CN108964115B - 燃料电池电力系统的直流耦合电力电子系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有均能够向公用电网提供电力的燃料电池和涡轮发电机的系统以及用于运行该系统的方法。系统具有可耦合到公用电网的主AC总线。燃料电池通过逆变器耦合到主AC总线。涡轮发电机通过一系列逆变器耦合到主AC总线，燃料电池通过其中一个逆变器连接到主AC总线。可以为燃料电池、涡轮发电机提供一个或多个负载组。

Description

燃料电池电力系统的直流耦合电力电子系统
本申请是与2017年5月24日提交的标题为“AC Coupled Power ElectronicsSystem for a Fuel Cell Power System(燃料电池电力系统的交流耦合电力电子系统)”的美国专利申请第15/604,407号同时提交的，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及燃料电池发电设备(power plant)中的电力电子控制系统。这些燃料电池发电设备可以具有能够向电力分配系统供电的燃料电池和涡轮发电机。
背景技术
燃料电池系统可以用于为各种应用产生电力。这些应用的例子可以包括从小型家用电器到向国家电网提供电力的大型工业发电设备。
燃料电池系统在设计和功能上也有所不同。尽管所有的燃料电池在组合燃料源和氧化剂源以释放电子的电化学反应中发电，但是向燃料电池电极提供燃料和氧化剂以及燃料和氧化剂如何组合的特定系统或方法可以与另一个系统完全不同。一种这样的燃料电池系统可以利用涡轮发电机的压缩机来加压氧化剂(例如空气)，由此在氧化剂入口和排出口之间产生压差以迫使氧化剂流过燃料电池系统。在燃料电池电化学反应中未使用的氧化剂和燃料可以结合并燃烧以提供可以通过涡轮机膨胀的高温和高压流体。由涡轮机提取的能量可用于驱动(旋转)压缩机。涡轮机产生的能量超过压缩机所需部分的能量可用于给发电机供电。来自该发电机的电力可以与燃料电池系统的电输出结合。另外，发电机可以被配置作为电动机运行，该电动机汲取电力来旋转涡轮发电机的涡轮机和压缩机。
上述的燃料电池、涡轮发电机系统可用于可向国家电网或其它大规模电力分配系统供电的大型燃料电池发电设备。大型电力分配系统的挑战是由其它发电设备、电力分配设备和电力负载的相互作用引致的，所有这些都可能影响电力分配系统的运行状况。如果电力分配系统的运行状况超出了与其连接的燃料电池发电设备的安全运行限制，则可能需要将燃料电池发电设备与电力分配系统快速隔离，以防止损坏燃料电池发电设备。然而，燃料电池电化学反应不能像燃料电池发电设备从电力分配系统断开那样迅速地停止，由此存在由于其中产生的多余能量而导致燃料电池内部损坏的风险。此外，燃料电池系统可能需要在关闭(或者在启动时受热)时以精确和受控的方式冷却，以防止由于例如燃料电池阳极的不受控制的氧化而导致的损坏。控制燃料电池系统的冷却速率的一种方法可以是控制氧化剂通过燃料电池的流动。在如上所述的燃料电池发电设备中，这些因素由于燃料电池系统和涡轮发电机之间的机械和电的相互作用而变得复杂。
仍需要改进解决前述困难的系统和方法。
发明内容
本申请公开了所附权利要求书和/或以下特征中记载的一个或多个特征，其单独或以任何组合可包括可专利主题。
根据本公开的一些实施例，提供了一种电力系统。电力系统可以包括：主AC总线，变压器，开关装置，燃料电池，负载组，涡轮发电机，备用发电机，不间断电源(UPS)和控制系统。主AC总线可以通过变压器和开关装置与电力分配系统(EPDS)电耦合。燃料电池可具有可通过燃料电池逆变器电耦合到主AC总线的DC输出总线。负载组可以电耦合到主AC总线。涡轮发电机可具有通过机器逆变器电耦合到燃料电池DC输出总线的AC输出总线。备用发电机可以具有电耦合到主AC总线的AC输出总线。UPS可以电耦合到主AC总线，并且控制系统电耦合到UPS。
根据本公开的一些实施例，提供了一种操作具有燃料电池系统和涡轮发电机的发电设备的方法，燃料电池系统和涡轮发电机均能够向EPDS提供电力。如果发电设备连接到EPDS，则该方法可以包括：以发电模式操作燃料电池以向EPDS提供电力，以发电模式操作涡轮发电机以向EPDS提供电力或以发电机从燃料电池DC输出总线汲取电力的电动机运行模式来操作涡轮发电机，并通过从发电设备的主AC总线汲取电力来操作发电设备的控制系统。如果发电设备与EPDS断开连接，则燃料电池可以以发电模式运行，以便如果涡轮发电机在电动机运行模式下运行则向主AC交流总线和涡轮发电机提供电力，涡轮发电机可以运行在向主AC总线提供电力的发电模式中，控制系统可以通过从主AC总线汲取电力来操作，并且负载组可以从主AC总线汲取电力。
根据本公开的一些实施例，提供了一种操作具有燃料电池和涡轮发电机的发电设备的方法，燃料电池和涡轮发电机均能够向EPDS提供电力。如果燃料电池不向EPDS提供电力并且发电设备连接到EPDS，则涡轮发电机可以以发电模式运行以向EPDS提供电力，或者以涡轮发电机从EPDS汲取电力的电动机运行模式运行，并且发电设备控制系统可以从主AC总线获取电力。如果燃料电池不提供电力并且发电设备与EPDS断开连接，则涡轮发电机可以以发电模式运行并且向主AC总线提供电力，或者以涡轮发电机从主AC总线汲取电力的电动机运行模式运行，备用发电机可以被操作以向主AC总线供电，控制系统可以通过从主AC总线汲取电力来操作，并且如果涡轮发电机在发电模式下运行的话，可以提供负载组以从主AC总线汲取电力。
根据本公开的一些实施例，提供了一种电力系统。该系统可以包括：主AC总线，具有DC输出总线的燃料电池，燃料电池逆变器，燃料电池负载组，具有AC输出总线的涡轮发电机，机器逆变器，电网逆变器，涡轮发电机负载组，具有AC输出总线的备用发电机，UPS和控制系统。主AC总线可以通过变压器和开关装置连接到公用电网。燃料电池DC输出总线可以通过燃料电池逆变器连接到主AC总线。燃料电池负载组可以连接到主AC总线。涡轮发电机AC输出总线可以通过机器逆变器和电网逆变器连接到主AC总线。备用发电机AC输出总线可以连接到主AC总线。UPS可以连接到主AC总线并且可以被配置为向控制系统提供电力。该系统可以进一步包括涡轮发电机负载组。
根据本公开的一些实施例，提供了一种操作具有燃料电池和涡轮发电机的发电设备的方法，燃料电池和涡轮发电机均能够向公用电网提供电力。如果发电设备连接到公用电网，则该方法可以包括以发电模式操作燃料电池以向公用电网提供电力，以发电模式操作涡轮发电机以向公用电网提供电力或者操作涡轮发电机处于涡轮发电机从主AC总线汲取电力的电动机运行模式，并且通过从主AC总线汲取电力来操作发电设备的控制系统。如果发电设备与公用电网断开连接，则该方法可以包括在发电模式下操作燃料电池以向主AC总线提供电力，以发电模式操作涡轮发电机以向涡轮发电机负载组提供电力，或者以从燃料电池汲取电力的电动机运行模式操作涡轮发电机，提供涡轮发电机负载组，其可以从涡轮发电机汲取电力，通过从燃料电池汲取电力来操作控制系统，并且提供燃料电池负载组以从主AC总线汲取电力。
根据本公开的一些实施例，提供了一种操作具有燃料电池和涡轮发电机的发电设备的方法，燃料电池和涡轮发电机均能够向公用电网提供电力。如果燃料电池不提供电力并且发电设备连接到公用电网，则该方法可以包括：以发电模式操作涡轮发电机以向公用电网提供电力，或以涡轮发电机从公用电网汲取电力的电动机运行模式运行涡轮发电机，并操作发电设备的控制系统，其中控制系统从公用电网汲取电力。如果燃料电池没有发电并且发电设备与公用电网变为断开连接，则该方法可以包括：以发电模式操作涡轮发电机以向涡轮发电机负载组提供电力，或者在涡轮发电机从备用发电机汲取电力的电动机运行模式中操作涡轮发电机，提供涡轮发电机负载组以在涡轮发电机工作于发电模式的情况下从涡轮发电机汲取电力，操作备用发电机以在操作于电动机运行模式时向涡轮发电机提供电力，备用发电机还向控制系统提供电力，并操作控制系统，所述控制系统从备用发电机汲取电力。
通过详细阅读权利要求书、附图和以下对优选实施例的详细描述，本发明主题的这些和许多其它优点对于本公开所属领域的技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
图1是根据本公开一些实施例的电力系统的示意图。
图2是根据本公开一些实施例的耦合到电力分配系统的电力系统的示意图。
图3是根据本公开一些实施例的耦合到电力分配系统的电力系统和向电力分配系统提供电力的燃料电池的示意图。
图4是根据本公开一些实施例的耦合到电力分配系统的电力系统以及向电力分配系统提供电力的燃料电池和涡轮发电机的示意图。
图5是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的燃料电池的示意图。
图6是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的燃料电池和涡轮发电机的示意图。
图7是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的备用发电机的示意图。
图8是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的备用发电机和涡轮发电机的示意图。
图9是根据本公开一些实施例的电力系统的运行状态流程图。
图10是根据本公开一些实施例的电力系统的示意图。
图11是根据本公开一些实施例的电力系统的示意图。
图12是根据本公开一些实施例的耦合到电力分配系统的电力系统和向电力分配系统提供电力的燃料电池的示意图。
图13是根据本公开一些实施例的耦合到电力分配系统的电力系统和向电力分配系统提供电力的燃料电池以及涡轮发电机的示意图。
图14是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的燃料电池的示意图。
图15是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统以及向电力系统提供电力的燃料电池和涡轮发电机的示意图。
图16是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的备用发电机的示意图。
图17是根据本公开一些实施例的从电力分配系统解耦的电力系统和向电力系统提供电力的涡轮发电机和备用发电机的示意图。
图18是根据本公开一些实施例的电力系统的运行状态流程图。
虽然本公开容许各种修改和替代形式，但是在附图中通过示例示出了特定实施例，并且将在此详细描述。然而，应该理解的是，本公开不旨在限于所公开的特定形式。相反，本公开将覆盖落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的所有修改、等同和替代。
具体实施方式
为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考在附图中示出的多个实施例，并且将使用特定的语言来描述这些实施例。
根据本公开的一些实施例，图1中示出电力系统100。电力系统100可以包括：主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关装置(switch gear)108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130。
主AC总线102可以通过变压器106和开关装置108与EPDS 104电耦合。在一些实施例中，附加部件例如断路器(breaker)和断开器(disconnect)可以电耦合在主AC总线102和EPDS 104之间。这些附加部件可以为主AC总线102、与其电耦合的部件或两者提供进一步的耦合和保护功能。主AC总线102和与其连接的设备可以被配置为支持三相AC电力。
电力分配系统(EPDS)104可以是国家或地区电网。在一些实施例中，EPDS 104可以是其中多个电力发电机、电力传输设备、电力负载或前述的任何组合电耦合的任何系统。
变压器106可以将电流从一个电压变换成另一个。在一些实施例中，变压器106可以将主AC总线102的三相AC电压变换成EPDS 104的不同的三相AC电压。另外，变压器106可以将主AC总线102的电压与EPDS 104的电压隔离。虽然示出了单个部件，但变压器106可包括能够提供变压器106的功能的多个变压器、其它部件或两者。另外，虽然变压器106被示出为位于主AC总线102和开关装置108之间，但应该认识到，变压器106和开关装置108相对于彼此以及主AC总线102和EPDS 104的位置可以改变。
例如，在电网状况异常的情况下，开关装置108能够将燃料电池发电设备的电力系统与EPDS 104断开连接(或解除耦合)。相反地，例如在正常电网状况期间，开关装置108能够将燃料电池发电设备的电力系统连接(或耦合)到EPDS 104。当开关装置108将燃料电池发电设备与EPDS电断开时，开关装置108可以被描述为处于打开位置；当开关装置108将燃料电池发电设备电连接到EPDS 104时，开关可以被描述为处于闭合位置。
尽管开关装置108被表征为开关，但普通技术人员将会理解，开关装置108可以包括可用于将燃料电池发电设备与EPDS 104电连接和断开连接的任何部件或多个部件。
燃料电池110可以是任何特定类型的燃料电池。在一些实施例中，燃料电池110可以是固体氧化物燃料电池。燃料电池110可以包括多个燃料电池，每个燃料电池包括阳极、阴极和电解质。燃料(例如：甲烷，天然气，H2，CO等)可以与阳极处的氧化剂(例如，从环境空气中提取或形成环境空气的一部分的氧)组合以释放电子并形成可以包括水的反应产物。这些电子可以通过一个或多个互连而行进到阴极，在这些互连处电子使氧化剂电离。电离的氧化剂然后可以穿过固体氧化物电解质，该固体氧化物电解质可以是流体燃料和氧化剂不可渗透的。多个燃料电池可以以各种串联、并联或二者组合的方式排列，以产生最终的系统电压、电流和功率。在一些实施例中，燃料电池110可以进一步包括电压调节器转换器(例如，DC转换器)，诸如美国专利申请第14/914,982号中所描述的(该申请的公开内容通过引用并入本文)，其改进了对燃料电池110可能被包括在其中的多个燃料电池的输出的管理。该生成的电力可最终被提供给EPDS 104。
DC输出总线112提供燃料电池110和逆变器114之间的电耦合。另外，DC输出总线112提供与逆变器122的电耦合。虽然图1中示出了DC输出总线112仅作为电连接，但普通技术人员将会理解，图1是简图。除了提供上述连接之外，DC输出总线112可以包括一个或多个断路器、开关、仪表或用于仪表的连接、或任何其它部件，以便于适当、安全和有效的操作。
逆变器114提供DC输出总线112和主AC总线102之间的电连接(耦合和去耦合)和AC到DC或DC到AC的转换。提供给逆变器114的DC电力可以通过逆变器114转换成AC电力。当燃料电池发电设备电连接到EPDS 104(又称“电网相关模式”)时，逆变器114可以使转换的DC电力(来自DC输出总线112)的AC电压和相位与EPDS 104电压和相位同步(主AC总线102电压和相位可以被配置为匹配EPDS 104电压和相位)，同时控制由DC输出总线112的DC电力转换产生的AC电流、AC有功功率、无功功率或两者、或者前述的任何组合。当燃料电池发电设备与EPDS 104电断开(又称“电网独立模式”)时，逆变器114可以与上述特征相分开或除上述特征之外，独立地控制从DC输出总线112的电力转换而来的AC输出电压和相位。此外，逆变器114可以具有保护功能，例如电流限制(最大值，最大长持续时间，最大短持续时间)、DC链路电压限制(其可以在～500-800V DC的范围内，并且在一些实施例中为～100-2500V DC)、频率变化限制等。
尽管在图1中示出了逆变器114作为单个部件，但普通技术人员将会理解，图1是简图。逆变器114可以包括根据需要配置以执行如上所述逆变器114的功能的多个电子部件。
负载组116可以被电连接(耦合)到主AC总线102。负载组116可以用于在燃料电池发电设备必须从EPDS 104快速断开的情况下消耗多余的电力。在一些情况下，燃料电池发电设备必须以比燃料电池110、涡轮发电机118或两者可被关闭或减少电力输出更快的方式与EPDS 104解除耦合。在燃料电池110、涡轮发电机118或两者仍在发电的情况下，必须消耗该功率，因为通过EPDS 104提供的电负载不再耦合到燃料电池发电设备。该多余的功率被负载组116消耗。
负载组116可以是飞轮组、电容器组、电阻器组、电池组、或前述的组合，或能够消耗由燃料电池发电设备产生的超额功率的任何其它电负载。使用飞轮组、电容器组、电池组或其组合的一个优点可以是，当燃料电池发电设备与EPDS 104重新耦合或用于为燃料电池发电设备的负载供电(例如，电动机运行(motoring)涡轮发电机118或为控制系统130供电)时，可以重新获得(recoup)多余电能的机械、电或化学存储。
在一些实施例中，负载组116可以直接耦合到DC输出总线112。
涡轮发电机118可以类似于上述的涡轮发电机。例如，涡轮发电机118可以包括通过轴以合适的布置连接的压缩机、涡轮机和发电机。压缩机可吸入并加压来自环境空气或其它来源的氧化剂，以驱动燃料电池110和相关系统内的空气和流体流。然后，加压的氧化剂可以流过氧化剂入口和排出管线，以向燃料电池110提供氧化剂以及从燃料电池110去除氧化剂。在一些实施例中，压缩机可以被配置为加压其它流体源，例如还原气体或惰性气体，以用于燃料电池110、其它支持系统或两者。从燃料电池110排出的氧化剂可以与来自燃料电池110或其它燃料源的未使用的燃料结合，并且燃烧以提供加热的排出流体。在一些实施例中，可以控制燃烧的排出氧化剂和未使用的燃料的量以实现具有必要特性的流体流，以在通过涡轮机汲取时提供期望的能量。在一些实施例中，很少或没有所排出的氧化剂和未使用的燃料可以被燃烧，相反，排出的流体流可能足以驱动涡轮机达到期望的工作输出(例如，用以驱动燃烧器、提供电力、或两者)。该加热的排出流体可用于在进入燃料电池110之前为恢复(recuperating)或其它热交换功能提供燃料、氧化剂或两者。加热的排出流体还可通过涡轮发电机118的涡轮机膨胀，以提供轴功以旋转压缩机。涡轮机可以机械地耦合到发电机以产生电力。当涡轮发电机118的涡轮机和发电机的旋转能量被发电机转换成电力时，涡轮发电机118可以以“发电模式”运行。
在一些实施例中，涡轮发电机118的发电机可以被配置成作为电动发电机(motor-generator)运行，使得外部电源可以被施加到发电机。施加的电力可以转换成发电机的旋转能量，并且因此也转换成涡轮发电机118的旋转能量。涡轮发电机118操作的这种模式可以被称为“电动机运行模式(motoring mode)”。在电动机运行模式中，涡轮发电机118的旋转被传递到涡轮发电机118的压缩机，以对氧化剂或其它流体源加压，以供燃料电池110使用。在一些实施例中，涡轮发电机118的涡轮机可与发电机、压缩机或两者解耦合，以便减少在电动机运行模式中旋转压缩机所需的能量。
AC输出总线120可以电连接(耦合)到涡轮发电机118。AC输出总线120提供例如电线、电缆、总线排或其组合的结构，其提供涡轮发电机118和逆变器122之间的电连接。虽然AC输出总线120在图1中示出仅作为电连接，但普通技术人员将会理解，图1是简图。除了提供前述连接之外，AC输出总线120可以包括一个或多个断路器、开关、仪表或用于仪表的连接、或任何其它部件，以便于适当、安全和有效的操作。
逆变器122可以提供AC输出总线120和DC输出总线112之间的电耦合和电转换。例如，当涡轮发电机118正在产生电力并将电力提供给AC输出总线120时，逆变器122可以将该交流电力转换为直流电力以施加到DC输出总线112。该转换可能需要控制转换后的直流电压。当涡轮发电机118以电动机运行模式运行时，逆变器122可以将来自DC输出总线112的DC电力转换成AC电力，并将AC电力提供给AC输出总线120。
逆变器122也可以用于控制涡轮发电机118的速度或置于其上的转矩。控制发电机118的涡轮速度还可以不管涡轮发电机118的操作模式如何而直接或间接地控制压缩机的速度。如上所述，压缩机提供氧化剂或其它流体，用于燃料电池110的电化学反应，并且作为控制燃料电池110的温度和温度变化率(例如，加热或冷却)以及与燃料电池110或其支持系统有关的其它功能的手段。燃料电池110和涡轮发电机118的机械和电气互操作以及燃料电池发电设备和EPDS 104的电耦合可以由包括图1中公开的一个或多个部件的电力系统来管理。
备用发电机124可以是例如柴油机、汽油机、天然气或其它发电机。在一些实施例中，备用发电机124可以是风力发电机或太阳能发电机。如本领域技术人员将理解的那样，包括备用发电机124的特定类型的部件可以是适合于发电的任何类型，可以是任何类型的适合的发电、转换或存储装置，其能够满足在电网故障事件的情况下系统设计的可用性限制，以及在燃料电池冷却和其它系统设计标准期间具有足够的能力来给控制系统130和电动涡轮发电机118供电。应该理解，备用发电机124可以包括不同类型的多个部件以满足上述系统设计标准。
备用发电机124可以在异常运行条件的情况下向燃料电池发电设备提供补充电力。例如，如果燃料电池发电设备未耦合到EPDS 104，则备用发电机可以提供电力来源。在一些实施例中，当涡轮发电机118正在发电时，燃料电池110可能不发电。在这种情况下可以使用备用发电机124以向发电设备控制系统130提供稳定的电力来源。虽然涡轮发电机118能够向控制系统130提供一些电力，但是由涡轮发电机118产生的电力的可用性和量可能变化。涡轮发电机118也可能需要以受控方式提供能量来旋转压缩机，以提供燃料电池110的安全冷却(或加热或其它操作)。除了为控制系统130提供稳定的电力，由备用发电机124产生的电力可以为逆变器122提供电力，以便当以电动机运行模式运行时为涡轮发电机118供电。
在一些实施例中，备用发电机124可能不向AC输出总线126提供电力。然而，这并不意味着备用发电机可能不以某种方式操作。例如，备用发电机124可以用于预热或冷却操作、维护、或其中没有AC电力从备用发电机124提供到AC输出总线126的其它操作。在一些实施例中，备用发电机124可将电力提供给与主AC总线102电断开的AC输出总线126。
AC输出总线126可以将备用发电机124耦合到主AC总线102。如上所述，对于AC输出总线120和DC输出总线112，图1示出了电力系统100的简化图。AC输出总线126可以包括提供附加功能的附加部件。
提供不间断电源(UPS)128以将控制系统130电耦合到主AC总线102。另外，UPS 128提供在来自其它源的电力中断(例如，EPDS 104、燃料电池110、涡轮发电机118、备用发电机124或前述任意组合的故障)期间使用的电能的存储。UPS 128还可以在电力源的转换期间或者在来自其它源的电力不可用的任何时间向控制系统130提供连续的电力。UPS 128还可以调节(例如，控制电压、相位等)控制系统130所汲取的电力。UPS 128可以是电池，可以是化学、电或机械的，或被配置为提供上述功能的其它部件。
UPS 128可以从主AC总线102汲取电力。主AC总线上的电力可以由EPDS 104、燃料电池110、涡轮发电机118、备用发电机124、负载组116、或这些或其它部件的组合来提供。
控制系统130(其也可以被称为“设备的平衡”)可以被配置为控制、监控电力系统100中的每个部件并且与电力系统100中的每个部件通信，以用于系统的安全操作。另外，控制系统130可以向系统100中的各种部件提供电力，包括图1中未示出的其它部件。例如，控制系统130可以控制如下部件的操作：阀，加热器，泵，远程操作断路器和开关，灯，仪表(温度，压力，流量等)，锁，自动或手动远程保护系统，和可以增强燃料电池发电设备的安全或有效运行的其它部件。控制系统130可以被配置为控制用于支持电力系统100操作的多个子系统的上列和其它部件的操作。
根据本公开的一些实施例，电力系统200在图2中示出。电力系统200可以包括主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130，其可以类似于如上所述的主AC总线102及电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关装置108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130。
如图2所示，主AC总线102可以电耦合到EPDS 104。该电耦合可以通过开关装置108处于闭合位置来实现。EPDS 104可以向主AC总线102以及与其直接或间接电耦合的部件提供电力。燃料电池110可能不产生电力、向DC输出总线112提供电力、或两者。涡轮发电机118可以以“电动机运行模式”运行，其中发电机用作电动机(motor)，使得涡轮发电机118将电能转换为涡轮发电机118的涡轮机和压缩机的旋转能量。在电动机运行模式中，涡轮发电机118可以从DC输出总线112汲取电力。在一些实施例中，涡轮发电机118的涡轮可通过例如离合器从发电机断开，使得仅压缩机旋转，从而节能。涡轮发电机118的压缩机可以旋转以加压氧化剂或供燃料电池110用于其中的电化学反应的其它流体，用于加热或冷却操作，或用于一些其它燃料电池系统操作或支持系统运行。备用发电机124可能不向AC输出总线126提供电力。备用发电机124可能正在为某些其它操作或原因而操作。在一些实施例中，备用发电机124可以向没有电耦合到主AC总线102的AC输出126提供电力。在任一实施例中，由备用发电机124产生的任何电力不可用于驱动涡轮发电机118的电动机运行(motoring)，也不提供电力给控制系统130或给UPS 128充电。UPS 128可以从主AC总线102汲取电力并向控制系统130提供电力。虽然UPS 128和控制系统130所汲取的电力之间可能存在暂时的不平衡，但这些所汲取电力的平均值将使得UPS 128能够重新充电并保持准备就绪的满态。
箭头136和138分别示出了从EPDS 104到控制系统130和涡轮发电机118的电力的流动。来自EPDS 104的电力通过开关装置108和变压器106流向主AC总线102。电力从主AC总线102流向UPS 128和逆变器114。电力从UPS 128被提供给控制系统130。电力从逆变器114被转换成直流并且被供应到DC输出总线112。然后，来自DC输出总线112的电力被逆变器122转换成交流电力。转换的交流电力可以被用于以高速驱动涡轮发电机118的永磁同步电动机。在该转换中，可以控制AC电流、电压和相位以实现涡轮发电机118的压缩机的期望转速，从而控制燃料电池110的氧化剂(或其它流体)的加压和流动。在一些实施例中，燃料电池110还可以从DC输出总线112汲取DC电流。
虽然在上面的图2中示出和描述了箭头，并且在下面的许多图中，这些箭头表示可能的电流和这些流的方向，但可能不表示每个可能的电流，也不一定表示同时流动的能力。相反，如本领域普通技术人员将认识到的，部件之间的电力的特定流动由这些部件相对于彼此的电参数驱动。例如，虽然图3(下面描述)可以显示从EPDS 104到UPS 128的功率流以及从燃料电池110到EPDS 104的功率流，但普通技术人员将认识到，燃料电池110也可以向UPS 128提供电力，以及去往和来自EPDS和主AC总线102的流可能不会同时发生。同样，这些图示的流代表了可能不同时发生的一些可能的电流路径和方向。
根据本公开的一些实施例，电力系统300在图3中示出。电力系统300可以包括主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130，其可以类似于如上所述的主AC总线102及电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关装置108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130。
如图3所示，主AC总线102可以电耦合到EPDS 104。EPDS 104可以向主AC总线102和与其直接或间接电耦合的部件提供电力。燃料电池110可以产生DC电力并向DC输出总线112提供DC电力。涡轮发电机118可以从DC输出总线112汲取电力。备用发电机124可以不将AC电力提供给AC输出总线126。UPS 128可以从主AC总线102汲取电力。
由燃料电池110产生的电力可以被提供给DC输出总线112。如箭头144所示，电力可以从DC输出总线112流向逆变器114。逆变器114可以将电力从DC转换成AC电力，以便匹配可以放置在主AC总线102上的EPDS 104的电压和相位。尽管转换的AC电力的电压和相位可以与EPDS 104的AC电力相容，但逆变器114还可以控制所得到的转换的AC电力的有功功率和无功功率。转换的AC电力然后可以流向主AC总线102，并且流向控制系统130、EPDS 104或者二者。对于流向控制系统130的电力，该电力在到达控制系统130之前通过UPS 128。对于流向EPDS 104的电力，该电力在到达EPDS 104之前通过变压器106和开关装置108。
来自EPDS 104的电力也可以流入电力系统300。例如，在一些实施例中，来自EPDS104的电力可以经由UPS 128和主AC总线102流到控制系统130。通过箭头140示出了该电力流。
来自DC输出总线112的电力也可以经由逆变器122流向涡轮发电机118，如箭头142所示。逆变器122可以将DC输出总线112上的DC电力转换为AC输出总线120的所需的电压、电流和相位，以使涡轮发电机118的涡轮机、压缩机和发电机以期望的速度旋转。发电机的永磁同步电动机可高速驱动涡轮发电机118，使得涡轮发电机118的压缩机可持续为燃料电池系统供应加压氧化剂或其它流体。
根据本公开的一些实施例，电力系统400在图4中示出。电力系统400可以包括主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130，其可以类似于如上所述的主AC总线102及电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关装置108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130。
如图4所示，主AC总线102可以电耦合到EPDS 104，这可以通过开关装置108处于闭合(或“导通”)位置来实现。EPDS 104可以向主AC总线102以及与其直接或间接电耦合的部件提供电力。当主AC总线102连接到EPDS 104时，AC电力能够在主AC总线102和EPDS 104之间流动，如箭头152和146所示。如图4所示，这种配置将允许从主AC总线102向UPS供电，其可以由涡轮发电机118、燃料电池110、备用发电机124、EPDS 104或前述的某些组合产生。在一些实施例中，负载组116可以被配置为向主AC总线102和与其电耦合的部件供应电力。
燃料电池110可以通过先前描述的燃料电池电化学反应产生电力，并由此向DC输出总线112提供DC电力，如箭头148所示。涡轮发电机118可以通过涡轮机使燃烧的燃料电池反应产物膨胀来产生电力，从而向AC输出总线120提供AC电力。备用发电机124不向AC输出总线126提供AC电力。UPS 128从主AC总线102汲取电力。
如上所述，由涡轮发电机118产生的AC电力可以经由逆变器122从AC输出总线120传输到DC输出总线112。该电力流由箭头150示出。逆变器122将涡轮发电机118产生的AC电力转换为DC输出总线112所需的DC电力。在该转换期间，逆变器122可以控制由该转换产生的DC电压、电流或两者。DC输出总线112上的DC电力可以是燃料电池110和涡轮发电机118的组合输出。该DC电力可以通过逆变器114传输到主AC总线102。该电力流通过箭头152示出。逆变器114可以将DC电力转换成与主AC总线102上的电压和相位兼容的AC电压和相位。主AC总线102可以电耦合到EPDS 104，并且因此由逆变器114转换的电压和相位可以与EPDS 104的电压和相位兼容。虽然调节该转换后的电压以与EPDS 104的电压和相位相容，但是逆变器可以控制来自燃料电池110和涡轮发电机118的输出的转换的有功功率和无功功率。然后，所转换的电力可用于供应EPDS 104并因此供应所附的负载。
备用发电机124可能不向AC输出总线126提供电力。然而，这并不意味着备用发电机可能不以某种方式运行。例如，备用发电机124可以用于预热或冷却操作、维护、或其中没有AC电力从备用发电机124提供到AC输出总线126的其它操作。在一些实施例中，备用发电机124可将电力提供给与主AC总线102电断开的AC输出总线126。
UPS 128可以电耦合到主AC总线102并且从主AC总线102汲取电力。由UPS 128汲取的电力可以源自涡轮发电机118、燃料电池110、EPDS 104、备用发电机124(如果连接到主AC总线102并向其提供电力)、或这些电源的某种组合。
继而，控制系统130从UPS 128汲取电力。为了将UPS 128保持在满容量，由控制系统130汲取的平均电力可以小于由UPS 128汲取的平均电力。
根据本公开的一些实施例，电力系统500在图5中示出。电力系统500可以包括主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130，其可以类似于如上所述的主AC总线102)及电力分配系统(EPDS)104、变压器106、开关装置108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130。
如图5所示，因为开关装置108可处于开路(或“关断”)位置，所以主AC总线102可以不电耦合到EPDS 104。燃料电池110可以产生DC电力并且将产生的电力提供给DC输出总线112。负载组116可以从主AC总线102汲取电力。涡轮发电机118可以从DC输出总线112汲取电力。备用发电机可以不向AC输出总线126提供电力。UPS可从主AC总线102汲取电力。
由于可能对燃料电池发电设备造成一定威胁的EPDS 104的故障或一些其它状况，主AC总线102可能从EPDS 104断开，并且因此燃料电池发电设备可能从EPDS 104断开以作为保护措施。在一些实施例中，燃料电池发电设备可能需要从EPDS 104快速断开以确保该保护措施有效。在一些实施例中，由于可能对EPDS 104造成安全危害的与燃料电池发电设备相关的故障或其它状况，燃料电池发电设备可能需要从EPDS 104断开。同样，通过断开开关装置108而快速断开燃料电池发电设备与EPDS 104的连接，可以解决该危害。
当开关装置108以快速方式断开时，与电动机运行涡轮发电机118和为控制系统130供电所需的电力相比，燃料电池110可能产生过多的电力。该多余的电力可以通过燃料电池发电设备被消耗，从而避免了燃料电池系统中其它地方的燃料电池中电化学反应所需的燃料的燃烧，从而避免产生不必要的热量。为了消耗这种多余的电力，负载组116可以电耦合到燃料电池发电设备的主AC总线102并从其中汲取电力。在一些实施例中，负载组116消耗的电力量等于由燃料电池110产生的电力与由电动机运行涡轮发电机118、操作控制系统130和可能存在于系统500中的电损耗之间的差。
在一些实施例中，燃料电池110产生的电力可以在开关装置108断开之后降低，使得负载组116所消耗的电力量减少。燃料电池110的电力输出可以降低到这样的点，使得由燃料电池110产生的电力大致与电动机运行涡轮发电机118(以供应用于燃料电池110的电化学反应的氧化剂，以提供用于加热或冷却燃料电池110的氧化剂或其它流体流，或这些或其它操作的组合)和为控制系统130供电所需的电力相同。
在一些实施例中，负载组116可以包括存储由燃料电池系统110产生的多余电力的能力，使得该电力可以用作备用电源的额外源，可以在燃料电池发电设备重新连接到EPDS104时使用，或两者。
所得到的电力流在图5中示出。箭头154示出了可由燃料电池110产生并供应给DC输出总线112的电力。该电力可以在发送到涡轮发电机118的电力和发送到主AC总线102的电力之间分开，分别如箭头156和158所示。发送到涡轮发电机118的电力可以经由逆变器122从DC输出总线112传递到AC输出总线120。逆变器122可以将DC输出总线112上的DC电力转换成用于AC输出总线120的AC电力。在该转换期间，逆变器122可将DC电力转换为所需AC电压和相位，以使涡轮发电机118以足以满足燃料电池110的气流需求的速度旋转。
DC电力也可以经由逆变器114从DC输出总线112传输到主AC总线102。逆变器114可以控制所得到的经过转换的AC电力的电压、相位以及有功功率和无功功率。因为主AC总线102不再电耦合到EPDS 104，所以可能需要逆变器114来控制所转换的电力的电压和相位，并且没有其它部件可控制主AC总线102上的电力的这些电特性。AC电力可以在主AC总线102上流动到负载组116和UPS 128，分别如箭头162和160所示。
根据本公开的一些实施例，电力系统600在图6中示出。电力系统600可以包括：主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130；其可以类似于如上所述的：主AC总线102及电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关装置108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130。
如图6所示，主AC总线102可以与EPDS 104电分离。燃料电池110可以产生电力并将该电力提供给DC输出总线112。负载组116可以从主AC总线汲取电力。涡轮发电机118可以产生电力并将该电力提供给AC输出总线120。备用发电机124可以不产生电力、向AC输出总线126提供电力、不向主AC总线102提供电力，或前述的组合。UPS 128可以从主AC总线102汲取电力。
图6中所示的电力的一些流可以对应于图5所示的那些流。例如，由燃料电池110产生的电力可以如箭头164所示流向DC输出总线112，对应于箭头154的流。该对应可以是电力流的总体方向、流的总电力、或者这些特征的组合。类似地，箭头168可以对应于箭头158，箭头170可以对应于箭头160，并且箭头172可以对应于箭头162。
在图5和图6中所示的实施例之间的一个区别在于，涡轮发电机118可以如箭头166所示产生流向DC输出总线112的电力。该流从AC输出总线120上的AC电力被逆变器122转换为DC输出总线112的DC电力。逆变器122可以被配置为将AC输出总线120上的AC电力转换为用于DC输出总线112上的特定电压的DC电力。由逆变器122执行的特定转换还可以控制置于涡轮发电机上的转矩，从而有助于控制涡轮发电机118的速度，并由此控制由于压缩机与涡轮发电机118的连接而流入燃料电池110的氧化剂或其它流体的量。
另一个区别是提供给主AC总线102的总电力是由燃料电池110和涡轮发电机118产生的电力的组合。因此，负载组116所消耗的电力可以是等于由燃料电池110和涡轮发电机118产生的电力与由UPS 128和控制系统130消耗的电力加上系统中的任何其它损耗之间的差。
在涡轮发电机118由燃烧产物通过涡轮机膨胀驱动的情况下，由涡轮发电机118产生的电力可以大于操作燃料电池发电设备所需的电力。给定涡轮发电机118和燃料电池110的上述相互关联的机械(例如，涡轮发电机118向燃料电池110供应空气)和电(例如，涡轮发电机118和燃料电池110的组合电力输出)操作，负载组116可能需要消耗由涡轮发电机118和燃料电池110两者产生的一部分电力，使得这些部件可以安全地互操作。
根据本公开的一些实施例，电力系统700在图7中示出。电力系统700可包括：主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130；其可以类似于如上所述的：主AC总线102及电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关装置108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130。
如图7所示，主AC总线可以与EPDS 104电分离。燃料电池110可以不产生电力、向DC输出总线112提供任何产生的电力、或两者。涡轮发电机118可以从主AC总线102汲取电力并且以电动机运行模式运行。备用发电机124可以产生并向主AC总线102提供电力。UPS 128可以从主AC总线102汲取电力。
燃料电池110可能由于某种原因(例如，燃料流量损失、氧化剂流量损失、或两者，燃料电池110应该与燃料电池发电设备的其余部分隔离的电气问题，燃料电池110可能正在启动或关闭)或出于某种其它原因，而不产生电力或不向DC输出总线112提供电力。尽管燃料电池110可能没有向燃料电池发电设备的其余部分提供电力，但是涡轮发电机118的压缩机可以向燃料电池提供氧化剂或其它流体的流以用于热平衡、加热、冷却或其它燃料电池系统操作。用于以电动机运行模式运行涡轮发电机118的电力可以由备用发电机124提供。在一些实施例中，运行涡轮发电机118的电力可以由UPS 128、负载组116、或者这二者的某些组合来提供，可能与备用发电机124结合或分开。备用发电机124也可以用于向UPS 128提供电力，其继而向控制系统130提供稳定的电力供应。在一些实施例中，负载组116也可以向UPS 128提供电力。
这些电力流在图7中示出。箭头174表示备用发电机124向AC输出总线126和主AC总线102提供产生的电力。从主AC总线102，电力可以如箭头176所示流向涡轮发电机118。流到涡轮发电机118的电力可以流过逆变器114，逆变器114将主AC总线102上的交流电转换成直流电以施加到DC输出总线112。DC输出总线112上的直流电然后可以经逆变器122流向AC输出总线120。逆变器122可以被配置为在AC输出总线120上提供所需的电流、电压、相位、有功功率或无功功率、或其组合，以便控制涡轮发电机118的转速，由此实现由涡轮发电机118的压缩机引起的通过燃料电池110的氧化剂或其它流体的合成流动。
电力也可以从主AC总线102流向UPS 128。UPS可以向控制系统130提供电力的连续供应。
根据本公开的一些实施例，电力系统800在图8中被图示。电力系统800可以包括：主AC总线102和电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源(UPS)128和控制系统130；其可以类似于如上所述的：主AC总线102及电力分配系统(EPDS)104，变压器106，开关装置108，燃料电池110，DC输出总线112，逆变器114，负载组116，涡轮发电机118，AC输出总线120，逆变器122，备用发电机124，AC输出总线126，不间断电源)128和控制系统130。
如图8所示，主AC总线102可以不电耦合到EPDS 104。燃料电池110可以不产生电力、向DC输出总线112提供电力、或两者。涡轮发电机118可以产生电力并将该电力提供给AC输出总线120。负载组116可以从主AC总线102汲取电力。备用发电机124可以产生电力并经由AC输出总线126将该电力提供给主AC总线102。UPS 128可以从主AC总线102汲取电力并向控制系统130提供电力。
由于类似于上述的原因，燃料电池110可能不产生或不向DC输出总线112提供电力。虽然燃料电池110可能不提供电力，但仍可向燃料电池110提供氧化剂或其它流体，以用于启动、关闭、加热、冷却或以安全的方式操作燃料电池110所需的其它操作。该流体的流动可以由涡轮发电机118经由压缩机提供，该压缩机将氧化剂或其它流体加压并供应到燃料电池110。随着燃料电池110中的流量需求降低，压缩机可能需要向燃料电池110提供较低流量的氧化剂或其它流体、压缩较小的氧化剂或其它流体、或两者。这些较低的流量或较低的压缩可以通过减慢涡轮发电机118的压缩机的旋转来实现。因此，涡轮发电机118的电输出可随时间变化。涡轮发电机118的这种变化的电输出可以在某一点达到涡轮发电机118可能不再被依赖的水平以向UPS 128并且从那里向控制系统130提供稳定的电力供应。在一些实施例中，可以从涡轮发电机118汲取电力以便使涡轮减速。
为了避免由于缺乏来自涡轮发电机118的恒定电力供应而可能出现的问题，备用发电机124可以开始提供电力。不具有与燃料电池110机械互操作的备用发电机124不具有与涡轮发电机118相同的外部操作要求，并且因此可以向UPS 128和控制系统130提供更可靠的电力来源。
负载组116可以被配置为汲取等于由涡轮发电机118和备用发电机124产生的电力与由UPS 128汲取的电力量和任何系统损失之间差值的电力量。一旦备用发电机124向主AC总线102供电，负载组116就可以开始从主AC总线102汲取电力。在一些实施例中，备用发电机124的启动可以基于预期时间，在该预期时间，涡轮发电机118可能不再能够提供恒定的电力供应以便随着UPS 128连续地向控制系统130供电而保持UPS 128充电。在一些实施例中，备用发电机124可以在上述时点之前向主AC总线102供电。在此期间，负载组116可以汲取与由涡轮发电机产生并置于主AC总线上的电力相等的电力量。以这种方式，可以为系统需求通过使用负载组来平衡流量。
电力的流动在图8中示出。涡轮发电机118产生一些电力，该电力通过逆变器122从AC输出总线120提供到DC输出总线112，然后从DC输出总线112通过逆变器114到达主AC总线102，如箭头180所示。在主AC总线102处，该电力可以如箭头182所示流向UPS 128、负载组116或二者。箭头184表示由负载组116从主AC总线102汲取的电力，并且箭头188表示由UPS128从主AC总线汲取的电力。如箭头186所示，备用发电机124经由主AC总线102和AC输出总线126向UPS 128提供电力。如图8所示，涡轮发电机118和备用发电机124都可以被配置为向UPS 128供电。由涡轮发电机118以及可能的备用发电机124产生的过剩电力也可以由负载组116汲取。
根据本公开的一些实施例，图9中示出了根据本公开的一些实施例的用于电力系统的运行状态流程图900。电力系统可以类似于如上所述的电力系统100、200、300、400、500、600、700和800。
基于电力系统的一个或多个部件的运行状态，运行状态流程图900示出了可能的最终运行状况以及流入和流出电力系统部件的电力。例如，电力系统中的各种部件的运行状态和流入流出的电力流取决于电力系统燃料电池(方框190)、电力分配系统(方框1106和192)以及涡轮发电机(方框1114、1108、1100和194)的运行状态。
如果燃料电池(FC)正在发电并且没有故障(方框190“否”分支)，则电力系统可以基于电力分配系统(方框192)和涡轮发电机(方框194和1100)的运行状况而具有四种可能的运行状态(方框196、198、1102和1104)。例如，如果电力系统(也被称为发电设备或燃料电池发电设备)电耦合到电力分配系统(方框192，“否”分支)，则燃料电池可以以发电模式运行，该发电模式提供电力到电力分配系统(如上所述)，控制系统可以通过从主AC总线汲取电力(如上所述)来操作，并且负载组可以从主AC总线断开。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向电力分配系统提供该电力(如上所述)。该运行状态由框198指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从DC输出总线汲取电力(如上所述)。该操作状态由框196指示。
如果燃料电池正在发电并且没有故障(方框190“否”分支)，并且如果电力系统(也被称为发电设备或燃料电池发电设备)与电力分配系统解除耦合(框192，“是”分支)，燃料电池将以向主AC总线供电的发电模式操作(如上所述)，控制系统将通过从主AC总线汲取电力来操作(如上所述)，并且负载组可以电耦合到主AC总线并且从主AC总线汲取电力(如上所述)。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向主AC总线提供该电力(如上所述)。该操作由框1104指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从DC输出总线汲取电力(如上所述)。该操作状态由框1102指示。负载组可以汲取等于由燃料电池产生的电力、由涡轮发电机产生的任何电力与由控制系统汲取的电力、由涡轮发电机汲取的任何电力和任何电力损失之间的差的电力量。
如果燃料电池没有发电、有故障或两者兼具(方框190“是”分支)，则电力系统可以具有四种可能的运行状态(方框1110、1112、1116和1118)，其基于电力分配系统(方框1106)和涡轮发电机(方框1108和1114)的运行状态。例如，如果电力系统(也称为发电设备或燃料电池发电设备)电耦合到电力分配系统(方框1106，“否”分支)，则燃料电池将不会以向电力分配系统供电的发电模式运行(如上所述)，控制系统将通过从主AC总线汲取电力(如上所述)而操作，并且负载组将从主AC总线断开(如上所述)。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向电力分配系统提供该电力(如上所述)。该操作由框1112指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从DC输出总线汲取电力(如上所述)。该操作状态由框1110指示。
如果燃料电池不发电、有故障或两者兼具(方框190“是”分支)，并且如果电力系统(也称为发电设备或燃料电池发电设备)与电力分配系统电断开(方框1106，“是”分支)，燃料电池将不会以向主AC总线供电的发电模式运行(如上所述)，控制系统将通过从主AC总线汲取电力而运行(如上所述)，负载组将电耦合到主AC总线并从主AC总线汲取电力(如上所述)，并且备用发电机将向主AC总线提供电力(如上所述)。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向主AC总线提供该电力(如上所述)。该操作由框1118指示。如果涡轮发电机在电动机运行模式下操作，则涡轮发电机将从DC输出总线汲取电力(如上所述)。该运行状态由框1116指示。负载组可以汲取等于由备用发电机和涡轮发电机产生的任何电力与由控制系统、涡轮发电机汲取的电力和系统损失之间的差的电力量。
根据本公开的一些实施例，图10中示出电力系统1000。电力系统1000可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)(其可以被称为公用电网)1004，变压器1006，开关(其可以被称为开关装置)1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034。主AC总线1002、电力分配系统1004、变压器1006、开关装置1008、燃料电池1010、DC输出总线1012、逆变器1014、第一负载组1016、涡轮发电机1018、AC输出总线1020、逆变器1022、备用发电机1028、AC输出总线1030、不间断电源(UPS)1032和控制系统1034可以类似于如上所述的主AC总线102、电力分配系统104、变压器106、开关装置108、燃料电池110、DC输出总线112、逆变器114、负载组116、涡轮发电机118、AC输出总线120、逆变器122、备用发电机124、AC输出总线126、不间断电源(UPS)128和控制系统130。
主AC总线1002可以通过变压器1006和开关装置1008与EPDS 1004电耦合或电连接。在一些实施例中，附加部件，例如断路器和断开器可以电耦合在主AC总线1002和EPDS1004之间。这些附加部件可以为主AC总线102、与其电耦合的部件或两者提供进一步的耦合和保护功能。主AC总线1002和与其连接的设备可以被配置为支持AC电力，例如三相AC电力。
电力分配系统(EPDS)1004可以是国家或地区电网。在一些实施例中，EPDS 1004可以是其中多个电力发电机、电力传输设备、电力负载或前述的任何组合相互电耦合的任何系统。
变压器1006可以将电流从一个电压转换成另一个。在一些实施例中，变压器1006可将主AC总线1002的三相AC电压变换成EPDS 1004的不同的三相AC电压。另外，变压器1006可将主AC总线1002的电压与EPDS 1004的电压隔离。虽然示出了单个部件，但变压器1006可以包括能够提供变压器1006的功能的多个变压器、其它部件或两者。另外，虽然变压器1006被示为位于主AC总线1002和开关装置1008之间，但应该认识到变压器1006和开关装置1008相对于彼此以及主AC总线1002和EPDS 1004的位置可以改变。
例如，在发生异常电网状况的情况下，开关装置1008能够使燃料电池发电设备的电力系统与EPDS 1004断开连接(或解除耦合)。相反地，例如在正常电网状况期间，开关装置1008能够将燃料电池发电设备的电力系统连接(或耦合)到EPDS 1004。当开关装置1008将燃料电池发电设备与EPDS电断开时，开关装置1008可以被描述为处于打开位置；当开关装置1008将燃料电池发电设备电连接到EPDS 1004时，开关可以被描述为闭合位置。
尽管开关装置1008被表征为开关，但普通技术人员将理解，开关装置108可以包括任何部件或数个部件，其可用于将燃料电池发电设备与EPDS 1004电连接和断开。
燃料电池1010可以是任何特定类型的燃料电池。在一些实施例中，燃料电池1010可以是固体氧化物燃料电池。燃料电池1010可以包括多个燃料电池，每个燃料电池包括阳极、阴极和电解质。可以在阳极处将燃料(例如甲烷，天然气，H2，CO等)与氧化剂(例如从环境空气提取或形成部分环境空气的氧气)组合以形成反应产物，所述反应产物可以包括水和电子。这些电子可以通过一个或多个互连而行进到阴极，在这些互连处电子使氧化剂电离。电离的氧化剂然后可以穿过固体氧化物电解质，该固体氧化物电解质可以是流体燃料和氧化剂不可渗透的。多个燃料电池可以以各种串联、并联或两种组合的方式排列，以产生最终的系统电压、电流和功率。该生成的电力可最终被提供给EPDS 1004。
DC输出总线1012提供燃料电池1010和逆变器1014之间的电耦合。虽然图10中示出了DC输出总线1012仅作为电连接，但普通技术人员将会理解，图10是简图。除了提供上述连接之外，DC输出总线1012可以包括一个或多个断路器、开关、仪表或用于仪表的连接、或任何其它部件，以便于适当、安全和有效的操作。
逆变器1014提供DC输出总线1012和主AC总线1002之间的电连接(耦合和去耦合)和AC到DC或DC到AC的转换。提供给逆变器1014的DC电力可以通过逆变器1014转换成AC电力。当燃料电池发电设备电连接到EPDS 1004(又称“电网相关模式”)时，逆变器1014可以使转换的DC电力(来自DC输出总线1012)的AC电压和相位与EPDS 1004的电压和相位同步(主AC总线1002电压和相位可以被配置为匹配EPDS 1004电压和相位)，同时控制AC电流、AC有功功率、无功功率或者两者、或者由对DC输出总线1012的直流电力转换所产生的前述的任何组合。当燃料电池发电设备与EPDS 1004电断开(又称“电网独立模式”)时，逆变器1014可以与上述特征相分离地或者除了上述特性之外，独立控制DC输出总线1012的电力转换而来的交流输出电压和相位。另外，逆变器1014可具有保护功能，例如电流限制(最大值，最大长持续时间，最大短持续时间)、DC链路电压限制、频率变化限制等。
虽然逆变器1014在图10中示出作为单个部件，但普通技术人员将会理解，图10是简图。逆变器1014可以包括根据需要配置以执行如上所述逆变器1014的功能的多个电子部件。
负载组1016可以被耦合以电连接(耦合)到主AC总线1002。负载组1016可以用于在燃料电池发电设备必须从EPDS 1004快速断开的情况下(例如在电网故障事件时)消耗过多的电力。在一些情况下，燃料电池发电设备必须以比燃料电池1010、涡轮发电机1018或两者可被关闭或减少电力输出更快的方式与EPDS 1004分离。在燃料电池1010、涡轮发电机1018或两者仍在发电的情况下，必须消耗电力，因为通过EPDS 1004提供的电负载不再耦合到燃料电池发电设备。这个多余的电力由负载组1016汲取。
负载组1016可以是飞轮组、电容器组、电阻器组、电池组、或上述的组合、或能够消耗由燃料电池发电设备产生的超额功率的任何其它电负载。使用飞轮组、电容器组、电池组或其组合的一个优点可以是，当燃料电池发电设备与EPDS 1004重新耦合或用于为燃料电池发电设备的负载供电(例如，电动机运行涡轮发电机1018或为控制系统1034供电)时，可以重新获得(recoup)多余电能的机械、电或化学存储。
在一些实施例中，负载组1016可以直接耦合到DC输出总线1012。
涡轮发电机1018可以类似于上述的涡轮发电机。例如，涡轮发电机1018可以包括经由轴以合适的布置连接的压缩机、涡轮机和发电机。压缩机可吸入环境空气或其它来源的氧化剂并加压。然后，加压氧化剂可以流过氧化剂入口和排出管线以向燃料电池1010提供氧化剂及从燃料电池1010去除氧化剂。在一些实施例中，压缩机可以被配置为加压其它流体源，例如还原气体或惰性气体，用于燃料电池1010、其它支持系统或两者。从燃料电池1010排出的氧化剂可以与来自燃料电池1010或其它燃料源的未使用的燃料结合，并且燃烧以提供加热的排出流体。该加热的排出流体可用于在进入燃料电池1010之前提供与燃料、氧化剂或两者的恢复或其它热交换功能。加热的排出流体还可通过涡轮发电机1018的涡轮机膨胀，以提供轴功以旋转压缩机。涡轮机可以机械地耦合到发电机以产生电力。当涡轮发电机1018的涡轮机和发电机的旋转能量被发电机转换成电力时，涡轮发电机1018可以以“发电模式”运行。
在一些实施例中，涡轮发电机1018的发电机可以被配置为作为电动发电机运行，使得外部电源可以被施加到发电机。施加的电力可以被转换成发电机的旋转能量，并且因此也被转换成涡轮发电机1018的旋转能量。涡轮发电机1018操作的这种模式可以被称为“电动机运行模式”。在电动机运行模式中，涡轮发电机1018的旋转被传递到涡轮发电机1018的压缩机以对氧化剂或其它流体源加压以供燃料电池110使用。在一些实施例中，涡轮发电机1018的涡轮机可与发电机、压缩机或两者解耦合，以减少在电动机运行模式中旋转压缩机所需的能量。
AC输出总线1020可以电连接(可耦合)到涡轮发电机1018。AC输出总线1020提供例如导线、电缆、总线排或它们的组合的结构，其提供涡轮发电机1018与逆变器1022之间的电连接。虽然AC输出总线1020在图10中仅示出为电连接，普通技术人员将会理解，图10是简图。除了提供上述连接之外，AC输出总线1020可以包括一个或多个断路器、开关、仪表或用于仪表的连接、或任何其它部件，以便于适当、安全和有效的操作。
逆变器1022(其也可以被称为机器逆变器)可以提供来自AC输出总线1020的电耦合和电转换。例如，当涡轮发电机1018产生并向AC输出总线1020提供电力时，逆变器1022可以将该AC电力转换成DC电力。这种转换可能需要控制转换后的直流电压。当涡轮发电机1018以电动机运行模式运行时，逆变器1022可以转换DC电力并将AC电力供应到AC输出总线1020。
逆变器1022还可以用于控制涡轮发电机1018的速度和置于其上的转矩。无论涡轮发电机1018的运行模式如何，控制发电机1018的涡轮的速度也可以直接或间接地控制压缩机的速度。如上所述，压缩机提供用于燃料电池1010的电化学反应或其它操作的氧化剂或其它流体，并且作为控制燃料电池1010的温度和温度变化率(例如，加热或冷却)以及与燃料电池1010或其支持系统有关的其它功能的手段。燃料电池1010和涡轮发电机1018的机械和电气互操作以及燃料电池发电设备和EPDS 1004的电耦合可以通过包括图10中公开的一个或多个部件的电力系统来管理。
逆变器1024(其可以被称为机器逆变器)可以提供从逆变器1022到主AC总线1002的电耦合和电转换。例如，当涡轮发电机1018产生电力并向AC输出总线1020提供电力时，逆变器1022可以将该AC电力转换成DC电力，该DC电力然后被逆变器1024转换成AC电力以施加在主AC总线1002上。这可以将所供应的DC电力转换成三相AC电压和电流，用于应用到主AC总线1002。当涡轮发电机1018在电动机运行模式下操作时，逆变器1024可以将AC电力转换成DC电力，然后DC电力被转换成AC电力并供应到AC输出总线1020。
在一些实施例中，逆变器1022和1024的功能可以被组合，使得两者的功能可以由单个部件执行。例如，组合式逆变器1022和1024可以将提供给AC输出总线1020的AC电力转换成主AC总线1002的电压和相位，其可以与EPDS 1004的电压和相位匹配，同时控制AC电流、以及转换后的交AC电力的有功功率和无功功率。如上所述，组合部件还可用于控制涡轮发电机1018的速度和转矩，从而实现期望的氧化剂或其它流体流向燃料电池1010。
在一些实施例中，逆变器1022和逆变器1024可以彼此串联。
第二负载组1026(其可以被称为涡轮发电机(TG)负载组)可以在电网故障事件中汲取并消耗由涡轮发电机产生的电力。负载组1026可以被耦合以经由逆变器1024、逆变器1022或两者电连接(耦合)到主AC总线1002。如果燃料电池发电设备必须快速从EPDS 1004断开(例如在电网故障事件时)，则负载组1026可用于消耗多余的电力。在一些情况下，燃料电池发电设备必须以比燃料电池1010、涡轮发电机1018或两者可被关闭或减少电力输出更快的方式与EPDS 1004分离。在燃料电池1010、涡轮发电机1018或两者仍在发电的情况下，必须消耗功率，因为通过EPDS 1004提供的电负载不再耦合到燃料电池发电设备。这个多余的电力可由负载组1026消耗。
负载组1026可以是飞轮组、电容器组、电阻器组、电池组或者前述的组合、或者能够消耗由燃料电池发电设备产生的超额功率的任何其它电负载。使用飞轮组、电容器组、电池组或其组合的一个优点可以是，当燃料电池发电设备与EPDS 1004重新耦合或用于为燃料电池发电设备的负载供电(例如，电动机运行涡轮发电机1018或为控制系统1034供电)时，可以重新获得多余电能的机械、电或化学存储。
在一些实施例中，负载组1016和1026可以被配置为用于互操作。例如，负载组1016可被配置为消耗从燃料电池1010、涡轮发电机1018或两者产生的电力。负载组1026可以被配置为消耗从燃料电池1010、涡轮发电机1018或两者产生的电力。在一些实施例中，负载组1016和负载组1026分别消耗仅从燃料电池1010或涡轮发电机1018产生的电力，并且可能有来自例如备用发电机1028的其它电负载。在这些和其它实施例中，负载组1016和1026的设计和配置在电力系统1000的设计中提供更大的灵活性。
备用发电机1028可以是例如柴油机、汽油机、天然气或其它发电机。在一些实施例中，备用发电机1028可以是风力发电机或太阳能发电机。如本领域技术人员将认识到的那样，包括备用发电机1028的特定类型的部件可以是适合于发电、转换或存储的任何类型，其能够满足在电网故障事件情况下的系统设计可用性限制，并且在燃料电池冷却和其它系统设计标准期间具有足够的能力来为控制系统1034供电和电动机运行涡轮发电机1018。应该理解，备用发电机1028可以包括不同类型的多个部件以满足上述系统设计标准。
备用发电机1028可以在异常工作情况下向燃料电池发电设备提供辅助电力。例如，如果燃料电池发电设备未耦合到EPDS 1004，则备用发电机可以提供电力来源。在一些实施例中，当涡轮发电机1018正在发电时，燃料电池1010可能不发电。这里的备用发电机1028可以用于向发电设备控制系统1034提供稳定的电力来源。虽然涡轮发电机1018能够向控制系统1034提供一些电力，但是通过涡轮发电机1018所产生的电力的可用性和量可能改变。涡轮发电机1018可被控制以便提供燃料电池1010的安全冷却(或加热或其它操作)所需的氧化剂或其它流体流。除了为控制系统1034提供稳定的电力之外，由备用发电机1028产生的电力可以经由逆变器1024向逆变器1022提供电力，以便当在电动机运行模式下运行时为涡轮发电机1018供电。
在一些实施例中，备用发电机1028可能不向AC输出总线1030供电。然而，这并不意味着备用发电机可能不以某种方式运行。例如，备用发电机1028可以用于预热或冷却操作、维护、或其中没有AC电力从备用发电机1028提供到AC输出总线1030的其它操作。在一些实施例中，备用发电机1028可以将电力提供给与主AC总线1002电分离的AC输出总线1030。
AC输出总线1030可以将备用发电机1028耦合到主AC总线1002。如上所述，对于AC输出总线1020和DC输出总线1012，图10示出了电力系统1000的简化图。AC输出总线1030可以包括提供附加功能的附加部件。
不间断电源(UPS)1032可将控制系统1034电耦合到主AC总线1002。另外，UPS 1032提供在来自其它源的电力中断(例如EPDS 1004、燃料电池1010、涡轮发电机1018、备用发电机1028或前述任何组合的故障)期间使用的电能的存储。UPS 1032还可以在电力源的转换期间或在来自其它源的电力不可用的任何时间向控制系统1034提供连续的电力。UPS 1032还可以调节(例如，控制电压、相位等)由控制系统1034汲取的电力。UPS 1032可以是电池，可以是化学、电或机械的，或配置成提供上述功能的其它部件。
UPS 1032可以从主AC总线1002汲取电力。主AC总线上的电力可以由EPDS 1004、燃料电池1010、涡轮发电机1018、备用发电机1028、负载组1016或1026、或这些或其它部件的组合来提供。
控制系统1034(其也可以被称为“设备的平衡”)可以被配置为控制、监控电力系统1000中的每个部件，并且与电力系统1000中的每个部件通信，以用于系统的安全操作。另外，控制系统1034可以向系统1000中的各种部件提供电力，包括图10中未示出的其它部件。例如，控制系统1034可以控制阀、加热器、泵、远程操作断路器和开关、灯、仪表(温度，压力，流量等)、锁、自动或手动远程保护系统和其它部件的操作，这可以增强燃料电池发电设备的安全或有效运行。控制系统1034可以被配置为控制用于支持电力系统1000操作的多个子系统的上列和其它部件的操作。
根据本公开的一些实施例，电力系统1100在图11中示出。电力系统1100可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图11所示，第二负载组1026耦合到AC输出总线1020。对照于图10的差别在于，图10中第二负载组1026耦合到位于逆变器1022和1024之间的DC总线。在一些实施例中，燃料电池发电设备可以不包含第二负载组1026，而负载组1016可用以消耗由燃料电池1010和涡轮发电机1018两者产生的多余电力。包含两个负载组1016和1026的实施例可以提供对来自涡轮发电机1018的消耗的电力的不同控制方式，以及可以控制涡轮发电机1018的压缩机转速的不同方式。两个独立的控制也提高了系统的可靠性；如果一个负载组没有按照设计运行，则第二个负载组可提供备份另一个的手段，从而提供冗余。另外，即使在电网故障的情况下，第二负载组也可以提供用于精确控制涡轮发电机的速度的备用装置。然而，在一些实施例中，可以仅使用一个负载组。
根据本公开的一些实施例，图12中示出电力系统1200。电力系统1200可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图12所示，主AC总线1002可连接到EPDS 1004。该电耦合可通过开关装置1008处于闭合位置来实现。EPDS 1004可以向主AC总线1002以及与其直接或间接电耦合的部件提供电力。燃料电池1010可以产生DC电力并将DC电力提供给DC输出总线1012，DC输出总线1012又向逆变器1014提供电力。燃料电池逆变器可以将提供的DC电力转换为AC电力并将AC电力提供给主AC总线1002。涡轮发电机1018可以以电动机运行模式运行，通过逆变器1022和1024从主AC总线1002汲取电力，以便将电能转换成涡轮发电机1018的涡轮机、压缩机或两者的旋转能量。涡轮发电机118的压缩机可以旋转以加压供燃料电池110用于其中的电化学反应的氧化剂或其它流体，用于加热或冷却操作，或用于一些其它燃料电池系统操作或支持系统运行。备用发电机1028可以不产生AC电力或经由AC输出总线1030向主AC总线1002提供任何产生的电力。备用发电机1028可以为一些其它操作或原因而运行。UPS 1032可以从主AC总线1002汲取电力并且可以向控制系统1034供电。虽然UPS 1032和控制系统1034所汲取的电力之间可能存在暂时的不平衡，但是这些汲取电力的平均值将会使得UPS 1032能够充电并保持准备就绪的满态。
箭头1120、1122、1124和1126表示系统1200中电力的流动。来自EPDS 1004的电力可以如箭头1122所示通过开关装置1008和变压器1006流到主AC总线1002。来自燃料电池1010的电力可以如箭头1120所示流向主AC总线1002。从主AC总线1002，电力流向UPS 1032、逆变器1024和EPDS 1004。从UPS 1032向控制系统1034提供电力。从逆变器1024将电力转换为直流电力并提供给逆变器1022。逆变器1022将来自逆变器1024的直流电力转换为交流电力。转换后的AC电力可以用于高速驱动涡轮发电机1018的永磁同步电动机。在该转换中，可以控制AC电流、电压和相位以实现涡轮发电机1018的压缩机的期望转速，从而控制用于燃料电池1010的氧化剂(或其它流体)的加压和流动。
根据本公开的一些实施例，图13中示出电力系统1300。电力系统1300可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图13所示，主AC总线1002可以电耦合到EPDS 1004，这可以通过开关装置1008处于闭合位置来实现。EPDS 1004可以向主AC总线1002以及与其直接或间接电耦合的部件提供电力。当主AC总线1002连接到EPDS 1004时，如箭头1128和1130所示，AC电力能够在主AC总线1002和EPDS 1004之间流动。如图13所示，该配置将允许向UPS 1032供应来自主AC总线1002的电力，该电力可由涡轮发电机1018、燃料电池1010、备用发电机1028，EPDS 1004或上述的某种组合产生。在一些实施例中，负载组1016可以被配置为向主AC总线1002和与其电耦合的部件供应电力。
燃料电池1010可以通过先前描述的燃料电池电化学反应来产生电力，并由此向DC输出总线1012提供DC电力，如箭头1128所示，并且经由变压器1006和开关装置1008提供到主AC总线1002和EPDS 1004。涡轮发电机1018可以通过燃烧燃料电池反应产物通过涡轮机的膨胀来产生电力，从而向AC输出总线1020提供AC电力。备用发电机1028不向AC输出总线1030提供AC电力。UPS 1032从主AC总线1002汲取电力。
如上所述，由涡轮发电机1018产生的AC电力可以经由逆变器1022和1024从AC输出总线1020传输到主AC总线1002。该电力流由箭头1132示出。逆变器1022将涡轮发电机118产生的AC电力转换成DC电力。在该转换期间，逆变器1022可以控制由该转换产生的DC电压、电流或两者。该DC电力可以通过逆变器1024被传送到主AC总线1002。该电力流由箭头1132示出。逆变器1024可以将DC电力转换成与主AC总线1002上的电压和相位兼容的AC电压和相位。主AC总线1002可以电耦合到EPDS 1004，并且因此，由逆变器1024转换的电压和相位可以与EPDS 1004的电压和相位兼容。在对该转换后的电压进行调节使其与EPDS 1004的电压相兼容的同时，逆变器可以通过对涡轮发电机1018的输出进行转换来控制有功功率和无功功率。然后，转换后的电功率可以用于提供给EPDS 1004并因此提供给所附的负载。
备用发电机1028可能不向AC输出总线1030供电。然而，这并不意味着备用发电机可能不以某种方式运行。例如，备用发电机1028可以用于预热或冷却操作、维护、或其中没有AC电力从备用发电机1028提供到AC输出总线1030的其它操作。在一些实施例中，备用发电机1028可以将电力提供给与主AC总线1002电分离的AC输出总线1030。
UPS 1032可以电耦合到主AC总线1002并且从主AC总线1002汲取电力。由UPS 1032汲取的电力可以源自涡轮发电机1018、燃料电池1010、EPDS 1004、备用发电机1028(如果连接到并向主AC总线1002提供电力)、或这些源的某种组合。
进而，控制系统1034从UPS 1032汲取电力。为了将UPS 1032保持在满容量，由控制系统1034汲取的平均电力可以小于由UPS 1032汲取的平均电力。
燃料电池发电设备是否在发电或电动运行模式中与涡轮发电机1018(或其它实施例中的118)一起运行可能受到燃料电池系统1010(或110)排出的温度和环境温度的影响。例如，如果燃料电池系统排出的输出是恒定的，但是环境温度升高，则通过燃料电池排气膨胀经过涡轮发电机1018(或118)的涡轮产生的功可能不足以驱动压缩机以所需的速率向燃料电池1010(或110)提供所需的氧化剂(或其它流体)流。因此，涡轮发电机1018(或118)可以从AC总线1002(或102)汲取电力，用于超过由涡轮产生的电力而所需的电力。
根据本公开的一些实施例，图14中示出电力系统1400。电力系统1400可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图14所示，因为开关装置1008可处于打开位置，所以主AC总线1002可不电耦合到EPDS 1004。燃料电池110可以产生DC电力并且经由DC输出总线1012和逆变器1014将产生的电力提供给主AC总线1002。负载组1016可以从主AC总线1002汲取电力。涡轮发电机1018可以通过逆变器1022和1024从主AC总线1002汲取电力。备用发电机1028可不向AC输出总线1030提供电力。UPS 1032可以从主AC总线1002汲取电力。
由于EPDS 1004的故障或某些其它条件(其可能对燃料电池发电设备造成某种威胁)，主AC总线1002可从EPDS 1004断开连接，并且因此燃料电池发电设备可从EPDS 1004断开连接以作为保护措施。在一些实施例中，燃料电池发电设备可能需要从EPDS 1004快速断开以确保该保护措施是有效的。在一些实施例中，由于与燃料电池发电设备相关的故障或其它状况，燃料电池发电设备可能需要从EPDS 1004断开，这可能对EPDS 1004造成安全危害。同样，通过打开开关装置1008快速断开燃料电池发电设备与EPDS 1004的连接，可以解决该危害。
当开关装置1008以快速方式打开时，燃料电池1010可能产生与驱动涡轮发电机1018和为控制系统1034供电所需的电力相比过多的电力。该多余的电力可以由燃料电池发电设备消耗，从而避免了燃料电池系统中其它地方燃料电池中电化学反应所需的燃料的燃烧，从而避免产生不必要的热量。为了消耗这种多余的电力，负载组1016可以电耦合到燃料电池发电设备的主AC总线1002并从其中汲取电力。在一些实施例中，负载组1016消耗的电力量等于由燃料电池1010产生的电力与电动机运行涡轮发电机1018、操作控制系统1034消耗的电力和可能存在于系统1400中的电损耗之间的差。
在一些实施例中，燃料电池1010产生的电力可在开关装置1008打开之后降低，使得负载组1016所消耗的电力量随时间减少。燃料电池1010的电力输出可以降低到这样的点，使得由燃料电池1010产生的电力大致与电动机运行涡轮发电机1018(用以供应用于燃料电池1010的电化学反应的氧化剂，用以提供用于加热或冷却燃料电池1010的氧化剂或其它流体流，或者这些或其它操作的组合)和为控制系统1034供电所需的电力相同。
在一些实施例中，负载组1016可以包括存储由燃料电池系统1010产生的多余电力的能力，使得该电力可以用作备用电力的额外源，可以在燃料电池发电设备重新连接到EPDS 1004时使用，或两者。
所得到的电力流在图14中示出。箭头1134示出了可以由燃料电池1010产生并供应给DC输出总线1012和主AC总线1002的电力。该电力可以在发送到涡轮发电机1018的电力和发送给UPS 1032的电力之间分配，分别由箭头1136和1138表示。发送到涡轮发电机1018的电力可以经由逆变器1022和1024从主AC总线1002传递到AC输出总线1020。逆变器1022可以将DC电力转换成用于AC输出总线1020的AC电力。在该转换期间，逆变器1022可将DC电力转换为所需AC电压和相位，以使涡轮发电机1018以足以满足燃料电池1010的气流需求的速度旋转。
DC电力可以经由逆变器1014从DC输出总线1012传送到主AC总线102。逆变器1014可以控制所得到的经过转换的AC电力的电压、相位以及有功功率和无功功率。因为主AC总线1002不再电耦合到EPDS 1004，并且没有其它部件可控制主AC总线1002上的电力的这些电特性，所以可能需要逆变器1014来控制转换的电力的电压和相位。AC电力可以在主AC总线1002上流动到负载组1016和UPS 1032，分别如箭头1140和1138所示。
根据本公开的一些实施例，图15中示出电力系统1500。电力系统1500可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图15所示，主AC总线1002可以与EPDS 1004电分离。燃料电池1010可以产生电力并经由逆变器1014将该电力提供给主AC总线1002。负载组1016可以从主AC总线1002汲取电力。涡轮发电机1018可以产生电力并且经由逆变器1022和1024向主AC总线1002提供该电力。第二负载组1026可以汲取由涡轮发电机1018产生的电力，使得没有电力从涡轮发电机1018供给到主AC总线1002。备用发电机1028可以不产生电力、向AC输出总线1030提供电力、不向主AC总线1002提供电力、或者前述的组合。UPS 1032可以从主AC总线1002汲取电力。
图15中所示的一些电力流可对应于图14中的那些流。例如，由燃料电池1010产生的电力可以如箭头1142所示流向DC输出总线1012和主AC总线1002，对应于箭头1134的流。该对应可以是电力流的总体方向、流的总电力、或这些特性的组合。类似地，箭头1144可以对应于箭头1140，并且箭头1146可以对应于箭头1138。
图15和图14中所示的实施例之间的一个区别在于，涡轮发电机118可以如箭头1148所示产生电力。该流从AC输出总线1020上的交流功率通过逆变器1022转换成直流功率。逆变器1022可以被配置成将AC输出总线1020上的交流功率转换成特定电压的直流功率。由逆变器1022执行的特定转换还可以控制置于涡轮发电机1018上的转矩，其可以帮助控制涡轮发电机1018的速度，并且因此控制由于压缩机连接到涡轮发电机1018而流入燃料电池1010的氧化剂或其它流体的量。
另一个区别在于，提供给主AC总线1002的总电力可以是由燃料电池110和涡轮发电机118产生的电力的组合(如果负载组1026不汲取由涡轮发电机1018产生的全部电力)。因此，负载组1016消耗的电力量可以等于由燃料电池1010和涡轮发电机1018产生的电力与由UPS 1032和控制系统1034消耗的电力加上系统中的任何其它损耗和第二负载组1026消耗的任何电力之间的差。在一些实施例中，并且如上所述，第一负载组1016和第二负载组1026可以被配置用于互操作，其中两者或任一者可以从燃料电池1010、涡轮发电机1018或这两者汲取电力。
在涡轮发电机1018由燃烧产物通过涡轮机膨胀驱动的情况下，由涡轮发电机1018产生的电力可以大于操作燃料电池发电设备所需的电力。给定涡轮发电机1018和燃料电池1010的上述相互关联的机械(例如，涡轮发电机1018向燃料电池1010供应空气)和电(例如，涡轮发电机1018和燃料电池1010的组合电力输出)操作，负载组1016可能需要消耗由涡轮发电机1018和燃料电池1010两者产生的一部分电力，使得这些部件可以安全地互操作。
在一些实施例中，当燃料电池1010和涡轮发电机1018在燃料电池发电设备与EPDS1004断开连接时提供电力时，第二负载组1026可以被配置为汲取由涡轮发电机1018产生的所有电力。提供该第二负载组1026可以提供燃料电池系统的更容易的操作，其中燃料电池1010和涡轮发电机的电输出不需要组合。第二负载组进一步提供了涡轮发电机1018和燃料电池1010的较少依赖性和相关电操作。
根据本公开的一些实施例，电力系统1600在图16中示出。电力系统1600可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图16所示，主AC总线1002可以与EPDS 1004电分离。燃料电池1010可以不产生电力、通过DC输出总线1012向主AC总线1002提供任何产生的电力、或两者。涡轮发电机1018可以通过逆变器1022和1024从主AC总线1002汲取电力并且以电动机运行模式运行。备用发电机1028可以产生电力并将电力提供给主AC总线1002。UPS 1032可以从主AC总线1002汲取电力。
由于某些原因(例如，燃料流损失、氧化剂流损失、或两者，燃料电池1010应该与燃料电池发电设备的其余部分隔离，燃料电池1010可能正在启动或关闭)，或出于某种其它原因，燃料电池1010可能不会产生电力或不向DC输出总线1012提供电力。尽管燃料电池1010可能不向燃料电池发电设备的其余部分提供电力，但是涡轮发电机1018的压缩机仍然可以向燃料电池提供氧化剂或其它流体的流，以实现热平衡、加热、冷却或其它燃料电池1010操作。通过备用发电机1028可以提供用于以电动机运行模式运行涡轮发电机1018的电力。在一些实施例中，运行涡轮发电机1018的电力可以由UPS1032、负载组1016、负载组1026或者前述的某些组合提供，可能与备用发电机1028结合或分离。备用发电机1028还可用于向UPS1032提供电力，UPS 1032继而向控制系统1034提供稳定的电力供应。在一些实施例中，负载组1016和1026还可以向UPS 1032提供电力。
电力的流动在图16中示出。箭头1150示出备用发电机1028向AC输出总线1030和主AC总线1002供应所产生的电力。从主AC总线1002，电力可以如箭头1154所示流到涡轮发电机1018。流向涡轮发电机1018的电力可以流过逆变器1022和1024。逆变器1022可以被配置为在AC输出总线1020上提供所需的电流、电压、相位、有功功率和无功功率、或这些的组合，以控制涡轮发电机1018的转速，由此实现由涡轮发电机1018的压缩机引起的氧化剂或其它流体通过燃料电池1010的合成流。
如箭头1152所示，电力也可以从主AC总线1002流向UPS 1032。UPS 1032可以向控制系统1034提供电力的连续供应。
根据本公开的一些实施例，电力系统1700在图17中示出。电力系统1700可以包括：主AC总线1002，电力分配系统(EPDS)1004，变压器1006，开关装置1008，燃料电池1010，DC输出总线1012，逆变器1014，第一负载组1016，涡轮发电机1018，AC输出总线1020，逆变器1022，逆变器1024，第二负载组1026，备用发电机1028，AC输出总线1030，不间断电源(UPS)1032和控制系统1034，其可以与上述那些部件类似。
如图17所示，主AC总线1002可以不电耦合到EPDS 1004。燃料电池1010可以不产生电力、通过DC输出总线1012向主AC总线1002提供电力、或两者。涡轮发电机1018可以产生电力并且通过逆变器1022和1024向主AC总线1002提供该电力，或者向负载组1026或1016、或者前述的一些组合提供该电力。备用发电机1028可以产生电力并且经由AC输出总线1030将该电力提供给主AC总线1002。UPS 1032可以从主AC总线1002汲取电力并向控制系统1034提供电力。
由于类似于上述的原因，燃料电池1010可能不产生或不向DC输出总线1012提供电力。尽管燃料电池1010可能不提供电力，但仍可向燃料电池1010提供氧化剂或其它流体的流以用于启动、关闭、加热、冷却、或以安全方式操作燃料电池1010所需的其它操作。该流体的流动可以由涡轮发电机1018经由压缩机提供，该压缩机将氧化剂或其它流体加压并供应到燃料电池1010。随着燃料电池1010中的流量需求降低，压缩机可能需要提供较低流量的氧化剂或其它流体到燃料电池1010，压缩较小的氧化剂或其它流体，或二者。这些较低的流量或较低的压缩可以通过减慢涡轮发电机1018的压缩机的旋转来实现。因此，由涡轮发电机1018产生的电输出可以随时间变化。涡轮发电机1018的这种变化的电输出可以在某一点达到其中涡轮发电机1018可能不再被依赖以向UPS 1032并且从那里向控制系统1034提供稳定的电力供应的水平。在一些实施例中，从涡轮发电机1018汲取电力，以便使发电机减速。
为了避免由于缺乏来自涡轮发电机1018的恒定电力供应而可能出现的问题，备用发电机1028可以开始提供电力。不具有与燃料电池1010机械互操作的备用发电机1028不具有与涡轮发电机1018相同的外部操作要求，并且因此可以向UPS 1032和控制系统1034提供更可靠的电力来源。
负载组1016、1026或两者可以被配置为汲取等于由涡轮发电机1018和备用发电机1028产生的电力与由UPS 1032汲取的电力量和任何系统损失之间的差的电力量。一旦备用发电机1028向主AC总线1002供电，负载组1016、1026或二者可以开始从主AC总线1002汲取电力。在一些实施例中，备用发电机1028的启动可以基于预期时间，在该预期时间，涡轮发电机1018可能不再能够提供恒定电力供应以随着UPS 1032连续供应电力给控制系统1034而保持UPS 1032充电。在一些实施例中，备用发电机1028可以在上述时点之前供应电力给主AC总线1002。在此期间，负载组1016、1026或两者可以汲取等于由涡轮发电机产生并置于主AC总线上的电力的电力量。
电力的流动在图16中示出。如由箭头1156所表示的，涡轮发电机1018产生从AC输出总线1020通过逆变器1022提供的一些电力，并且提供到负载组1026。在一些实施例中，由涡轮发电机1018产生的电力还可以全部或部分地流过逆变器1024到主AC总线1002。负载组1016可以被配置为在主AC总线1002上汲取任何多余的电力。
如箭头1158所示，备用发电机1028经由主AC总线1002和AC输出总线1030向UPS1032提供电力。如图16所示，涡轮发电机1018和备用发电机1028都可以被配置为向UPS1032供电。由涡轮发电机1018以及可能的备用发电机1028产生的过剩电力也可以由负载组1016汲取。
根据本公开的一些实施例，图18中示出了根据本公开的一些实施例的用于电力系统的运行状态流程图1800。电力系统可以类似于如上所述的电力系统100、200、300、400、500、600、700和800、1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700。
基于电力系统的一个或多个部件的运行状态，运行状态流程图1800示出了可能的运行状况和流入和流出电力系统部件的电力。例如，电力系统中各种部件的运行状态和流入流出的电力流取决于电力系统燃料电池(框1160)、电力分配系统(框1162和1164)以及涡轮发电机(方框1166、1168、1170和1172)的运行状态。
如果燃料电池正在发电并且没有故障(方框1160“否”分支)，则电力系统可以基于电力分配系统(方框1164)和涡轮发电机(方框1170和1172)的运行状况而具有四种可能的运行状态(方框1174、1176、1178和1180)。例如，如果电力系统(也被称为发电设备或燃料电池发电设备)电耦合到电力分配系统(框1164，“否”分支)，则燃料电池可以以发电模式运行，该模式提供电力到电力分配系统(如上所述)，控制系统可以通过从主AC总线汲取电力来操作(如上所述)，并且负载组可以从主AC总线断开。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向电力分配系统提供该电力(如上所述)。该运行状态由框1180指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从DC输出总线汲取电力(如上所述)。该操作状态由框1178指示。
如果燃料电池正在发电并且没有故障(方框1160“否”分支)，并且如果电力系统(也被称为发电设备或燃料电池发电设备)与电力分配系统解耦合(框1164，“是”分支)，则燃料电池将以向主AC总线供电的发电模式运行(如上所述)，控制系统将通过从主AC总线汲取电力来操作(如上所述)，并且负载组可以电耦合到主AC总线并且从主AC总线汲取电力(如上所述)。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向主AC总线、第二负载组或两者提供该电力(如上所述)。该操作由框1176指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从主AC总线汲取电力(如上所述)。这种运行状态由方框1174表示。任何一个负载组可以汲取等于燃料电池产生的电力、由涡轮发电机产生的任何电力与由控制系统汲取的电力、由涡轮发电机汲取的任何电力和任何电力损失之间的差值的电力量。在一些实施例中，第二负载组将汲取由涡轮发电机产生的任何电力，并且第一负载组将汲取等于燃料电池产生的电力与控制系统消耗的电力和系统损失、及涡轮发电机消耗的任何电力之间的差的电力量。
如果燃料电池不发电、发生故障或两者(方框1160“是”分支)，则电力系统可具有四种可能的运行状态(方框1182、1184、1186和1188)，其基于电力分配系统(方框1162)和涡轮发电机(方框1166和1168)的运行状态。例如，如果电力系统(也被称为发电设备或燃料电池发电设备)电耦合到电力分配系统(方框1162，“否”分支)，则燃料电池将不会以向电力分配系统供电的发电模式运行(如上所述)，控制系统将通过从主AC总线汲取电力而操作(如上所述)，并且负载组将从主AC总线断开(如上所述)。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向电力分配系统提供该电力(如上所述)。该操作由框1188指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从主AC总线汲取电力(如上所述)。该操作状态由框1186指示。
如果燃料电池不发电、发生故障或者两者兼具(方框1160“是”分支)，并且如果电力系统(也称为发电设备或燃料电池发电设备)与电力系统与电力分配系统电分离(框1162，“是”分支)，则燃料电池将不会以向主AC总线供电的发电模式操作(如上所述)，控制系统将通过从主AC总线汲取电力而操作(如上所述)，第一、第二或两个负载组将被电耦合到主AC总线或涡轮发电机逆变器(例如，逆变器1022)并且从主AC总线或涡轮发电机逆变器汲取电力(如上所述)，并且备用发电机将为主AC总线供电(如上所述)。如果涡轮发电机在发电模式下运行，则涡轮发电机将向主AC总线或第二负载组提供该电力(如上所述)。该操作由框1184指示。如果涡轮发电机以电动机运行模式运行，则涡轮发电机将从主AC总线汲取电力(如上所述)。该操作状态由框1182指示。第一负载组可以汲取等于由备用发电机和涡轮发电机产生的任何电力与由控制系统、涡轮发电机汲取的电力和系统损失之间的差的电力量。
如本领域技术人员将理解的，前述实施例使用简化的系统图来说明。特定实施例可以包含更多数量的部件，例如电连接、仪表和断路器。另外，尽管许多前述部件被图示为单个框，但每个部件可以包括多个子部件或能够一起操作以提供指定目的的多个部件。
本公开提供耦合到发电设备的电力电子器件，该发电设备可具有通过AC或DC装置耦合的燃料电池和涡轮发电机。这些系统提供了燃料电池发电设备系统的各种部件的冗余性、可靠性和互操作性的提高。例如，在电力分配系统出现故障的情况下，燃料电池输出可用于电动机运行涡轮发电机并为发电设备控制系统供电。涡轮发电机产生的电力可用于在诸如当电力分配系统和燃料电池发生故障时的异常条件下为控制系统供电。当在诸如当电力分配系统发生故障并且燃料电池不发电时的异常状况期间以电动机运行模式运行时，本文公开的系统可以具有备用发电机，其向控制系统和涡轮发电机提供电力。这里公开的电力系统在正常和异常情况下更加可靠和安全。此外，所公开的系统的一些实施例允许减少电力转换部件的数量，从而提高设备操作的效率，并且特别是提高涡轮发电机电力电子器件的效率。上述系统与公用电网兼容，并且可以通过网络并联和隔离发电很容易地扩展和组合。安装简化，并且可以使用标准家用安装部件。
虽然已经在特定设备的上下文中提供了上述实施例中的一些实施例，但将理解，上述实施例公开了对具有燃料电池的电力系统的改进。尽管已经描述了本公开的优选实施例，但是应当理解，所描述的实施例仅仅是说明性的，并且当赋予全范围的等同性时，本公开的范围仅由所附权利要求限定。本领域技术人员通过阅读本文自然会想到许多变化和修改。

Claims (6)

1.一种电力系统，包括：
主AC总线，所述总线通过变压器和开关装置能够电耦合到电力分配系统；
具有DC输出总线的燃料电池，所述燃料电池的DC输出总线通过燃料电池逆变器电耦合到所述主AC总线；
电耦合到所述主AC总线的负载组；
具有AC输出总线的涡轮发电机，所述涡轮发电机的AC输出总线通过机器逆变器电耦合到所述燃料电池的DC输出总线；
备用发电机，具有电耦合到所述主AC总线的AC输出总线；
电耦合到所述主AC总线的不间断电源UPS；以及
电耦合到所述UPS的控制系统，其中：
所述主AC总线未电耦合到所述电力分配系统；
所述燃料电池产生并提供DC电力给所述燃料电池的DC输出总线；所述负载组从所述主AC总线汲取电力；
所述涡轮发电机从所述燃料电池的DC输出总线汲取电力；
所述备用发电机不向所述备用发电机的AC输出总线提供AC电力；以及
所述UPS从所述主AC总线汲取电力。
2.如权利要求1所述的电力系统，其中所述负载组汲取的电力量等于由所述燃料电池产生的电力与由所述UPS和所述涡轮发电机汲取的电力之间的差。
3.如权利要求1所述的电力系统，其中所述负载组汲取的电力量等于由所述涡轮发电机和所述备用发电机产生的电力与由所述UPS汲取的电力之间的差。
4.一种操作具有燃料电池和涡轮发电机的发电设备的方法，所述燃料电池和涡轮发电机均能够向电力分配系统提供电力；所述方法包括：当所述发电设备与所述电力分配系统断开连接时：
以发电模式操作所述燃料电池以向主AC总线和所述涡轮发电机提供电力；
以电动机运行模式操作所述涡轮发电机，所述涡轮发电机从所述燃料电池DC输出总线汲取电力；
操作所述发电设备的控制系统，所述控制系统通过电耦合到所述控制系统和所述主AC总线的不间断电源UPS从所述发电设备的主AC总线汲取电力；以及
提供负载组以从所述主AC总线汲取电力，
而没有操作备用发电机以向主AC总线提供电力。
5.如权利要求4所述的方法，还包括：
利用所述负载组汲取等于所述燃料电池产生的电力与由所述控制系统汲取的电力和提供给所述涡轮发电机的任何电力之间的差值的电力量。
6.如权利要求4所述的方法，还包括：
通过燃料电池逆变器从所述燃料电池DC输出总线向所述主AC总线提供电力。
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