CN115882591B - 燃料电池ups电源及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃料电池UPS电源及控制方法。其中，燃料电池UPS电源，包括风电或光伏发电设备为制氢设备提供电源，制氢设备产生的氢气和氧气分别存储到氢气存储装置和氧气存储装置，氢气存储装置和氧气存储装置分别为燃料电池提供氢气和氧气，燃料电池的输出端与DCDC变换器的输入端电连接，DCDC变换器的输出端分别与动力电池和双向DCAC变换器电连接，所述双向DCAC变换器与动力电池电连接，所述ECU分别与燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器和动力电池电连接，所述双向DCAC变换器与负载电连接，所述负载与电网电连接，所述电网和负载之间的节点与双向DCAC变换器电连接。达到减小体积，结构简单、成本低且解决瞬时抛负载的目的。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池UPS电源及控制方法。
背景技术
现有的UPS电源需要将市电交流电源经整流变成直流电源，然后进行脉宽调制、滤波，再将直流电经逆变器重新转换成正弦波交流电源向负载供电。电池需要单独配备充电器，系统容量小，体积庞大，结构复杂，成本较高。且现有技术中当电网和负载故障时，容易出现瞬时抛负载现象。
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UPS电源及控制方法，至少部分的解决现有技术中存在的瞬时抛负载，以及体积庞大，结构复杂，成本较高问题。
第一方面，本公开实施例提供了一种燃料电池UPS电源，包括：风电或光伏发电设备、制氢设备、氧气存储装置、氢气存储装置、燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器、动力电池和ECU；
所述风电或光伏发电设备为制氢设备提供电源，制氢设备产生的氢气和氧气分别存储到氢气存储装置和氧气存储装置，氢气存储装置和氧气存储装置分别为燃料电池提供氢气和氧气，燃料电池的输出端与DCDC变换器的输入端电连接，DCDC变换器的输出端分别与动力电池和双向DCAC变换器电连接，所述双向DCAC变换器与动力电池电连接，所述ECU分别与燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器和动力电池电连接，所述双向DCAC变换器与负载电连接，所述负载与电网电连接，所述电网和负载之间的节点与双向DCAC变换器电连接。
可选的，所述电网和负载之间设置空气开关，所述双向DCAC变换器和负载之间设置空气开关。
第二方面，本公开实施例还提供了一种燃料电池UPS电源控制方法，应用第一方面所述的燃料电池UPS电源，所述方法包括：
检测电网、燃料电池和负载的状态，得到检测结果；
基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率。
可选的，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测到电网正常时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P1；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P2。
可选的，当检测到电网不正常时，控制动力电池通过双向DCAC变换器为负载提供电源，并控制燃料电池运行功率为P3。
可选的，P2大于P1，P3大于P2。
可选的，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测燃料电池故障时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制双向DCAC变换器的运行功率为0；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制双向DCAC变换器的运行功率为P5，且控制双向DCAC变换器为动力电池充电。
可选的，当检测燃料电池正常时，控制燃料电池的运行功率为P7。
可选的，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测负载故障时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制燃料电池关机；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P4。
可选的，当检测负载正常时，控制燃料电池的运行功率为P5。
本发明提供的燃料电池UPS电源及控制方法，其中燃料电池UPS电源通过设置双向DCAC，简化系统，达到减小体积，结构简单且成本低的目的。
控制方法中基于电网、燃料电池和负载的状态的检测结果，控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，可以避免电网和负载故障时出现的瞬时抛负载问题。
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UPS电源的原理框图；
图2为本公开实施例提供的电网检测流程图；
图3为本公开实施例提供的电网检测故障的能量流示意图；
图4为本公开实施例提供的燃料电池发动机检测流程图；
图5为本公开实施例提供的电池发动机检测故障的能量流示意图；
图6为本公开实施例提供的负载检测流程图；
图7为本公开实施例提供的负载检测故障的能量流示意图。
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，图示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。
本实施例中使用燃料电池发动机作为示例，燃料电池发动机和燃料电池可以相互替换。
为了便于理解，如图1所示，本实施例公开了一种燃料电池UPS电源，包括：风电或光伏发电设备、制氢设备、氧气存储装置、氢气存储装置、燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器、动力电池和ECU；
所述风电或光伏发电设备为制氢设备提供电源，制氢设备产生的氢气和氧气分别存储到氢气存储装置和氧气存储装置，氢气存储装置和氧气存储装置分别为燃料电池提供氢气和氧气，燃料电池的输出端与DCDC变换器的输入端电连接，DCDC变换器的输出端分别与动力电池和双向DCAC变换器电连接，所述双向DCAC变换器与动力电池电连接，所述ECU分别与燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器和动力电池电连接，所述双向DCAC变换器与负载电连接，所述负载与电网电连接，所述电网和负载之间的节点与双向DCAC变换器电连接。
可选的，所述电网和负载之间设置空气开关，所述双向DCAC变换器和负载之间设置空气开关。
本实施例还公开一种燃料电池UPS电源控制方法，应用第一方面所述的燃料电池UPS电源，所述方法包括：
检测电网、燃料电池和负载的状态，得到检测结果；
基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率。
可选的，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
如图2和图3所示，当检测到电网正常时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P1；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P2。
可选的，当检测到电网不正常时，控制动力电池通过双向DCAC变换器为负载提供电源，并控制燃料电池运行功率为P3。
可选的，P2大于P1，P3大于P2。
如图4和图5所示，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测燃料电池故障时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制双向DCAC变换器的运行功率为0；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制双向DCAC变换器的运行功率为P5，且控制双向DCAC变换器为动力电池充电。
可选的，当检测燃料电池正常时，控制燃料电池的运行功率为P7。
如图6和图7所示，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测负载故障时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制燃料电池关机；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P4。
可选的，当检测负载正常时，控制燃料电池的运行功率为P5。
本实施例采用风电或光伏进行氢气制备，制备的氢气进行能量储存，同时将氧气进行存储，当发电时，氢气和氧气提供给燃料电池发动机，通过燃料电池发动机及DCDC进行发电，通过双向DCAC设备进行能量回馈电网，母线端并联有动力电池。在正常工作时候，电网和燃料电池可以同时给负载供电。
在电网侧有故障的时候，能够无缝切换到另一动力源，动力电池能够通过DCAC变换器给负载供电，正常工作。
在燃料电池故障的时候，通过DCAC变换器可以为动力电池充电。
当电网和燃料电池都故障时，动力电池可以提供短时间的应急供电。当电网和负载故障时，动力电池可吸收燃料电池的瞬时大功率，提供瞬时抛负载的保护。
此系统可以满足全应用工况的使用，系统功耗小，具有备用时间长、可靠性高、环保等优点。
本实施例的电源还具有以下优点：
1、采用风电或光伏进行燃料氢气的制备，能量来源清洁环保。
2、通过燃料电池发电为负载供电，同时氧气也可以利用，提高风电和光伏发电的利用率。
3、在电网侧故障情况下，能够无缝切换到另一能量源，保障负载不间断工作。
4、通过双向DCAC进行能量传输，控制简单。
5、在燃料电池故障情况下，通过DCAC为动力电池充电，当做备用电池。
6、当电网和负载故障时，动力电池可吸收燃料电池的瞬时大功率，提供瞬时抛负载的保护。
7、满足全应用工况的使用，系统备用时间长、可靠性高、环保等优点。
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 (5)
1.一种燃料电池UPS电源控制方法，应用于燃料电池UPS电源，燃料电池UPS电源，包括：风电或光伏发电设备、制氢设备、氧气存储装置、氢气存储装置、燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器、动力电池和ECU；
所述风电或光伏发电设备为制氢设备提供电源，制氢设备产生的氢气和氧气分别存储到氢气存储装置和氧气存储装置，氢气存储装置和氧气存储装置分别为燃料电池提供氢气和氧气，燃料电池的输出端与DCDC变换器的输入端电连接，DCDC变换器的输出端分别与动力电池和双向DCAC变换器电连接，所述双向DCAC变换器与动力电池电连接，所述ECU分别与燃料电池、DCDC变换器、双向DCAC变换器和动力电池电连接，所述双向DCAC变换器与负载电连接，所述负载与电网电连接，所述电网和负载之间的节点与双向DCAC变换器电连接；所述电网和负载之间设置空气开关，所述双向DCAC变换器和负载之间设置空气开关；
其特征在于，所述方法包括：
检测电网、燃料电池和负载的状态，得到检测结果；
基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率；
所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测到电网正常时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P1；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P2；当检测到电网不正常时，控制动力电池通过双向DCAC变换器为负载提供电源，并控制燃料电池运行功率为P3；
P2大于P1，P3大于P2；
当电网和负载故障时，动力电池吸收燃料电池的瞬时大功率，提供瞬时抛负载保护。
2.根据权利要求1所述的燃料电池UPS电源控制方法，其特征在于，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测燃料电池故障时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制双向DCAC变换器的运行功率为0；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制双向DCAC变换器的运行功率为P5，且控制双向DCAC变换器为动力电池充电。
3.根据权利要求2所述的燃料电池UPS电源控制方法，其特征在于，
当检测燃料电池正常时，控制燃料电池的运行功率为P7。
4.根据权利要求1所述的燃料电池UPS电源控制方法，其特征在于，所述基于检测结果控制燃料电池或双向DCAC变换器的运行功率，包括：
当检测负载故障时，采集动力电池SOC数据；
判断动力电池的SOC是否大于等于设定值N1；
当动力电池的SOC大于等于设定值N1时，控制燃料电池关机；
当动力电池的SOC小于设定值N1时，控制燃料电池的运行功率为P4。
5.根据权利要求4所述的燃料电池UPS电源控制方法，其特征在于，当检测负载正常时，控制燃料电池的运行功率为P5。
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