来自燃料电池组件105的全部或部分直流电力，将直流电力反转为交流电力，并将交流电力提供给寄生负载130。因此，在燃料电池逆变器110跳闸的情况下，寄生负载130可以继续接收电力。
图2是描述根据说明性实施例的用于在燃料电池系统中进行负载均衡的操作的流程图。在替代实施例中，可以执行更少的、附加的和/或不同的操作。另外，流程图的使用并不意味着限制所执行操作的顺序。在操作200中，监测燃料电池逆变器。根据实施方式，燃料电池逆变器可以是参考图1讨论的燃料电池逆变器110，或任何其他燃料电池逆变器或多个逆变器。用于检测由逆变器汲取的负载的部分或全部减少量的监测过程可以由诸如控制器135的控制器来执行。
在操作205中，系统识别出燃料电池逆变器正在汲取减少的负载。该识别可以由控制器进行。减少的负载可以是部分地减少的负载或由电网扰动、逆变器故障等引起的零负载条件。在操作210中，系统将燃料电池组件产生的直流电力从燃料电池逆变器转移到直流负载组。这种直流电力的转移响应于识别逆变器正在汲取减少的负载并且用于防止燃料电池组件的负载循环。在说明性实施例中，直流负载组可与燃料电池逆变器并联到燃料电池组件。在至少一些实施例中，转移可以至少部分地由诸如控制器135的控制器执行。
在操作215中，对逆变器是否再次可运行做出决定。由控制器做出的该决定可以基于在直流电力转移到直流负载组后对燃料电池逆变器进行的持续监控。如果在操作215中确定逆变器仍然不可运行，则由燃料电池组件产生的直流电力将被继续转移到燃料电池组。如果在操作215中确定逆变器再次可运行，则在操作220中将由燃料电池组件产生的直流电力转移回逆变器，使得可以开始进行正常运行。这种直流电力转移回燃料电池逆变器的操作也可以由控制器执行。然后，系统继续在操作200中对燃料电池逆变器进行监测。
上述对示例性实施例的描述是为了说明和描述的目的而提出的。它并不旨在穷尽或就公开的确切形式加以限制，并且根据上述说明可以进行修改和改动，也可以在所公开实施例的实践中获得。本发明的范围拟由本发明所附的权利要求及其同等权利要求加以界定。

Claims (19)

1.一种负载均衡系统，包括：
燃料电池逆变器，其被配置为接收由燃料电池组件产生的直流(DC)电力；
直流负载组，其与所述燃料电池逆变器并联地连接到所述燃料电池组件；以及
控制器，其与所述燃料电池逆变器及所述直流负载组通信，其中，所述控制器被配置为：
识别正被所述燃料电池逆变器汲取的负载的减少；
响应于对所述负载减少的识别，将所述燃料电池组件产生的所述直流电力从所述燃料电池逆变器转移到所述直流负载组，以防止所述燃料电池组件的负载循环；
在将所述直流电力从所述燃料电池逆变器转移到直流负载组以后监控所述燃料电池逆变器的状况；
确定所述燃料逆变器再次可运行；以及
基于所述燃料逆变器再次可运行的所述确定，将所述直流电力从所述直流负载组转移回所述直流电池逆变器。
2.根据权利要求1所述的负载均衡系统，其中，所述燃料电池组件包括熔融碳酸盐燃料电池组件。
3.根据权利要求1所述的负载均衡系统，其中，所述燃料电池组件包括一个或多个燃料电池堆。
4.根据权利要求1所述的负载均衡系统，其中，所述燃料电池逆变器包括多个逆变器，并且其中所述直流负载组是单个直流负载组，直流电力从所述多个逆变器转移到所述单个直流负载组。
5.根据权利要求1所述的负载均衡系统，还包括输出变压器，所述输出变压器被配置为升高所接收的电压，其中所述燃料电池逆变器被配置为将由所述燃料电池组件产生的所述直流电力反转为交流(AC)电力，并将所述交流电力馈入所述输出变压器。
6.根据权利要求5所述的负载均衡系统，还包括连接到所述输出变压器的输出断路器，其中所述输出断路器被配置为选择性地将所述负载均衡系统与电网断开连接。
7.根据权利要求5所述的负载均衡系统，还包括连接到所述输出变压器的输出的一个或多个寄生负载，其中所述控制器被配置为对所述寄生负载进行监测和控制使得：响应于对所述负载减少的识别，由所述燃料电池组件产生的至少一部分电力从所述燃料电池逆变器被转移到所述一个或多个寄生负载。
8.根据权利要求1所述的负载均衡系统，其中，所述直流负载组包括一个或多个直流负载，并且其中所述一个或多个直流负载包括变频电动机驱动装置、直流照明装置、氢电解器、数据中心服务器或可变电加热器中的一者或多者。
9.根据权利要求1所述的负载均衡系统，其中，所述控制器包括处理器、存储器、收发器和接口，并且其中所述控制器还被配置为：
从传感器接收表示所述燃料电池组件的输出电流的信号；
将表示所述输出电流的所述信号与期望电流设定点进行比较；以及
基于表示所述输出电流的所述信号和所述期望电流设定点之间的差异来调节所述直流负载组的负载。
10.一种用于均衡燃料电池系统的负载的方法，所述方法包括：
识别正被燃料电池逆变器从燃料电池组件汲取的负载的减少；以及
响应于对所述负载减少的识别，将所述燃料电池组件所产生的直流(DC)电力从所述燃料电池逆变器转移到直流负载组以防止所述燃料电池组件的负载循环；
在将所述直流电力从所述燃料电池逆变器转移到所述直流负载组以后监控所述燃料电池逆变器的状况；
确定所述直流逆变器再次可运行；以及
基于所述直流逆变器再次可运行的所述确定，将所述直流电力从所述直流负载转移回所述燃料电池逆变器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述直流负载组与所述燃料电池逆变器并联地连接到所述燃料电池组件。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述减少的负载包括部分地减少的负载。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述减少的负载包括零负载条件。
14.根据权利要求10所述的方法，其中转移所述直流电力包括：
从传感器接收表示所述燃料电池组件的输出电流的信号；
将表示所述输出电流的所述信号与期望电流设定点进行比较；以及
基于表示所述输出电流的所述信号和所述期望电流设定点之间的差异来调节所述直流负载组的负载。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括：响应于对所述负载减少的识别，将所述燃料电池组件所产生的至少一部分电力从所述燃料电池逆变器转移到一个或多个寄生负载，其中，所述一个或多个寄生负载与所述直流负载组分开。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述燃料电池组件包括一个或多个熔融碳酸盐燃料电池。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述直流负载组包括一个或多个直流负载，并且其中所述一个或多个直流负载包括变频电动机驱动装置、直流照明装置、氢电解器、数据中心服务器或可变电加热器中的一者或多者。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述燃料电池逆变器包括多个逆变器，并且其中转移所述直流电力包括将所述直流电力从所述多个逆变器转移到所述直流负载组。
19.根据权利要求10所述的方法，还包括：
使所述燃料电池逆变器返回正常运行，其中，在正常运行期间，所述燃料电池逆变器将由所述燃料电池组件产生的所述直流电力反转为交流(AC)电力，并将所述交流电力馈送到输出变压器，以在电网上传输所述交流电力。
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