CN111106601A - 直流电压分布系统的控制 - Google Patents

Abstract

本公开涉及直流电压分布系统的控制。DC电压分布装备和控制DC电压分布系统的方法，该DC电压分布系统包括：DC电压母线；燃料电池，其电连接至DC电压母线；能量存储器和能量存储器转换器，其中，能量存储器转换器的输入连接至能量存储器，并且能量存储器转换器的输出连接至DC电压母线。该方法包括：为能量存储器转换器提供DC电压基准，能量存储器转换器通过从能量存储器提供电力或者向能量存储器提供电力来控制DC电压母线的电压；检测能量存储器转换器的电力流；以及基于所检测到的电力流来改变DC电压基准以改变从燃料电池获取的电力。

Description

直流电压分布系统的控制

技术领域

本发明涉及DC电压分布系统，并且特别地涉及使用燃料电池作为能源的DC电压分布系统。

背景技术

在某些环境和使用中，已经发现DC电压分布系统是有效的结构。例如，在将电力馈送至隔离系统中的多个负载时，DC电压母线可能是合适的解决方案。在这种情况下，将DC电力从电源馈送至DC电压母线，并且使用诸如逆变器的单独的转换器设备从DC电压母线对负载进行馈送。

通常DC母线电压保持固定在预设值处，除了常规发电机和/或能量存储设备之间共享的负载的小电压降以外。由于连接至DC母线的设备被设计成以一定的电压水平最佳地操作，因此通常不期望改变电压。改变DC母线电压会在某些设备例如无源滤波器中造成额外热量。无源元件中的额外热量由于来自电力转换器的电流波纹而产生。与转换器输出电压相比，DC母线电压越高，波纹电流就越大。然而，为了使电压保持稳定在固定值处，要么要求发电机以恒定电压操作，要么需要有源整流器。

对于由内燃机提供动力的常规发电机，可以通过发电机励磁电流来调节端电压。这使得电压调节变得简单，而不需要额外的昂贵设备。然而，对于燃料电池，燃料电池端子上的输出电压基于燃料电池的负载而改变，并且在没有用于有源电压调节的设备例如DC至DC电力转换器情况下无法对燃料电池端子上的输出电压进行控制。由于燃料电池电压的显著改变，因此以固定电压操作的普通DC母线导致显著的缺点。通过DC至DC转换器以固定的DC母线电压操作的燃料电池的主要缺点是额外的成本和由于DC至DC转换器和电流扼流圈的过设计而导致的占用空间，以及由高频开关引起的损耗和噪声。过设计是由于需要将电力转换器设计为最大电流和最大电压两者而产生的。然而，当燃料电池以最大电流操作时，燃料电池的电压可能降至最大电压的50％。

在采用燃料电池的常规系统中，DC至DC转换器用于提升燃料电池的电压。这意味着燃料电池的最大输出电压必须低于固定的DC电压。由于燃料电池输出电压在低负载下最高，因此输出电压在全功率下显著降低。因此，为了从燃料电池中获得高电力，必须利用更大的电流来补偿电压降。

使用燃料电池操作的已知设备的一个问题是：DC至DC转换器由于转换器不断地操作而造成系统的损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和用于实现该方法的装备以克服以上问题。本发明的目的是通过本发明的方法和装备实现的。本发明还公开了优选实施方式。

本发明基于采用能够使DC母线电压改变的控制系统的思想。由于该控制系统，可以使DC至DC转换器的设计相对于燃料电池的输出电压可以被制造得更优化。在该控制中，通过改变DC母线的基准电压并且使用来自能量存储器的电力控制DC电压来控制来自燃料电池的电力。

本发明的方法和装备的优点是，可以更有效地操作燃料电池。在一定的操作范围中，燃料电池可以直接连接至DC母线，从而消除了DC至DC转换的损耗。此外，本发明使得能够以不同的方式对DC至DC转换器进行设计，从而提高系统的效率。

根据本发明的实施方式，用于转换燃料电池电压的DC至DC转换器能够增加和降低来自燃料电池的电压。因此，燃料电池电压可以被设计为远高于DC至DC转换器可以仅作为升压转换器操作的情况。

附图说明

在下文中，将参照附图通过优选实施方式的方式更详细地描述本发明，在附图中，

图1示出了燃料电池的特性曲线的示例；

图2示出了DC电力分布系统的示例；

图3示出了与燃料电池结合使用的DC至DC转换器的示例；

图4示出了与装备的操作有关的电压波形的示例；以及

图5示出了与本公开内容有关的适用的控制系统的示例。

具体实施方式

图1是典型燃料电池的特性的一般表示。图1是示出燃料电池的输出电压11相对于电池负载的相关性。当燃料电池未加载时，即，来自燃料电池的电流12为零时，燃料电池的电压处于最大值。当从燃料电池汲取电流时，电压开始相当迅速地下降。当电流处于其最大值时，燃料电池的电压下降至开路电压的约三分之二。

图2示出了可变DC电压分布系统的示例。在示例中，两个燃料电池21、22用于向连接至分布系统的DC电压母线29的负载23、24产生电力。两个燃料电池使用相应的DC至DC转换器25、26连接至DC母线。图2还示出了能量存储器27，能量存储器27通过被表示为能量存储器转换器的DC至DC转换器28也连接至DC母线29。示例中的负载或消耗装置被示出为使用交流电压的负载或消耗装置，并且负载使用DC至AC转换器30、31连接至DC母线。

在控制DC电压分布系统的方法中，DC电压分布系统包括DC电压母线29、电连接至DC电压母线的燃料电池21、22以及能量存储器27和能量存储器转换器28。能量存储器转换器的输入连接至能量存储器并且能量存储器转换器的输出连接至DC母线。在图2中，两个燃料电池被示出为电连接至DC电压母线，并且该电连接是通过DC至DC转换器进行的。此外，图2将DC母线示出为单个线。然而清楚的是，DC母线由通常表示为正导体和负导体的两个电导体组成。

在本发明的方法中，为能量存储器转换器28提供DC电压基准，该能量存储器转换器通过从能量存储器提供电力或者向能量存储器提供电力来控制DC电压母线的电压。能量存储器转换器为双向DC至DC转换器。能量存储器的目的是快速地响应负载变化，使得在负载变化的开始时，将电力从能量存储器通过DC电压母线馈送至负载。当负载增加时，电压母线的DC电压降低。然而，能量存储器转换器28被设置成控制DC电压母线的电压，来自能量存储器的电力被馈送至DC电压母线，并且从而使电压保持在受控水平下。类似地，当由负载或消耗装置获取的电力降低时，DC电压母线的DC电压将增加，而无需由能量存储器转换器进行控制。因此，当DC电压增加时，能量存储器转换器将电力馈送至能量存储器，并且从而将DC电压控制为设定值。

根据该方法，检测能量存储器转换器的电力流，并且基于所检测到的电力流来改变DC电压基准。DC电压基准的改变也会改变从燃料电池获取的电力量。

电力流的检测优选地基于来自能量存储器的电流或者基于能量存储器的荷电水平的改变。当从能量存储器汲取电流时，能量存储器转换器将电力馈送至DC电压母线以将电压保持在设定值处。另一方面，当电流的方向朝向能量存储器时，电力从DC电压母线被馈送至能量存储器。因此，电流的方向指示DC分布系统的负载是增加还是减少。类似地，如果监测能量存储器的荷电水平，则可以检测能量存储器的电力流。如果荷电水平增加，则负载减少，并且如果荷电水平降低，则负载增加。

当检测到能量存储器转换器的电力流时，改变给予能量存储器转换器的DC电压基准。当能量存储器转换器实现改变了的电压基准时，DC电压母线的DC电压改变并且这种改变导致从燃料电池获取的电力的改变。如上面提到的，燃料电池的电压决定了从燃料电池汲取的电流的量。也就是说，如果DC电压母线的DC电压降低，则来自燃料电池的电流和功率增加。类似地，如果DC电压母线的DC电压增加，则来自燃料电池的电流和功率降低。当在合适的电压范围中操作时，燃料电池DC至DC转换器可以被切换至其中转换器不改变电压水平但是输出电压可以直接连接至DC电压母线的模式。在低负载期间，燃料电池转换器将燃料电池的输出电压转换成对应于DC电压母线的最大可接受电压值的水平。当负载增加时，燃料电池电压降低至最大可接受电压值以下，并且燃料电池转换器可以将电压直接切换至DC电压母线，而无需任何转换。一旦燃料电池的电压处于最高可允许电压以下，燃料电池电压就会随着DC电压母线的电压浮动。根据实施方式，燃料电池通过DC至DC转换器电连接至DC电压母线，该DC至DC转换器优选地为电压降低转换器例如降压转换器。

当在恒定负载下以稳定状态操作时，馈送至负载的所有电力由燃料电池生成，并且能量存储器转换器不馈送任何电力。图4结合系统的电压波形示出了系统的操作的示例。图4的上图示出了DC电压母线的上电压极限U_{DC_max}和DC母线电压51。下图示出了来自燃料电池52的功率、负载功率53以及来自能量存储器54的功率。系统的操作处于稳定状态，直至负载功率增加的时刻t1为止。在稳定状态下，燃料电池供应负载所需的所有功率，并且因此负载功率53和燃料电池功率52的波形交叠。当负载(在t1处)增加时，能量存储器转换器将DC电压保持在设定值处，并且如由从能量存储器54增加的功率指示的那样，功率从能量存储器被馈送至负载。能量存储器可以快速提供能量以补偿改变了的状况。由于DC电压未改变，因此来自燃料电池的电力保持恒定。

负载增加直至时刻t2为止。在相同的时刻t2，检测到能量存储器转换器的电力流，并且DC电压基准51被降低。DC电压基准的降低使得从燃料电池获取的功率52增加，并且当DC电压基准降低时，燃料电池再次产生负载所需的所有功率，并且能量存储器的功率降低至零。

在由图4所示的示例中，电压基准被降低以对能量存储器进行充电。来自能量存储器54的功率从时刻t3开始具有负值，这意味着功率从燃料电池被馈送至能量存储器。在时刻t4处，认为能量存储器具有足够的电荷并且电压基准斜回至其中能量存储器转换器的功率为零的值。在时刻t5处实现了新的稳定状态操作并且对能量存储器进行充电。

当检测到来自能量存储器的电力流时，DC电压基准不会立即改变。电压基准优选地在检测到电力流之后的预定时间延迟之后或者在能量存储器的电荷已经改变了一定量之后改变。

给予能量存储器转换器的DC电压基准优选地线性改变，使得该基准具有最大斜率，使得燃料电池的动态可以应对该改变。

根据实施方式，连接在燃料电池与DC电压之间的DC至DC转换器为升降压转换器，该升降压转换器被操作成使得在燃料电池的电压高于DC电压母线的上限时，使用燃料电池转换器将电压降低至可接受的值，该可接受的值优选地为DC电压母线的上限。此外，用作燃料电池转换器的升降压转换器被操作成在燃料电池的电压低于DC电压母线的下限时提升电压。来自燃料电池的电压优选地被提升至优选地为DC电压母线的下限的值。由上限和下限限制的电压范围使得连接至DC母线的设备能够在不超过该设备的额定值的情况下操作。当燃料电池的电压在该限度内时，电压自由浮动并且燃料电池直接连接至DC母线。

图3示出了使得能够增加和降低从燃料电池至DC母线的电压的升降压转换器的示例。此外，转换器使得能够在燃料电池的电压在该限度内时将燃料电池直接连接至DC母线。在图3中，开关S1被控制为导通状态，以用于将燃料电池FC的电压直接连接至DC母线。当开关S1被调制时，转换器以降压模式操作。此外，当开关S2被调制并且S1被导通时，转换器以升压模式操作。

该方法适用于例如其中交流电力网不可用的孤立环境。这种孤立环境的示例为船舶、船或车辆。在船或船舶中，该方法和装置向其中可以服务于负载的DC电压分布系统以提高的效率提供从燃料电池获得的电力。在图2的示例中，示出了与船舶或船有关的DC电压分布系统，其中，负载24是由逆变器31馈送的推进系统，并且负载23包括需要具有固定频率交流电压的消耗装置。固定频率还可以由逆变器30提供。负载23被示出为变压器，变压器还可以连接至逆变器的输出，以用于降低电压水平。此外，图2示出了可以与该方法和装置结合使用的一些电压范围。燃料电池的操作电压范围被示出为从700伏特至1100伏特，并且DC母线电压范围被示出为从700伏特至850伏特。所提供的示例指示，在低负载期间，燃料电池的电压需要降低，使得连接至DC母线的电压为850伏。此外，由于燃料电池的最低操作范围是700伏特，因此其等于DC母线电压的最低值。从而燃料电池转换器不需要任何升压功能。

优选地从电力管理控制器或者从类似的上位控制器向能量存储器控制器提供DC电压基准。同一电力管理控制器还获得产生DC电压基准所需的测量值。例如，这些测量值可以包括能量存储器转换器的电流或者能量存储器的荷电水平。

图5示出了可以用于控制DC电压分布系统的操作的控制系统的示例。为简单起见，图5的框图仅包含一个FC和一个能量存储器作为电源。示例中的能量存储器被示出为电池64。燃料电池DC至DC转换器62以电流控制模式操作，并且能量存储器DC至DC转换器63以电压控制模式操作。在更多的燃料电池连接至同一DC母线的情况下，需要考虑每个燃料电池的电压测量值以用于模式选择。燃料电池被对称地加载，这意味着每个燃料电池DC至DC转换器被给予相同的电流基准I_ref。在更多的能量存储器例如电池连接至同一DC母线的情况下，每个能量存储器DC至DC转换器被给予相同的电压基准V_ref。此外，代替使用一个电池的电流测量值I_bat，可以使用来自所有电池的电流测量值的总和。负载驱动器的操作不影响DC母线电压控制方法，并且因此从图5中省略了负载驱动器。

在图5的示例中，基于燃料电池电压V_fc存在三种操作模式。这些操作模式限定了燃料电池DC至DC转换器的操作方式以及获得DC母线电压基准的方式。最小DC母线电压(V_{dc_min})和最大DC母线电压(V_{dc_max})被设置成在任何时候都不影响系统操作。在模式选择块65中，基于燃料电池电压V_fc选择燃料电池转换器62的操作模式。当V_fc>V_{dc_max}时，使用降压模式。在此模式下，给予电池DC至DC转换器的电压基准V_ref为V_max。在示例中，信号开关69被示出为基于燃料电池电压来选择电压基准V_ref。第一PI控制器66用于获得燃料电池DC至DC转换器的电流基准I_ref。第一PI控制器66被调谐得慢，使得电池将总是首先对负载动态作出反应，并且燃料电池仅向DC母线供应基本负载。

还添加了荷电状态(SOC)控制器67以监测能量存储器64的SOC水平，并且在能量存储器的SOC值降低至允许的最小SOC值以下的情况下给予I_ref正偏移。在SOC水平超过最大允许SOC值的情况下，I_ref的偏移为负。

当V_{dc_min}≤V_fc≤V_{dc_max}时，使用燃料电池转换器的续流模式。在该模式下，不对燃料电池DC至DC转换器62进行控制并且燃料电池电流自由地流至DC母线。经由第二PI控制器68控制到电池DC至DC转换器63的V_ref以保持电池电流为零。该PI控制器也被调谐得慢以避免突然的电压变化，这种变化将被燃料电池视为负载阶跃。虽然在这种模式下燃料电池电流不受燃料电池DC至DC转换器62的控制，但是如上面描述的那样燃料电池电流仍通过调节DC母线电压来控制。SOC控制器67在电池SOC降低至允许的最小SOC值以下的情况下向V_ref添加负偏移，并且在电池SOC超过最大允许SOC值的情况下向V_ref添加正偏移。

当V_fc＜V_{dc_min}时，在燃料电池转换器62中使用升压模式。在该模式下，经由第一PI控制器66以与在降压模式下相同的方式再次控制燃料电池DC至DC转换器62。给予能量存储器DC至DC转换器的电压基准为V_nom。使用V_nom代替使用V_{dc_min}的原因是，在该模式下，负载通常高，并且因此DC母线电压水平需要足够高。SOC控制器67以与在降压模式下相同的方式工作。电流基准被示出为被馈送至与转换器62连接的PWM(脉冲宽度调制)块。PWM块根据操作模式向转换器产生合适的开关命令。电压基准被馈送至与能量存储器转换器63连接的控制块。该控制块操作转换器63的开关以以期望的方式控制DC至DC转换器。转换器62、63的拓扑不固定于任何特定的拓扑。

虽然结合图5未示出负载，但是该负载可以为例如船舶的推进驱动器和消耗装置负载的组合。

本公开内容中使用的能量存储器可以为电池、超级电容器或存储电能的任意类似设备。

对于本领域技术人员将明显的是，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求书的范围内改变。

Claims (8)

1.一种控制DC电压分布系统的方法，所述DC电压分布系统包括：

DC电压母线，

燃料电池，其电连接至所述DC电压母线，

能量存储器和能量存储器转换器，其中，所述能量存储器转换器的输入连接至所述能量存储器，并且所述能量存储器转换器的输出连接至所述DC电压母线，

其中，所述方法包括：

为所述能量存储器转换器提供DC电压基准，所述能量存储器转换器通过从所述能量存储器提供电力或者向所述能量存储器提供电力来控制所述DC电压母线的电压，

检测所述能量存储器转换器的电力流，以及

基于所检测到的电力流来改变所述DC电压基准以改变从所述燃料电池获取的电力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，进一步改变所述DC电压基准以对所述能量存储器进行充电。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述DC电压分布系统包括燃料电池转换器，其中，所述燃料电池转换器的输入连接至所述燃料电池，并且所述燃料电池转换器的输出连接至所述DC电压母线。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述燃料电池转换器被操作成在所述燃料电池的电压高于针对所述DC电压母线的DC电压设定的上限时将燃料电池电压转换为较低值。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述燃料电池转换器被操作成在所述燃料电池的电压低于针对所述DC电压母线的DC电压设定的下限时将燃料电池电压转换为较高值。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，在所检测到的电力流朝向所述能量存储器时增加所述DC电压基准。

7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所检测到的电力流来自所述能量存储器时降低所述DC电压基准。

8.一种DC电压分布装备，所述DC电压分布装备包括：

DC电压母线，

燃料电池，其电连接至所述DC电压母线，

能量存储器和能量存储器转换器，其中，所述能量存储器转换器的输入连接至所述能量存储器，并且所述能量存储器转换器的输出连接至所述DC电压母线，

所述DC电压分布装备还包括用于以下的装置：

为所述能量存储器转换器提供DC电压基准，所述能量存储器转换器通过从所述能量存储器提供电力或者向所述能量存储器提供电力来控制所述DC电压母线的电压，

检测所述能量存储器转换器的电力流，以及

基于所检测到的电力流来改变所述DC电压基准以改变从所述燃料电池获取的电力。

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