CN114976108A - 燃料电池热电联供系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃料电池热电联供系统及控制方法，其中，燃料电池热电联供系统，供热装置与燃料电池连通，储能变流器的直流端分别与锂电池和燃料电池电连接，所述储能变流器的直流端还与DC/DC电路的输入端电连接，所述DC/DC电路的输入端与锂电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输入端还与燃料电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输出端与智能监控单元的输入端电连接；当所述燃料电池工作时，所述燃料电池产生的热量通过供热装置为用户提供热量，并基于用户需求用热量和燃料电池产生的热量控制供热装置；当外部电源异常时，所述储能变流器将锂电池和燃料电池输出的直流电转换为交流电后供交流负载使用。达到延长燃料电池使用寿命的目的。

Description

燃料电池热电联供系统及控制方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，尤其是涉及一种燃料电池热电联供系统及控制方法。

背景技术

热电联供技术是一种接近用户的高效供能技术，具有实现能量高效综合利用和节能减排的优点。但现有的基于氢燃料电池的热电联供方案输出功率低，并且没有具体的实现装置及控制方案，不能满足实际的应用场景。

现有技术的热电联供热管理系统和控制方法中，燃料电池的热电联供控制模式包括电需求控制模式和热需求控制模式，获得燃料电池的热电联供控制模式，当热电联供控制模式为热需求控制模式时：检测储热水箱内的水箱温度，根据水箱温度确定燃料电池的输出功率，燃料电池以确定的输出功率工作。现有控制方法根据不同水箱温度确定燃料电池以不同输出功率对储热水箱内的水进行加热，每个水箱温度对应一个输出功率，现有技术根据水温判断是否启动燃料电池，燃料电池频繁启停会对燃料电池系统造成危害。同时现有技术仅考虑了供热控制，没有考虑供电和用户需求的匹配，难以应用与实际场景。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种燃料电池热电联供系统及控制方法，至少部分的解决现有技术中存在的燃料电池频繁启停对燃料电池系统造成危害的问题。

第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池热电联供系统，包括储能变流器、锂电池、燃料电池、供热装置、智能监控单元和DC/DC电路；

供热装置与燃料电池连通，储能变流器的直流端分别与锂电池和燃料电池电连接，所述储能变流器的直流端还与DC/DC电路的输入端电连接，所述DC/DC电路的输入端与锂电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输入端还与燃料电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输出端与智能监控单元的输入端电连接；

当所述燃料电池工作时，所述燃料电池产生的热量通过供热装置为用户提供热量，并基于用户需求用热量和燃料电池产生的热量控制供热装置；

当外部电源异常时，所述储能变流器将锂电池和燃料电池输出的直流电转换为交流电后供交流负载使用。

可选的，所述供热装置，包括热交换器、第二电子节温器、主散热器和用户供热设备；

燃料电池的电堆与热交换器连通，热交换器分别与主散热器和用户供热设备连通，所述热交换器和主散热器连通的管道上设置第二电子节温器。

可选的，所述电堆与热交换器连通的管道上设置第一电子节温器。

可选的，电堆的输出端与第一电子节温器之间设置第六温度传感器，所述电堆的输入端与第一电子节温器之间设置第七温度传感器，所述主散热器的输出端设置第一温度传感器，第一温度传感器和第七温度传感器之间设置第二温度传感器。

可选的，热交换器和用户供热设备输入端的管道上设置第五温度传感器，所述热交换器和用户供热设备输出端的管道上设置第四温度传感器，热交换器和第二电子节温器之间设置第三温度传感器，所述热交换器和用户供热设备输入端的管道上设置第一压力控制阀，所述热交换器和用户供热设备输出端的管道上设置第二压力控制阀。

第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池热电联供系统的控制方法，用于第一方面所述的燃料电池热电联供系统，包括：

燃料电池基于接收的目标功率开机运行；

基于获取的燃料电池的电堆输出端的实时温度、电堆输入端的实时温度、供热装置的第二电子节温器和电堆之间的实时温度和电堆输入端的目标温度控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热。

可选的，控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热的步骤之后还包括：

检测电堆产生热量Q是否大于用户供热设备的需求散热量Qr与主散热器的风扇静态散热量Qs之和；

当判断结果为是时，打开热交换器与主散热器之间的通道，主散热器散热。

可选的，所述主散热器散热，包括：

根据电堆输入端的实时温度和电堆输入端的目的温度计算主散热器的风扇转速；

基于所述转速控制风扇运转。

可选的，当判断结果为否时，判断用户供热设备的需求散热量Qr是否大于电堆产生热量Q；

当用户供热设备的需求散热量Qr大于电堆产生热量Q时产生警告信息；

当用户供热设备的需求散热量Qr不大于电堆产生热量Q时打开热交换器与主散热器之间的通道。

可选的，当控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热时，判断外部电源是否正常；

当外部电源正常时，外部电源为负载提供电力；

当外部电源异常时，储能变流器将氢燃料电池能量转为交流电，并通过隔离变压器稳定输出到用户负载。

本发明提供的燃料电池热电联供系统及控制方法，其中该燃料电池热电联供系统，通过并基于用户需求用热量和燃料电池产生的热量控制供热装置，并当外部电源异常时，为交流负载提供电能，根据用户用热需求控制供热装置，避免了燃料电池频繁启停，从而达到延长燃料电池使用寿命的目的。本发明提供的控制方法，通过控制燃料电池发动机输出目标功率，并计算当前功率下的发动机散热量和输出电量，输出电量全部转化为用户供电，输出散热量通过和用户需求散热量进行比较来计算节温器的开度，在满足用户用热用电需求的同时实现了发动机的稳态运行，提高了可靠性，延长了发动机的使用寿命。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本公开实施例提供的燃料电池热电联供系统的原理框图；

图2为本公开实施例提供的供热装置的原理框图；

图3为本公开实施例提供的控制方法的流程图；

附图说明：

1-热交换器；2-第二电子节温器；3-主散热器；4-第一电子节温器；5-第一压力控制阀；6-第二压力控制阀。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

应当明确，以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

燃料电池：燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

热电联供：燃料电池热电联供，是利用燃料电池发电技术同时向用户供给电能和热能的生产方式。用燃料电池运行过程中产生的余热供热，可提高能源的利用效率，而且减少二氧化碳和其他有害气体的排放。

逆变器：逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V,50Hz正弦波）的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

DC/DC电路：将直流电转化为直流电。

DC/AC电路：将直流电转化为交流电。

储能变流器包括DC/AC电路，DC/AC电路包括逆变器。

为了便于理解，如图1所示，本实施例公开了一种一种燃料电池热电联供系统，包括储能变流器、锂电池、燃料电池、供热装置、智能监控单元和DC/DC电路；

供热装置与燃料电池连通，储能变流器的直流端分别与锂电池和燃料电池电连接，所述储能变流器的直流端还与DC/DC电路的输入端电连接，所述DC/DC电路的输入端与锂电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输入端还与燃料电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输出端与智能监控单元的输入端电连接；

当所述燃料电池工作时，所述燃料电池产生的热量通过供热装置为用户提供热量，并基于用户需求用热量和燃料电池产生的热量控制供热装置；

当外部电源异常时，所述储能变流器将锂电池和燃料电池输出的直流电转换为交流电后供交流负载使用。

在一个具体的示例中，外部电源为市电。

可选的，所述供热装置，包括热交换器、第二电子节温器、主散热器和用户供热设备；

燃料电池的电堆与热交换器连通，热交换器分别与主散热器和用户供热设备连通，所述热交换器和主散热器连通的管道上设置第二电子节温器。

可选的，所述电堆与热交换器连通的管道上设置第一电子节温器。

可选的，电堆的输出端与第一电子节温器之间设置第六温度传感器，所述电堆的输入端与第一电子节温器之间设置第七温度传感器，所述主散热器的输出端设置第一温度传感器，第一温度传感器和第七温度传感器之间设置第二温度传感器。

可选的，热交换器和用户供热设备输入端的管道上设置第五温度传感器，所述热交换器和用户供热设备输出端的管道上设置第四温度传感器，热交换器和第二电子节温器之间设置第三温度传感器，所述热交换器和用户供热设备输入端的管道上设置第一压力控制阀，所述热交换器和用户供热设备输出端的管道上设置第二压力控制阀。

在一个具体的示例中，燃料电池为氢燃料电池，氢燃料电池应急电源装置，在电网断电时候，可快速响应为负载供电；当无电网时应急电源装置可独立持续为负载供电；在客户使用电网功率不足时可进行功率补充，并且需实现离网和并网的切换。在发电的同时将燃料电池产生的热量进行供暖。供电系统由电源切换开关（含进线开关）、储能变流器、燃料电池发动机、智能监控单元及锂电池组等组成。供电系统工作原理：

市电供电的同时储能变流器给锂电池充电；市电故障，储能变流器将氢燃料电池能量转为交流电（低温或氢燃料电池启动阶段，锂电池组支撑系统直流母线电压），并通过隔离变压器稳定输出；

市电恢复，断开装置开关，市电正常为负载供电，氢燃料电池应急电源装置恢复接入电网；

实时上传氢燃料电池应急电源装置的各设备单元运行状态、电池运行信息、配电运行信息及对应的故障告警、保护等信息；

如图2所示，一种燃料电池热电联供系统的控制方法，包括：

燃料电池基于接收的目标功率开机运行；

基于获取的燃料电池的电堆输出端的实时温度、电堆输入端的实时温度、供热装置的第二电子节温器和电堆之间的实时温度和电堆输入端的目标温度控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热。

可选的，控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热的步骤之后还包括：

检测电堆产生热量Q是否大于用户供热设备的需求散热量Qr与主散热器的风扇静态散热量Qs之和；

当判断结果为是时，打开热交换器与主散热器之间的通道，主散热器散热。

可选的，所述主散热器散热，包括：

根据电堆输入端的实时温度和电堆输入端的目的温度计算主散热器的风扇转速；

基于所述转速控制风扇运转。

可选的，当判断结果为否时，判断用户供热设备的需求散热量Qr是否大于电堆产生热量Q；

当用户供热设备的需求散热量Qr大于电堆产生热量Q时产生警告信息；

当用户供热设备的需求散热量Qr不大于电堆产生热量Q时打开热交换器与主散热器之间的通道。

在一个具体的示例中，通过开启第二电子节温器打开热交换器与主散热器之间的通道，第二节温器的开度根据第三温度传感器T3的实时温度、第一温度传感器T1的实时温度、第七温度传感器T7的实时温度和温度第七温度传感器T7的目标值计算。

可选的，当控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热时，判断外部电源是否正常；

当外部电源正常时，外部电源为负载提供电力；

当外部电源异常时，储能变流器将氢燃料电池能量转为交流电，并通过隔离变压器稳定输出到用户负载。

在一个具体的示例中，控制方法包括

步骤S1：供电系统能量管理控制器向燃料电池发送目标功率，燃料电池以此功率为目标；

步骤S2：燃料电池收到开机命令后执行开机操作；

步骤S3：燃料电池开机运行一段时间，电堆温度上升，在开机过程中锂电池组支撑系统直流母线电压，保障燃料电池能够正常开机；

步骤S4：第一电子节温器开启，第一电子节温器开度计算根据第二温度传感器T2的实时温度、第六温度传感器T6的实时温度、第七温度传感器T7的实时温度T7和第七温度传感器T7的目标值。

步骤S5：冷却液流经热交换器，通过热交换器换热量对电堆散热；

步骤S6：比较热量关系，设用户通过水泵控制用户需求散热量Qr，比较需求散热量Qr和电堆产热量Q的关系，设风扇静态散热量为Qs，由电堆输出电流计算电堆产热量Q，根据Qr，Q和Qs判断是否开启第二电子节温器和主散热器；

步骤S7：若Qr+Qs<Q，则跳入步骤S8，若否，则跳入步骤S13；

步骤S8：第二电子节温器全开；

步骤S9：第二节温器全开后计算风扇转速，风扇转速根据第七温度传感器T7的实时温度T7和第七温度传感器T7的目标值计算，风扇开始运转。

步骤S10：判断市电是否正常，若是则跳入步骤S12，若否则跳入步骤S11；

步骤S11：储能变流器将氢燃料电池能量转为交流电，并通过隔离变压器稳定输出到用户负载；

步骤S12：燃料电池的输出经过储能变流器的DC/AC变换并入市电，同时给锂电池组充电。进一步，在市电故障状态下若市电重新恢复正常，则断开热电联供装置开关，待市电正常带负载供电，热电联供装置恢复接入电网；

步骤S13：若Qr>Q，则跳入步骤S14，若否，则跳入步骤S15；

步骤S14：向用户发送警告命令，并维持当前需求散热量Qr不变；

步骤S15：开启第二电子节温器，第二电子节温器开度第三温度传感器T3的实时温度、第一温度传感器T1的实时温度、第七温度传感器T7的实时温度和温度第七温度传感器T7的目标值计算。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

在本公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或AB或AC或BC，或ABC（即A和B和C）。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。

还需要指出的是，在本公开的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。

可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本公开的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括储能变流器、锂电池、燃料电池、供热装置、智能监控单元和DC/DC电路；

供热装置与燃料电池连通，储能变流器的直流端分别与锂电池和燃料电池电连接，所述储能变流器的直流端还与DC/DC电路的输入端电连接，所述DC/DC电路的输入端与锂电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输入端还与燃料电池的输出端电连接，所述DC/DC电路的输出端与智能监控单元的输入端电连接；

当所述燃料电池工作时，所述燃料电池产生的热量通过供热装置为用户提供热量，并基于用户需求用热量和燃料电池产生的热量控制供热装置；

当外部电源异常时，所述储能变流器将锂电池和燃料电池输出的直流电转换为交流电后供交流负载使用。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述供热装置，包括热交换器、第二电子节温器、主散热器和用户供热设备；

燃料电池的电堆与热交换器连通，热交换器分别与主散热器和用户供热设备连通，所述热交换器和主散热器连通的管道上设置第二电子节温器。

3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述电堆与热交换器连通的管道上设置第一电子节温器。

4.根据权利要求3所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，电堆的输出端与第一电子节温器之间设置第六温度传感器，所述电堆的输入端与第一电子节温器之间设置第七温度传感器，所述主散热器的输出端设置第一温度传感器，第一温度传感器和第七温度传感器之间设置第二温度传感器。

5.根据权利要求4所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，热交换器和用户供热设备输入端的管道上设置第五温度传感器，所述热交换器和用户供热设备输出端的管道上设置第四温度传感器，热交换器和第二电子节温器之间设置第三温度传感器，所述热交换器和用户供热设备输入端的管道上设置第一压力控制阀，所述热交换器和用户供热设备输出端的管道上设置第二压力控制阀。

6.一种燃料电池热电联供系统的控制方法，用于权利要求2至5任一所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括：

燃料电池基于接收的目标功率开机运行；

基于获取的燃料电池的电堆输出端的实时温度、电堆输入端的实时温度、供热装置的第二电子节温器和电堆之间的实时温度和电堆输入端的目标温度控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热的步骤之后还包括：

检测电堆产生热量Q是否大于用户供热设备的需求散热量Qr与主散热器的风扇静态散热量Qs之和；

当判断结果为是时，打开热交换器与主散热器之间的通道，主散热器散热。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述主散热器散热，包括：

根据电堆输入端的实时温度和电堆输入端的目的温度计算主散热器的风扇转速；

基于所述转速控制风扇运转。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当判断结果为否时，判断用户供热设备的需求散热量Qr是否大于电堆产生热量Q；

当用户供热设备的需求散热量Qr大于电堆产生热量Q时产生警告信息；

当用户供热设备的需求散热量Qr不大于电堆产生热量Q时打开热交换器与主散热器之间的通道。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当控制电堆与热交换器之间管道的开度为用户供热设备供热时，判断外部电源是否正常；

当外部电源正常时，外部电源为负载提供电力；

当外部电源异常时，储能变流器将氢燃料电池能量转为交流电，并通过隔离变压器稳定输出到用户负载。

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