CN108886252B - 具有实际和无功功率模式的燃料电池发电设备 - Google Patents

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Abstract

说明性示例燃料电池发电设备包括电池堆组件，所述电池堆组件具有多个燃料电池，所述多个燃料电池被配置成基于电化学反应来发电。发电设备包括电容器、多个逆变器以及至少一个控制器，所述控制器被配置成在第一模式和第二模式下控制所述多个逆变器。第一模式包括与逆变器中的至少一个逆变器相关联的电池堆组件。电池堆组件和相关联的逆变器在第一模式下向燃料电池发电设备的外部的负载提供实际功率。第二模式包括与电容器相关联的逆变器中的至少第二逆变器。在第二模式下，电容器和逆变器中的第二逆变器选择性地向燃料电池发电设备的外部的电网提供无功功率或从燃料电池发电设备的外部的电网接收无功功率。

Description

具有实际和无功功率模式的燃料电池发电设备
技术领域
本公开一般地涉及燃料电池发电设备。更特别地，本公开涉及具有实际和无功功率模式的燃料电池发电设备。
背景技术
燃料电池是基于电化学反应产生电功率的设备。已知燃料电池发电设备包括具有多个燃料电池的电池堆组件，用于产生期望的电量。
典型的燃料电池发电设备基于电池堆组件的输出产生实际功率。例如，已知的是利用逆变器的集合用于基于由电池堆组件产生的DC功率来提供AC功率输出。
就已知的燃料电池发电设备仅具有无功功率的能力而言，那些通常限于作为静态VAR补偿器来操作。
发明内容
本发明的说明性示例实施例包括具有在实际功率模式和无功功率模式下操作的能力的燃料电池发电设备，在所述无功功率模式中，来自发电设备的唯一功率输出是无功功率。
说明性示例燃料电池发电设备包括电池堆组件，所述电池堆组件具有多个燃料电池，所述多个燃料电池被配置成基于电化学反应来发电。发电设备包括电容器、多个逆变器以及至少一个控制器，所述控制器被配置成在第一模式和第二模式下控制多个逆变器。第一模式包括与逆变器中的至少一个逆变器相关联的电池堆组件。电池堆组件和相关联的逆变器在第一模式下向燃料电池发电设备的外部的负载提供实际功率。第二模式包括与电容器相关联的逆变器中的至少第二逆变器，以选择性地向燃料电池发电设备的外部的电网提供无功功率或从燃料电池发电设备的外部的电网接收无功功率。
操作燃料电池发电设备的说明性示例方法包括在第一模式和第二模式下控制多个逆变器。电池堆组件和至少一个相关联的逆变器被用于在第一模式下向燃料电池发电设备的外部的负载提供实际功率。电容器和逆变器中的至少第二逆变器被用于在第二模式下选择性地向燃料电池发电设备的外部的电网提供无功功率或从燃料电池发电设备的外部的电网接收无功功率。
根据以下详细描述，至少一个公开的示例实施例的各种特征和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见。伴随详细描述的附图可以被简要描述如下。
附图说明
图1示意性地图示了根据本发明的实施例设计的在第一模式下操作的燃料电池发电设备的选择的部分。
图2示意性地图示了在第二模式下操作的图1的燃料电池发电设备。
具体实施方式
例如，本发明的实施例提供了燃料电池发电设备，所述燃料电池发电设备具有产生无功功率作为用于支持本地电网系统的唯一输出的能力。
图1示意性地图示了燃料电池发电设备20的选择的部分。电池堆组件（CSA）22包括基于电化学反应产生电功率的多个燃料电池（未具体图示）。燃料电池可以采取多种形式。例如，一些燃料电池将是磷酸燃料电池，而其他燃料电池将是聚合物电解质膜燃料电池。受益于本说明书的本领域技术人员将能够选择适当类型的燃料电池和CSA布置以满足他们特定的需要。
在一个示例实现中，燃料电池发电设备20是低压系统，因为其提供小于600千瓦的实际功率输出。示例实现包括480千瓦或440千瓦的实际功率输出。
包括多个逆变器24，用于将来自CSA 22的DC电功率转换为实际AC功率，以被提供给燃料电池发电设备20的外部的负载。图示的示例包括至少一个开关26，用于通过DC总线28选择性地将选择的数量的逆变器24与CSA 22耦合。控制器30控制开关26和逆变器24的操作，以实现期望的操作和来自燃料电池发电设备20的输出。控制器30还控制开关32，所述开关32选择性地将与逆变器24相关联的AC总线34耦合到燃料电池发电设备20的输出36。
燃料电池发电设备20还包括电容器38和在40处示意性地示出的与燃料电池发电设备的操作相关联的多个负载。包括在40处的示意性表示中的示例负载包括用于循环冷却剂或反应物的泵和与燃料电池发电设备20相关联的鼓风机。
在图1中，控制器30根据第一操作模式控制逆变器24的操作。在该示例中，第一模式对应于燃料电池发电设备20的实际功率模式。当期望在输出36处提供实际AC功率时，控制器30操作开关26和32以选择性地耦合电池堆组件22与逆变器24中的一个或多个，以在36处提供实际AC功率输出。该示例中的控制器30被编程以使用已知技术控制逆变器，用于在输出36上提供这样的功率。在第一模式下可以提供有限的无功功率。
如在图1中通过虚线示意性地表示的那样，电容器38不涉及在36处提供实际AC功率输出。然而，在第一操作模式期间，有时燃料电池发电设备20经历瞬态负载。例如，当存在与燃料电池发电设备20的外部的负载相关联的功率需求方面的相对突然增加时，或者当存在来自与发电设备20相关联的外部电网的可用功率方面的下降时，这可能发生。在这样的情况下，控制器30控制开关26以使用来自电容器38的功率来提供负载阶跃过渡辅助。在第一操作模式期间，电容器38提供瞬态负载支持。
图2示意性地图示了在第二模式下操作的燃料电池发电设备20，其中在36处的输出仅仅是无功功率。在第二模式下，控制器30控制开关26和32以及逆变器24，使得逆变器24中的至少一个和电容器38在36处提供无功功率输出。CSA 22不被用于在第二模式下向燃料电池发电设备20的外部提供任何电输出。如在图2中通过虚线示意性地表示的那样，在第二操作模式期间，来自CSA 22的输出在40处向燃料电池发电设备的内部的负载提供功率。在一个示例中，存在七个逆变器24，其中所述逆变器24中的第一逆变器在第二模式下使用，用于从CSA 22向在40处的负载提供功率。其他六个逆变器24与电容器38结合使用，用于向燃料电池发电设备20的外部的电网提供无功功率或从燃料电池发电设备20的外部的电网吸收无功功率。
控制器30在第二模式下控制与电容器38相关联的逆变器24的操作，以向燃料电池发电设备20的外部的电网提供无功功率输出或从燃料电池发电设备20的外部的电网吸收无功功率。在两种情况下，通过改变逆变器的相角来控制电容器38电压。
在第二模式下，与CSA 22相关联的DC总线28的部分与和电容器38相关联的DC总线28的部分隔离。控制器30操作开关26以实现DC总线隔离。AC总线34被类似地划分成可操作用于在36处提供电网输出的部分和用于在40处向负载提供功率的另一部分。控制器30操作开关32以实现AC总线34的这样的划分以将基于CSA 22的AC输出与基于电容器38的无功功率输出隔离。
电容器38的包括以及逆变器24和开关26和32的控制允许燃料电池发电设备20在第一实际功率模式下和在第二“仅无功功率”模式（其中来自燃料电池发电设备20的在36处的输出仅仅是无功功率）下操作。
前面的描述在性质上是示例性的而不是限制性的。对本领域技术人员来说，对公开的示例的变化和修改可以变得显而易见，所述变化和修改不一定脱离本发明的本质。给予本发明的法律保护的范围仅可以通过研究以下权利要求来确定。

Claims (12)

1.一种燃料电池发电设备，包括：
包括多个燃料电池的电池堆组件，所述多个燃料电池被配置成基于电化学反应来发电；
电容器；
多个逆变器，用于将来自电池堆组件的DC电功率转换为实际AC功率，以被提供给燃料电池发电设备的外部的负载；以及
至少一个控制器，其被配置成在第一模式和第二模式下控制多个逆变器，
第一模式包括与逆变器中的至少一个逆变器相关联的电池堆组件，所述电池堆组件和所述逆变器中的至少一个逆变器向燃料电池发电设备的外部的负载提供实际功率，
第二模式包括与电容器相关联的逆变器中的至少第二逆变器，所述逆变器中的第二逆变器和电容器选择性地向燃料电池发电设备的外部的电网提供无功功率，其中第二模式的无功功率是来自在第二模式下的燃料电池发电设备的外部的燃料电池发电设备的唯一功率输出，其中电容器是在第二模式下由燃料电池发电设备的外部的燃料电池发电设备供应的无功功率的唯一来源，并且其中控制器控制至少一个开关以将来自电池堆组件的功率输出与第二模式的无功功率输出隔离。
2.如权利要求1所述的燃料电池发电设备，其中，在第二模式下，逆变器中的多于一个与电容器相关联。
3.如权利要求1所述的燃料电池发电设备，其中
第一模式包括与逆变器中的至少一个逆变器相关联的电容器；以及
第一模式包括当存在燃料电池发电设备上的负载需求方面的增加时提供来自燃料电池发电设备的补充功率输出的电容器。
4.如权利要求1所述的燃料电池发电设备，其中实际功率是小于或等于600千瓦的低压功率。
5.如权利要求1所述的燃料电池发电设备，包括：
在电池堆组件和多个逆变器之间的DC总线；并且
其中控制器选择性地控制开关，以将电池堆组件、电容器和多个逆变器中的选择的逆变器分别耦合到DC总线。
6.如权利要求5所述的燃料电池发电设备，包括：
输出，其被配置成被耦合到燃料电池发电设备的外部的负载；
在多个逆变器和输出之间的AC总线；以及
至少一个切换设备，其由控制器来控制以选择性地将逆变器中的选择的逆变器耦合到输出。
7.如权利要求1所述的燃料电池发电设备，其中，第二模式包括与电池堆组件相关联的逆变器中的至少第一逆变器，所述逆变器中的第一逆变器和电池堆组件向燃料电池发电设备的至少一个其他部件提供功率。
8.一种操作燃料电池发电设备的方法，所述燃料电池发电设备包括电池堆组件、电容器和多个逆变器，所述逆变器用于将来自电池堆组件的DC电功率转换为实际AC功率，以被提供给燃料电池发电设备的外部的负载，所述方法包括：
在第一模式和第二模式下控制多个逆变器；
在第一模式下，使用电池堆组件和逆变器中的至少一个相关联的逆变器用于向燃料电池发电设备的外部的负载提供实际功率；
以及
在第二模式下，使用电容器和逆变器中的至少第二逆变器用于选择性地向燃料电池发电设备的外部的电网提供无功功率，
其中第二模式的无功功率是来自燃料电池发电设备的外部的在第二模式下的燃料电池发电设备的唯一功率输出，其中电容器是在第二模式下由燃料电池发电设备的外部的燃料电池发电设备供应的无功功率的唯一来源，并且
其中所述方法进一步包括控制至少一个开关以将来自电池堆组件的功率输出与第二模式的无功功率输出隔离。
9.如权利要求8所述的方法，其中，在第二模式下，逆变器中的多于一个与电容器相关联。
10.如权利要求8所述的方法，包括当存在燃料电池发电设备上的负载需求方面的增加时，在第一模式下，使用电容器和与电容器相关联的逆变器中的至少一个逆变器提供来自燃料电池发电设备的补充功率输出。
11.如权利要求8所述的方法，其中，实际功率是小于或等于600千瓦的低压功率。
12.如权利要求8所述的方法，包括在第二模式下，使用电池堆组件和逆变器中的至少一个相关联的逆变器用于向燃料电池发电设备的至少一个其他部件提供功率。
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