CN115176395A - 用于燃料电池系统的容错电气架构 - Google Patents

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Abstract

在操作燃料电池系统的稳态模式期间，系统电力由燃料电池产生，并且经由稳态总线被提供给第一BOP负载、第二BOP负载以及经由变压器并且经由双向第一逆变器或双向第二逆变器中的至少一个被提供给电网。在燃料电池系统的启动模式操作期间，来自电网的外部电力通过变压器、通过第一逆变器或第二逆变器之一以及通过启动总线被提供给第一BOP负载和第二BOP负载。

Description

用于燃料电池系统的容错电气架构
技术领域
本公开总体上涉及电力电子装置(power electronics)，并且具体地涉及用于燃料电池电力产生系统的容错电气架构(fault tolerant electrical architecture)。
背景技术
由于达到燃料电池产生电力的操作温度所需的时间，当前的燃料电池系统可能在启动期间消耗电力。这种电力通常是通过将公用设施AC电压转换成DC电压产生的，该DC电压可以由为燃料电池的设备平衡(BOP)部件和其他寄生负载供电的转换器使用。常规上，这种转换需要额外的部件，如变压器、整流器、保险丝和接线，它们在稳态操作期间并未使用，这可能代表系统寿命周期的大部分。因此，需要更好的部件利用率以降低系统成本。
发明内容
根据实施例，燃料电池系统包括逆变器模块和电源模块。逆变器模块包括：变压器，所述变压器电连接到被配置为连接到外部电源的外部电源总线；双向第一逆变器和第二逆变器，所述双向第一逆变器和第二逆变器被电连接到变压器；故障二极管，所述故障二极管被电连接到第一逆变器；和第一设备平衡(BOP)负载。电源模块包括燃料电池和第二BOP负载。稳态总线将第一逆变器和第二逆变器电连接到第一BOP负载、第二BOP负载和燃料电池，并且启动总线将第一逆变器和第二逆变器电连接到第一BOP负载和第二BOP负载。在系统的稳态模式操作期间，系统电力由燃料电池产生，并且经由稳态总线提供给第一BOP负载、第二BOP负载以及第一逆变器和第二逆变器中的至少一者。在系统的启动模式操作期间，来自外部电源总线的外部电力经由第一逆变器或第二逆变器之一并且经由启动总线被提供给第一BOP负载和第二BOP负载。
根据另一个实施例，一种操作燃料电池系统的方法包含：在系统的稳态模式操作期间，通过燃料电池产生系统电力，并且经由稳态总线将系统电力提供给第一设备平衡(BOP)负载、第二BOP负载以及经由变压器并且经由双向第一逆变器或双向第二逆变器中的至少一者提供给电网(power grid)，并且在系统的启动模式操作期间，经由变压器、经由第一逆变器或第二逆变器之一以及经由启动总线将来自电网的外部电力提供给第一BOP负载和第二BOP负载。
附图说明
并入本文中并构成本说明书的一部分的附图示出了所公开的装置和方法的实例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
图1A是示出了根据本公开的比较实施例的在系统启动期间通过燃料电池系统的电气架构的电力流的示意图，并且图1B是示出了在稳态操作期间通过燃料电池系统电气架构的电力流的示意图。
图2是示出了根据本公开的另一比较实施例的燃料电池系统的电气架构的示意图。
图3A和3B是示出了根据本公开的各种实施例的在启动期间通过燃料电池系统的电气架构的电力流的示意图，并且图3C是示出了在稳态操作期间通过电气架构的电力流的示意图。
图4A是示出了根据本公开的各种实施例的在启动期间通过燃料电池系统的电气架构的电力流的示意图，图4B是示出了在稳态操作期间通过图4A的电气架构的电力流的示意图，并且图4C是示出了在系统部件的测试期间通过图4A的电气架构的电力流的示意图。
具体实施方式
将参考随附图式详细描述各种实例。在可能的情况下，在整个附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。提及特定实例和实施方案是出于说明性目的，而非旨在限制本发明或权利要求书的范围。还应理解，图式中所展示的实例不相互排斥。一个实例中(例如，一张图式中)所展示的特征可包含在其它实例中(例如，其它图式中)。
燃料电池电力产生系统，例如基于固体氧化物燃料电池(SOFC)的分布式电力产生系统，在稳态电力产生模式期间可能具有相对高的操作温度，例如对于SOFC为750℃及以上的温度。因此，在系统启动期间，此类系统通常由外部源(例如连接的公用设施或其他外部AC发电机)提供电力，以便为设备平衡(BOP)元件(例如风扇、鼓风机、开关等)和/或寄生负载提供电力。
可通过将外部提供的AC电压转换成可由转换器使用的DC电压来提供此外部启动电力，从而对BOP元件和其它寄生负载供电。
图1A是示出了根据本公开的比较例的在系统启动期间通过燃料电池系统10的电气架构的电力流的示意图，并且图1B是示出了在稳态操作期间通过燃料电池系统的电气架构的电力流的示意图。如所属领域的一般技术人员将显而易见，除非另外规定，否则下文所描述的部件“连接”意图指代“电连接”。
参考图1A和1B，系统10可以包含逆变器模块200和至少一个电源模块100，所述电源模块100包含燃料电池110。燃料电池110可以被布置成一或多个堆或列。燃料电池110可包含固体氧化物燃料电池，其具有由导电互连板分离的陶瓷氧化物电解质。可以使用其他燃料电池类型，如质子交换膜(PEM)、熔融碳酸盐、磷酸等。电源模块100可由启动总线和燃料电池(例如，稳态)总线连接到逆变器模块200，如下文所描述。在一些实施例中，系统10可包含各自连接到多个电源模块100的多个逆变器模块200。
系统10可以包含被配置为控制逆变器模块200和/或电源模块100的操作的控制器50。控制器50可以被设置在逆变器模块200或电源模块100中或可操作地连接到逆变器模块200或电源模块100。控制器50可以包含被配置为存储操作软件的中央处理单元和/或存储器。在一些实施例中，控制器50可以提供接口以允许操作者控制系统10。
逆变器模块200可以包含稳态变压器202和启动变压器204，它们通过外部电源总线226被连接到外部电源，例如电力公用设施201(例如，电网或外部发电机)。稳态变压器202可以被连接到AC/DC逆变器212。逆变器212可以被连接到稳态二极管210，稳态二极管210被连接到第一设备平衡负载BOP1。启动变压器204可以被连接到整流器206。整流器206可以经由启动总线222被连接到连接至负载BOP1的启动二极管208。
电源模块100可以包含DC/DC转换器218、启动二极管214和稳态二极管216。DC/DC转换器218可以被电连接到逆变器212和电源模块100的燃料电池110。DC/DC转换器218也可以被连接到稳态二极管216。二极管214、216可以被连接到第二设备平衡负载BOP2。启动二极管214也可以被电连接到整流器206。
参考图1A，在系统10的启动期间，在燃料电池110达到稳态操作温度(例如，至少750℃，如对于SOFC为750℃至900℃)之前，燃料电池110可能不会产生足够用于BOP负载的电力量。因此，在启动期间，来自公用设施的电力经由启动总线222被提供给负载BOP1、BOP2。特别地，电力经由启动总线222流过启动变压器204、整流器206、启动二极管208、214，然后流动到BOP负载BOP1、BOP2。在系统启动期间不使用逆变器212、转换器218和稳态总线220。
参考图1B，一旦燃料电池达到期望的稳态操作温度(例如，750℃及以上)，系统10的稳态操作开始，并且电力从燃料电池110被提供给负载BOP1、BOP2。具体而言，电力从燃料电池110经由稳态总线220流过DC/DC转换器218、逆变器212，并通过稳态变压器202流到公用设施和/或任何本地负载。根据需要，电力也通过稳态二极管210、216被转移到负载BOP1、BOP2。因此，不使用整流器206和启动变压器204。当燃料电池110足够热以产生电力时，稳态模式操作一直继续进行，这几乎占了燃料电池的所有使用寿命。这包含变压器202、204与公用设施201(例如，电网)断开连接的时间段，在此期间稳态变压器202将来自燃料电池110的电力提供到本地负载“L”而不是电网。
因此，在稳态操作期间，不使用在启动期间用于电力转换的变压器204、整流器206、保险丝(未示出)和接线，稳态操作代表系统10的大部分寿命周期。因此，这种架构增加了系统10的成本并降低了系统10的能量密度。整流器206也可以在启动期间产生谐波电流。
图2是示出了根据本公开的另一比较实施例的燃料电池系统20的电气架构的示意图。系统20的电气架构类似于图1A和B中所示的系统10的电气架构，因此将仅详细地讨论它们之间的差异。
参照图2，系统20包含通过组合总线224电连接的电源模块100A和逆变器模块200A。逆变器模块200A包含电连接到组合总线224的双向逆变器240。双向逆变器240可以将从公用设施提供的AC电力转换成适合于在系统启动期间驱动负载BOP1、BOP2的DC电力，并且可以将来自燃料电池110的DC电力转换成可以在稳态操作期间提供给公用设施的AC电力。换句话说，组合总线224可用于在稳态操作和启动操作两者期间传输电力。这样，图1A和1B的系统10的启动总线222、启动变压器204、整流器206和启动二极管208、214可以从系统20中省略，而在启动期间没有功能损失。
然而，如图2中的“X”所示，组合总线224上的故障可能会阻止向电源模块100A的BOP负载供应电力，因为没有替代的电源。这可以导致燃料电池110的强制关闭，在此期间，在系统20被重启并且燃料电池110返回到操作温度之前，燃料电池110的温度可以下降到低于操作温度。换句话说，强制关闭可能导致燃料电池110的热循环，这可能对燃料电池110的长期健康有害。这种热循环可能需要早期更换燃料电池，以便维持所需的电力输出。
图3A是示出了根据本公开的各种实施例的在启动期间通过燃料电池系统30的电气架构的电力流的示意图。系统30的电气架构类似于图1A和1B所示的系统10的电气架构，因此将仅详细地讨论它们之间的差异。参照图3A，系统30包含通过稳态总线220和启动总线222电连接的电源模块100和逆变器模块300。虽然示出了一个电源模块100，但是系统30可以包含电连接到逆变器模块300的多个电源模块100。系统30还可以包含被配置为控制系统30的稳态和启动操作的控制器50。
逆变器模块300可以包含第一双向逆变器240、第二双向逆变器242和至少一个单向第三逆变器244(例如，一个至十个单向逆变器)，其可以通过外部电源总线226被电连接到电力公用设施(例如，系统30外部的电源)和系统变压器302。逆变器模块300包含以启动模式和稳态模式操作的单个系统变压器302，而不是图1A和1B所示的两个变压器202、204。逆变器模块300还可以包含启动二极管208和稳态二极管210，它们被电连接到第一设备平衡负载BOP1。逆变器模块300还可以包含故障二极管230和任选的辅助二极管232。
电源模块100可以包含电连接到启动总线222的启动二极管214和电连接到稳态总线220的稳态二极管216。两个二极管214、216控制流向第二负载BOP2的电流。
在启动模式期间，如图3A中的箭头所示，外部电源总线226可以将来自公用设施201的电力顺序地提供给系统变压器302和第一逆变器240。变压器302可以操作以改变公用设施电力的电压，并且第一逆变器240可以操作以将AC公用设施电力(即，交流电)转换成DC电力(即，直流电)。然后，启动总线222可以通过启动二极管208向第一负载BOP1提供公用设施电力。因此，第一逆变器240可以作为整流器操作，并且可以省略图1A中所示的单独的整流器206和启动变压器204，以降低系统30的成本。因此，系统30可以排除任何附加的变压器(除了单个系统变压器302)和任何整流器。启动总线222还可以通过启动二极管214将公用设施201电力提供给第二负载BOP2。故障二极管230防止电流在启动模式期间通过稳态总线220流入燃料电池110中。第二逆变器242可以保持关闭，使得电力不通过第二逆变器242传递到稳态总线220。此外，由于第三逆变器244是单向的，所以第三逆变器244也可以防止在启动期间向稳态总线220供应电力。因此，在系统启动期间，逆变器模块300可以被配置为经由启动总线222向负载BOP1、BOP2两者供应公用设施电力。
图3B是示出了根据本公开的各种实施例的在故障启动期间通过燃料电池系统30的电气架构的电力流的示意图。参考图3B，如果第一逆变器240在系统启动模式期间经历故障，则第二逆变器242被打开并且第一逆变器240被关闭。因此，来自公用设施的电力从变压器302流动到第二逆变器242，然后经由稳态总线220提供给负载BOP1、BOP2，如实心箭头所示。在此时间期间，DC/DC转换器218可以被关闭以防止公用设施201的电力到达燃料电池110。电力也可以通过启动总线222从稳态总线220提供给负载BOP1、BOP2，如虚线箭头所示。因此，如果在总线220、222中的一个上发生故障，则仍然可以经由总线220、222中未发生故障的另一个向负载BOP1、BOP2提供电力。
图3C是示出了根据本公开的各种实施例的在稳态模式操作期间通过燃料电池系统30的电气架构的电力流的示意图。参考图3C，在稳态操作期间，DC电力(即，直流电流)从燃料电池110被提供给DC/DC转换器218(该转换器被打开用于电压转换)，然后经由稳态总线220分别通过二极管210和216提供给负载BOP1、BOP2，如箭头所示。稳态总线220还经由第一逆变器240和第三逆变器244以及任选地经由第二逆变器242向公用设施201提供电力。因此，在稳态模式期间，所有逆变器240、242、244可以被打开，或者在稳态模式期间，只有第一逆变器240和第三逆变器244可以被打开，并且第二逆变器242可以被关闭。如果第二逆变器242被关闭，则如果在稳态总线220上存在故障和/或如果燃料电池110不产生电力或产生不足的电力，则故障二极管230防止来自公用设施201的电力在稳态模式期间回流到稳态总线220中。
从控制的角度来看，当由燃料电池110提供给稳态总线220的电压等于或大于负载BOP1、BOP2所需的电压时，第一逆变器240从稳态总线220输出与第三逆变器244相同的电力。如果由燃料电池110提供的电压小于负载BOP1、BOP2中的一个或两个所需的电压，则第一逆变器240经由启动总线222将电力从公用设施201输入到负载BOP1，并且任选地经由启动总线222输入到负载BOP2。可替代地，如果燃料电池为负载BOP2提供足够的电力，则燃料电池110经由稳态总线220和二极管216向负载BOP2提供电力，而公用设施201经由启动总线222和二极管208向负载BOP1提供电力。在这两种情况下，第一逆变器240忽略来自控制器50的将电力从燃料电池110输出到公用设施201的命令。在这种情况下，如果第二逆变器242被关闭，则故障二极管230阻止公用设施201的电力从第一逆变器240提供给稳态总线220。
图4A是示出了根据本公开的各种实施例的在启动期间通过燃料电池系统40的电气架构的电力流的示意图。系统40的电气架构类似于图3A-3C中所示的系统40的电气架构，因此将仅详细地讨论它们之间的差异。
参照图4A，系统40包含通过稳态总线220和启动总线222电连接的电源模块100和逆变器模块400。逆变器模块400包含逆变器模块300的部件。此外，逆变器模块400可以包含辅助电力转换器246、DC/DC转换器248、充电二极管234、辅助稳态总线221和辅助启动总线223。系统40还可以包含被配置为控制系统40的稳态和启动操作的控制器50。
辅助稳态总线221可以将稳态总线220电连接到辅助负载247。辅助稳态总线221也可以通过充电二极管234被连接到辅助启动总线223。辅助启动总线223可以将启动总线222电连接到电力存储装置250，如电池或超级电容器。根据辅助负载247的电力需求，辅助电力转换器246可以是DC/AC逆变器或DC/DC转换器。例如，如图4A中所示，辅助电力转换器246可以是被配置为向辅助负载247提供AC电力(即，交流电流)的DC/AC逆变器。在其他实施例中，辅助电力转换器246可以是被配置为向辅助负载247提供DC电力的DC/DC转换器。DC/DC转换器248可以被配置成将从能量存储装置250接收的电压转换成适合于为负载BOP1、BOP1供电的电压，并且可以被配置成将从辅助稳态总线221接收的电压转换成适合于存储在能量存储装置250中的电压。
在启动模式期间，系统40可以利用公用设施201的电力来为负载BOP1、BOP2供电，如以上关于图3A和3B所讨论的。可替代地，系统40可以被配置为在启动模式期间利用存储在能量存储装置250中的电力。例如，如图4A中所示，系统40可以被配置为使得在启动模式期间，来自能量存储装置250的电力可以经由辅助启动总线223和启动总线222被提供给负载BOP1、BOP2，如实心箭头所示。因此，系统40可以在外部电力(例如来自公用设施201的电力)不可用和/或在总线226上存在故障时被启动。在一些实施例中，在启动和/或稳态模式操作期间，来自能量存储装置250的电力可以任选地经由辅助稳态总线221被提供给辅助负载247。
辅助二极管232可以操作以防止由能量存储装置250经由辅助启动总线223提供到启动总线222的电力到达第一逆变器240，例如在启动操作期间。充电二极管234可以操作以在启动模式期间防止从公用设施201提供给启动总线222的电力流入能量存储装置250中而不是流入负载BOP1、BOP2中。
图4B是示出了根据本公开的各种实施例的在稳态模式期间通过燃料电池系统40的电气架构的电力流的示意图。参考图4B，在稳态模式操作期间，电力可以从燃料电池110经由稳态总线220被提供给负载BOP1、BOP2和公用设施201，如实心箭头所示。电力还可以通过稳态总线220和辅助稳态总线221从燃料电池110提供，以被存储在能量存储装置250中和/或提供给辅助负载247。
在一些实施例中，如果在稳态模式操作期间在逆变器240、242、244中的一个中发生故障，使得来自燃料电池110的一些或所有系统电力没有到达公用设施201，则系统40可以被配置为通过控制器50打开辅助逆变器246以经由稳态总线220和辅助稳态总线221向辅助负载247提供由燃料电池110产生的系统电力来稳定稳态总线220。
图4C是示出了根据本公开的各种实施例的在系统部件的测试期间通过燃料电池系统40的电气架构的电力流的示意图。参考图4C，在预并行检查(PPI)测试期间，来自能量存储装置250的电力可以经由辅助稳态总线221被提供给如逆变器240、242、244的部件，如图4C中的箭头所示。在测试期间，逆变器240、242、244中的每一个可以被单独开启和测试。因此，不需要单独的发电机来测试系统部件。在其他实施例中，可以使用由能量存储装置250提供的电力来测试其他系统部件。
在其它实施例中，在稳态操作期间，来自能量存储装置250的电力可以经由逆变器240、242、244中的任一个通过辅助稳态总线221和电源总线226被提供给公用设施201。来自能量存储装置250的电力可以补充由燃料电池110提供的电力。
因此，系统40简化了预并行检查测试。系统40包含双向逆变器240、242，双向逆变器240、242可以作为保持来自稳态总线220的电压的AC/DC逆变器操作，而其他逆变器240、242、244在PPI程序期间经受现场抗孤岛测试(on-site anti-islanding testing)。因此，可以消除卷起式发电机、笨重的PPI钻机以及执行相同测试所需的大量常规接线的使用。
根据一个实施例，一种操作燃料电池系统30或40的方法包含：在系统的稳态模式操作期间，通过燃料电池110产生系统电力，并且将系统电力经由稳态总线220提供给第一设备平衡(BOP)负载BOP1、第二BOP负载BOP2以及经由变压器302和经由双向第一逆变器240或双向第二逆变器242中的至少一者提供给公用设施电网201。在系统的启动模式操作期间，所述方法包含经由变压器302、经由第一逆变器240或第二逆变器242之一以及经由启动总线222将来自公用设施电网201的外部电力提供给第一BOP负载和第二BOP负载。
在一个实施例中，故障二极管230被电连接在第一逆变器240和稳态总线220之间。故障二极管230防止外部电力从启动总线222和第一逆变器240提供给稳态总线220，并且故障二极管允许系统电力在稳态模式期间从燃料电池110通过稳态总线220流动到第一逆变器240。
在一个实施例中，所述方法进一步包括当启动总线222在启动模式中出现故障时关闭第一逆变器240并打开第二逆变器242，以及当稳态总线220在稳态模式中出现故障时打开第一逆变器240并关闭第二逆变器242。
当第一逆变器被打开并且第二逆变器被关闭时，则在启动模式期间，第一逆变器240将从变压器302接收的外部电力转换成通过启动总线提供给第一BOP负载和第二BOP负载的直流(DC)电力。在稳态模式期间，当稳态总线没有故障时，第一逆变器240将从稳态总线220接收的系统电力转换成提供给变压器302的交流(AC)电力。在稳态模式期间，当稳态总线220发生故障时，第一逆变器240将从变压器302接收的外部电力转换成通过启动总线222提供给第一BOP负载和第二BOP负载的直流(DC)电力。
可替代地，当第二逆变器被打开并且第一逆变器被关闭时，则在启动模式期间，当启动总线222发生故障时，第二逆变器242将从变压器302接收的外部电力转换成通过稳态总线220提供给第一BOP负载和第二BOP负载的直流(DC)电力。在稳态模式期间，第二逆变器242将从稳态总线220接收的系统电力转换成提供给变压器302的交流(AC)电力。
在一个实施例中，第一启动二极管208允许电力在第一方向上流过启动总线222到达第一BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过启动总线，并且第二启动二极管214允许电力在第一方向上流过启动总线222到达第二BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过启动总线。第一稳态二极管210允许电力在第一方向上流过稳态总线220到达第一BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过稳态总线，并且第二稳态二极管216允许电力在第一方向上流过稳态总线220到达第二BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过稳态总线。
在一个实施例中，至少一个单向第三逆变器244被电连接到变压器302和稳态总线220。至少一个第三逆变器244将从稳态总线220接收的直流(DC)系统电力转换成交流(AC)电力，并将AC电力提供给变压器320，并且系统电力在被提供给变压器302之前在稳态模式下通过第一逆变器240或至少一个第三逆变器244中的至少一者。
在一个实施例中，能量存储装置250存储系统电力。辅助稳态总线221将能量存储装置250电连接到稳态总线220，并且辅助启动总线223将能量存储装置电连接到启动总线220。当来自公用设施电网201的外部电力不可用时，能量存储装置250经由辅助启动总线223和启动总线220向第一BOP负载和第二BOP负载提供系统电力。充电二极管234设置在辅助启动总线223上，其防止电力从辅助启动总线流入到能量存储装置250中。DC/DC转换器248改变从能量存储装置250接收并提供给辅助启动总线223的电力的电压，并且其改变从辅助稳态总线221接收并提供给能量存储装置250的电力的电压。
还可以提供辅助负载247。双向第四(即，辅助)AC/DC逆变器246被电连接到辅助稳态总线221和辅助负载247。当在稳态模式期间在第一逆变器240、第二逆变器242或至少一个第三逆变器244中的至少一者中发生故障时，第四AC/DC逆变器246通过从稳态总线220向辅助负载247提供电力来稳定稳态总线220。在一个实施例中，第一逆变器240和第二逆变器242中的至少一者在启动模式期间整流外部电力，并且在稳态模式期间对系统电力进行反转。
因此，由本公开的各种实施例提供的电气架构可以通过经由利用双向逆变器提供相同程度的功能来消除对单独的启动整流器和变压器的需要。因此，不经常使用的部件(如启动变压器和整流器)可以从燃料电池系统中去除。此外，该架构还可以用于储存能量，以便在故障的情况下保持燃料电池BOP部件被供电，这允许燃料电池保持在操作温度，从而减少或防止由于热循环事件而导致的循环寿命缩短。
与常规的架构相比，电气架构可以被简化，而不牺牲可靠性。这允许成本降低和更高效的空间利用率。此外，电气架构允许在不利用公用设施电力的情况下启动系统，提供了改进的模块功能，并且为安装和现场服务团队提供了更大的灵活性，以满足操作目标。
控制器50可以使用计算装置(如计算机)来实现，所述计算装置包括处理器、存储器和已经用指令编程以执行特定功能的其他部件，或者可以在被设计成执行指定功能的处理器中实现。处理器可以是任何可编程微处理器、微型计算机或者一或多个多处理器芯片，其可以由软件指令(应用程序)配置以执行各种功能，包含本文描述的各种实施例的功能。在一些计算装置中，可提供多个处理器。通常，在软件应用程序被访问和加载到处理器中之前，软件应用程序可能被存储在内部存储器中。在一些计算装置中，处理器可以包含足以存储应用软件指令的内部存储器。处理器可以包含通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或被设计成执行本文描述的功能的其任意组合。通用处理器可以是微处理器，但是，替代地，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一或多个微处理器结合DSP核心，或任何其它此类配置。
如各种实例中所展示的构造和布置仅为说明性的。尽管在本公开中仅详细地描述了几个实例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、方向等的变化)而实质上不背离本文中所描述的主题的新颖教导和优点。展示为一体形成的一些元件可由多个部分或元件构成，元件的位置可颠倒或以其它方式改变，且可更改或改变离散元件或位置的性质或数目。任何过程、逻辑算法或方法步骤的次序或顺序可根据替代实例改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种实例的设计、操作条件和布置方面作出其它替代、修改、改变和省略。任何实例的任何一或多个特征可以与一或多个其他实例的任何一或多个其他特征的任何组合使用。本说明书和实例旨在仅被认为是示例性的，其中真正的范围由所附权利要求及其等同物来表示。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，其包括：
逆变器模块，所述逆变器模块包括：
变压器，所述变压器被电连接到外部电源总线，所述外部电源总线被配置为连接到外部电源；
双向第一逆变器和第二逆变器，所述双向第一逆变器和第二逆变器被电连接到所述变压器；
故障二极管，所述故障二极管被电连接到所述第一逆变器；以及
第一设备平衡(BOP)负载；
电源模块，所述电源模块包括：
燃料电池；以及
第二负载；
稳态总线，所述稳态总线将所述第一逆变器和第二逆变器电连接到所述第一BOP负载，所述第二BOP负载和所述燃料电池；以及
启动总线，所述启动总线将所述第一逆变器和第二逆变器电连接到所述第一BOP负载和所述第二BOP负载，其中：
在所述系统的稳态模式操作期间，系统电力由所述燃料电池产生并且经由所述稳态总线被提供给所述第一BOP负载、所述第二BOP负载以及所述第一逆变器和所述第二逆变器中的至少一者，并且
在所述系统的启动模式操作期间，来自所述外部电源总线的外部电力经由所述第一逆变器或第二逆变器之一并且经由所述启动总线被提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述故障二极管被电连接在所述第一逆变器和所述稳态总线之间；
所述故障二极管被配置为防止所述外部电力从所述启动总线和所述第一逆变器被提供给所述稳态总线；以及
所述故障二极管被配置为允许所述系统电力在所述稳态模式期间从所述燃料电池通过所述稳态总线流动到所述第一逆变器。
3.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括系统控制器，所述系统控制器被配置为当所述启动总线在所述启动模式中出现故障时关闭所述第一逆变器并打开所述第二逆变器，并且被配置为当所述稳态总线在所述稳态模式中出现故障时打开所述第一逆变器并关闭所述第二逆变器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中当所述第一逆变器被打开并且所述第二逆变器被关闭时：
在所述启动模式期间，所述第一逆变器被配置为将从所述变压器接收的所述外部电力转换为经由所述启动总线提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载的直流(DC)电力；
在所述稳态模式期间，当所述稳态总线没有故障时，所述第一逆变器被配置为将从所述稳态总线接收的所述系统电力转换为提供给所述变压器的交流(AC)电力；以及
在所述稳态模式期间，当所述稳态总线发生故障时，所述第一逆变器被配置为将从所述变压器接收的所述外部电力转换为通过所述启动总线提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载的直流(DC)电力。
5.根据权利要求3所述的系统，其中当所述第二逆变器被打开并且所述第一逆变器被关闭时：
在所述启动模式期间，当所述启动总线发生故障时，所述第二逆变器被配置为将从所述变压器接收的所述外部电力转换为经由所述稳态总线提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载的直流(DC)电力；以及
在所述稳态模式期间，所述第二逆变器被配置为将从所述稳态总线接收的所述系统电力转换为提供给所述变压器的交流(AC)电力。
6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
第一启动二极管，所述第一启动二极管被配置为允许电力在第一方向上流过所述启动总线到达所述第一BOP负载，并防止电力在沿相反的第二方向上流过所述启动总线；
第二启动二极管，所述第二启动二极管被配置为允许电力在所述第一方向上流过所述启动总线到达所述第二BOP负载，并防止电力在所述相反的第二方向上流过所述启动总线；
第一稳态二极管，所述第一稳态二极管被配置为允许电力在第一方向上流过所述稳态总线到达所述第一BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过所述稳态总线；以及
第二稳态二极管，所述第二稳态二极管被配置为允许电力在所述第一方向上流过所述稳态总线到达所述第二BOP负载，并且防止电力在所述相反的第二方向上流过所述稳态总线。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括电连接到所述变压器和所述稳态总线的至少一个单向第三逆变器，其中：
所述至少一个第三逆变器被配置成将从所述稳态总线接收的直流(DC)电力转换成提供给所述变压器的交流(AC)电力；以及
所述系统电力在被提供给所述变压器之前能够在所述稳态模式下通过所述第一逆变器或所述至少一个第三逆变器中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：
能量存储装置，所述能量存储装置被配置为存储所述系统电力；
辅助稳态总线，所述辅助稳态总线将所述能量存储装置电连接到所述稳态总线；辅助启动总线，所述辅助启动总线将所述能量存储装置电连接到所述启动总线，其中所述能量存储装置被配置为当来自公用设施电网的外部电力不可用时经由所述辅助启动总线和所述启动总线向所述第一BOP负载和所述第二BOP负载提供所述系统电力；
充电二极管，所述充电二极管被设置在所述辅助启动总线上，并且被配置为防止电力从所述辅助启动总线流入到所述能量存储装置中；以及
DC/DC转换器，所述DC/DC转换器被配置为改变从所述能量存储装置接收并提供给所述辅助启动总线的电力的电压，以及改变从所述辅助稳态总线接收并提供给所述能量存储装置的电力的电压。
9.根据权利要求8所述的系统，其进一步包括辅助负载和电力转换器，所述电力转换器包括电连接到所述辅助稳态总线和所述辅助负载的DC/DC转换器或双向第四AC/DC逆变器，其中所述电力转换器被配置为当在所述系统的所述稳态模式期间在所述第一逆变器、所述第二逆变器或所述至少一个第三逆变器中的至少一者中发生故障时通过从所述稳态总线向所述辅助负载提供电力来稳定所述稳态总线。
10.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述第一逆变器和第二逆变器中的至少一者被配置为在所述稳态模式期间对提供给所述变压器的所述系统电力进行逆变，并且在所述启动模式期间对从所述变压器提供的所述外部电力进行整流；并且
所述系统不包括任何额外的变压器和整流器。
11.一种操作燃料电池系统的方法，其包括：
在所述系统的稳态模式操作期间，通过燃料电池产生系统电力，并且经由稳态总线将所述系统电力提供给第一设备平衡(BOP)负载、第二BOP负载、以及经由变压器并且经由双向第一逆变器或双向第二逆变器中的至少一者提供给电网；以及
在所述系统的启动模式操作期间，经由所述变压器、经由所述第一逆变器或第二逆变器之一以及经由启动总线将来自所述电网的外部电力提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载。
12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括电连接在所述第一逆变器和所述稳态总线之间的故障二极管，其中：
所述故障二极管防止所述外部电力从所述启动总线和所述第一逆变器提供给所述稳态总线；以及
所述故障二极管允许所述系统电力在所述稳态模式期间从所述燃料电池通过所述稳态总线流动到所述第一逆变器。
13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
当所述启动总线在所述启动模式中出现故障时，关闭所述第一逆变器并打开所述第二逆变器；以及
当所述稳态总线在所述稳态模式中出现故障时，打开所述第一逆变器并关闭所述第二逆变器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中当所述第一逆变器被打开并且所述第二逆变器被关闭时：
在所述启动模式期间，所述第一逆变器将从所述变压器接收的所述外部电力转换成通过所述启动总线提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载的直流(DC)电力；
在所述稳态模式期间，当所述稳态总线没有故障时，所述第一逆变器将从所述稳态总线接收的所述系统电力转换成提供给所述变压器的交流(AC)电力；以及
在所述稳态模式期间，当所述稳态总线发生故障时，所述第一逆变器将从所述变压器接收的所述外部电力转换为通过所述启动总线被提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载的直流(DC)电力。
15.根据权利要求13所述的方法，其中当所述第二逆变器被打开并且所述第一逆变器被关闭时：
在所述启动模式期间，当所述启动总线发生故障时，所述第二逆变器将从所述变压器接收的所述外部电力转换成通过所述稳态总线提供给所述第一BOP负载和所述第二BOP负载的直流(DC)电力；以及
在所述稳态模式期间，所述第二逆变器将从所述稳态总线接收的所述系统电力转换成提供给所述变压器的交流(AC)电力。
16.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
第一启动二极管，所述第一启动二极管允许电力在第一方向上流过所述启动总线到达所述第一BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过所述启动总线；
第二启动二极管，所述第二启动二极管允许电力在所述第一方向上流过所述启动总线到达所述第二BOP负载，并防止电力在所述相反的第二方向上流过所述启动总线；
第一稳态二极管，所述第一稳态二极管允许电力在第一方向上流过所述稳态总线到达所述第一BOP负载，并防止电力在相反的第二方向上流过所述稳态总线；以及
第二稳态二极管，所述第二稳态二极管允许电力在所述第一方向上流过所述稳态总线到达所述第二BOP负载，并防止电力在所述相反的第二方向上流过所述稳态总线。
17.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括电连接到所述变压器和所述稳态总线的至少一个单向第三逆变器，其中：
所述至少一个第三逆变器将从所述稳态总线接收的直流(DC)系统电力转换成交流(AC)电力，并将所述AC电力提供给所述变压器；并且
所述系统电力在被提供给所述变压器之前在稳态模式下通过所述第一逆变器或所述至少一个第三逆变器中的至少一者。
18.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
能量存储装置，所述能量存储装置存储所述系统电力；
辅助稳态总线，所述辅助稳态总线将所述能量存储装置电连接到所述稳态总线；辅助启动总线，所述辅助启动总线将所述能量存储装置电连接到所述启动总线，其中当来自所述公用设施电网的所述外部电力不可用时，所述能量存储装置经由所述辅助启动总线和所述启动总线向所述第一BOP负载和所述第二BOP负载提供所述系统电力；
充电二极管，所述充电二极管被设置在所述辅助启动总线上，其防止电力从所述辅助启动总线流入到所述能量存储装置中；以及
DC/DC转换器，所述DC/DC转换器改变从所述能量存储装置接收并提供给所述辅助启动总线的电力的电压，并且其改变从所述辅助稳态总线接收并提供给所述能量存储装置的电力的电压。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括辅助负载和电力转换器，所述电力转换器包括电连接到所述辅助稳态总线和所述辅助负载的DC/DC转换器或双向第四AC/DC逆变器，其中当在所述稳态模式期间在所述第一逆变器、所述第二逆变器或所述至少一个第三逆变器中的至少一者中发生故障时，所述电力转换器通过从所述稳态总线向所述辅助负载提供电力来稳定所述稳态总线。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一逆变器和所述第二逆变器中的至少一者在所述启动模式期间整流所述外部电力，并且在所述稳态模式期间对所述系统电力进行逆变。
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