CN116155080B - 一种制氢多端口变换器及其故障容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制氢多端口变换器及其故障容错方法，属于电力电子领域，所述多端口变换器包括光伏端口、负载端口、燃料电池端口、电池端口和电解槽端口；各端口所接变换器均为AC\DC和DC\AC双向变换器；光伏端口和负载端口采用冗余支路设计使线路具有故障容错能力；燃料电池端口和电池端口之间采用开关连接，电池端口和电解槽端口之间采用开关连接；当任一端口发生故障时，均可通过开关借用其他端口的双向变换器继续工作，使线路具有故障容错能力。本发明能够实现光伏、燃料电池、电池、电解槽、负载协同工作，并且在多端口变换器任一端口发生故障时都具备较强的故障容错能力，可以有效降低成本、提高电能质量并增强系统的稳定性。

Description

一种制氢多端口变换器及其故障容错方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种制氢多端口变换器及其故障容错方法。

背景技术

人类大规模工业化排放了过量的二氧化碳，造成日益严重的全球气候变暖，气候变暖造成的灾难加剧了人们对地球生存环境恶化的担忧。世界各国均提出了相应的减少碳排放目标，而在众多的减排路径中，新能源发电作为一种绿色清洁的能量获取手段，是各国重点关注和发展的关键领域。可再生新能源发电尽管可以解决能量来源的问题，但能否可实现能量的大规模储存也是其能否取代化石能源，成为人类主要能源形式的关键。氢气具有清洁环保、热值高、原料易获取等优点，使得电解制氢技术作为一种有效的能量大规模储存手段受到人们的关注。通过多端口变换器连接光伏电源、制氢电解槽、储能电池、燃料电池和负载，可以组成微电网系统，实现能源的灵活高效使用；此外还可以充分利用峰谷电价差等，在故障情况下可起到应急电源的作用，有效提高了电能质量并增强了系统的稳定性。但现有的多端口变换器缺少故障容错能力，一但故障发生，系统将会失稳甚至造成爆炸的危险，所以一套有效、准确、快速的故障诊断和重构对该系统的稳定运行至关重要。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种制氢多端口变换器及其故障容错方法，能够实现光伏、燃料电池、电池、电解槽、负载协同工作，并且在多端口变换器任一端口发生故障时都具备较强的故障容错能力，可以有效降低成本、提高电能质量并增强系统的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种制氢多端口变换器，包括光伏端口A、负载端口B、燃料电池端口C、电池端口D和电解槽端口E；所述光伏端口A、所述负载端口B、所述燃料电池端口C、所述电池端口D和所述电解槽端口E所接变换器均为AC\DC和DC\AC双向变换器；所述光伏端口A和所述负载端口B采用冗余支路设计使线路具有故障容错能力；所述燃料电池端口C和所述电池端口D之间采用若干个开关连接，所述电池端口D和所述电解槽端口E之间采用若干个开关连接；当所述光伏端口A、所述负载端口B、所述燃料电池端口C、所述电池端口D和所述电解槽端口E中任一端口发生故障时，均能够通过开关借用其他端口的双向变换器继续工作，使线路具有故障容错能力。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述双向变换器包括光伏工作支路逆变器I _A1、光伏冗余支路逆变器I _A2、负载工作支路逆变器I _B1、负载冗余支路逆变器I _B2、燃料电池支路逆变器I _C和电池支路逆变器I _D、负载工作支路整流器R _B1、负载冗余支路整流器R _B2和电解槽支路整流器R _E；所述开关包括光伏工作支路控制开关S _A1、光伏冗余支路控制开关S _A2、负载工作支路控制开关S _B1、负载冗余支路控制开关S _B2、燃料电池支路控制开关S _C、电池支路控制第一开关S _D1、电池支路控制第二开关S _D2、电解槽支路控制开关S _E、第三开关S _CD和第四开关S _DE；

所述光伏端口A组成为：光伏发电系统PV与光伏工作支路逆变器I _A1直流侧、光伏冗余支路逆变器I _A2直流侧连接；所述光伏工作支路逆变器I _A1交流侧与光伏工作支路控制开关S _A1连接，所述光伏工作支路控制开关S _A1与光伏端口A连接；所述光伏冗余支路逆变器I _A2交流侧与光伏冗余支路控制开关S _A2连接，所述光伏冗余支路控制开关S _A2并联至光伏端口A；

所述负载端口B组成为：所述负载端口B与负载工作支路控制开关S _B1、负载冗余支路控制开关S _B2连接，所述负载工作支路控制开关S _B1与负载工作支路整流器R _B1交流侧连接，所述负载工作支路整流器R _B1直流侧与负载工作支路逆变器I _B1直流侧连接，所述负载工作支路逆变器I _B1交流侧连接至负载；所述负载冗余支路控制开关S _B2与负载冗余支路整流器R _B2交流侧连接，所述负载冗余支路整流器R _B2直流侧与负载冗余支路逆变器I _B2直流侧连接，所述负载冗余支路逆变器I _B2交流侧并联至负载；

所述燃料电池端口C组成为：燃料电池与燃料电池支路控制开关S _C连接，所述燃料电池支路控制开关S _C与燃料电池支路逆变器I _C直流侧连接，所述燃料电池支路逆变器I _C交流侧与燃料电池端口C连接；

所述电池端口D组成为：电池与电池支路控制第二开关S _D2连接，所述电池支路控制第二开关S _D2与电池支路控制第一开关S _D1连接，所述电池支路控制第一开关S _D1与电池支路逆变器I _D直流侧连接，所述电池支路逆变器I _D交流侧与电池端口D连接；

所述电解槽端口E组成为：所述电解槽端口E与电解槽支路整流器R _E交流侧连接，所述电解槽支路整流器R _E直流侧与电解槽支路控制开关S _E连接，所述电解槽支路控制开关S _E与电解槽连接；

燃料电池支路与电池支路通过第三开关S _CD连接，所述电池支路与电解槽支路通过第四开关S _DE连接。

一种制氢多端口变换器的故障容错方法，具体工作模态为：

模态a：无故障时，光伏发电系统PV正常工作产生电流，光伏工作支路控制开关S _A1导通，电流经光伏工作支路逆变器I _A1和光伏工作支路控制开关S _A1后输至光伏端口A，光伏冗余支路控制开关S _A2关断，光伏冗余支路不工作；负载工作支路控制开关S _B1导通，负载端口B交流电流经负载工作支路整流器R _B1、负载工作支路逆变器I _B1后输至负载，负载冗余支路控制开关S _B2关断，负载冗余支路不工作；燃料电池支路控制开关S _C导通，燃料电池输出直流电流经燃料电池支路逆变器I _C后输至燃料电池端口C；电池支路控制第一开关S _D1、电池支路控制第二开关S _D2导通，电池输出直流电流经电池支路逆变器I _D后输至电池端口D；电解槽支路控制开关S _E导通，电解槽端口E输出交流电流经电解槽支路整流器R _E后输至电解槽；第三开关S _CD、第四开关S _DE关断，燃料电池支路、电池支路、电解槽支路间无电流流动；

模态b：光伏工作支路发生故障时，光伏工作支路控制开关S _A1关断，光伏冗余支路控制开关S _A2导通，光伏发电系统PV输出直流电流通过光伏冗余支路逆变器I _A2后输至光伏端口A；

模态c：负载工作支路发生故障时，负载工作支路控制开关S _B1关断，负载冗余支路控制开关S _B2导通，负载端口B输出交流电流通过负载冗余支路整流器R _B2、负载冗余支路逆变器I _B2后为负载供电；

模态d：燃料电池支路发生故障时，第三开关S _CD、电池支路控制第一开关S _D1导通，第四开关S _DE关断，燃料电池输出直流电流通过电池支路逆变器I _D输至电池端口D；

模态e：电池支路发生故障时，第三开关S _CD导通，电池支路控制第一开关S _D1、第四开关S _DE关断，电池输出直流电流通过燃料电池支路逆变器I _C输至燃料电池端口C；

模态f：电解槽支路发生故障时，第三开关S _CD、第四开关S _DE导通，电池支路控制第一开关S _D1关断，电池支路逆变器I _D工作在整流模态，电池端口D输出交流电通过电池支路逆变器I _D、第四开关S _DE输至电解槽，电池输出直流电流通过第三开关S _CD、燃料电池支路逆变器I _C输至燃料电池端口C。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明采用多端口变换器连接光伏、燃料电池、电解槽、蓄电池、直流负荷等元件，具有更高的效率、更高的电能质量和更强的系统稳定性；在光伏和负载端口侧通过冗余设计，在发生故障时，故障诊断算法发出故障信号，故障设备可以从变换器中隔离出来，功率流可以在正常工作的变换器端口流动；因此，变换器可在不影响系统正常运行和维护成本的情况下，保证系统可靠运行；在电解槽、燃料电池端口侧采用端口柔性互联，通过柔性互联拓扑结构，可以实现燃料电池端口、电解槽、电池端口变换器容错运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明实施例中提供的制氢多端口变换器的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语 “包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例通过提供一种制氢多端口变换器及其故障容错方法，解决了现有技术中存在的“现有的多端口变换器缺少故障容错能力，一但故障发生，系统将会失稳甚至造成爆炸的危险”的问题，大体思路为：采用多端口变换器连接光伏、燃料电池、电解槽、蓄电池、直流负荷等元件，在光伏和负载端口侧通过冗余设计，在发生故障时，故障诊断算法发出故障信号，故障设备可以从变换器中隔离出来，功率流可以在正常工作的变换器端口流动。

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，一种制氢多端口变换器，包括光伏端口A、负载端口B、燃料电池端口C、电池端口D和电解槽端口E；所述光伏端口A、所述负载端口B、所述燃料电池端口C、所述电池端口D和所述电解槽端口E所接变换器均为AC\DC和DC\AC双向变换器；所述光伏端口A和所述负载端口B采用冗余支路设计使线路具有故障容错能力；所述燃料电池端口C和所述电池端口D之间采用若干个开关连接，所述电池端口D和所述电解槽端口E之间采用若干个开关连接；当所述光伏端口A、所述负载端口B、所述燃料电池端口C、所述电池端口D和所述电解槽端口E中任一端口发生故障时，均能够通过开关借用其他端口的双向变换器继续工作，使线路具有故障容错能力。

进一步的，所述双向变换器具体包括光伏工作支路逆变器I _A1、光伏冗余支路逆变器I _A2、负载工作支路逆变器I _B1、负载冗余支路逆变器I _B2、燃料电池支路逆变器I _C和电池支路逆变器I _D、负载工作支路整流器R _B1、负载冗余支路整流器R _B2和电解槽支路整流器R _E；所述开关包括光伏工作支路控制开关S _A1、光伏冗余支路控制开关S _A2、负载工作支路控制开关S _B1、负载冗余支路控制开关S _B2、燃料电池支路控制开关S _C、电池支路控制第一开关S _D1、电池支路控制第二开关S _D2、电解槽支路控制开关S _E、第三开关S _CD和第四开关S _DE；

所述光伏端口A组成为：光伏发电系统PV与光伏工作支路逆变器I _A1直流侧、光伏冗余支路逆变器I _A2直流侧连接；所述光伏工作支路逆变器I _A1交流侧与光伏工作支路控制开关S _A1连接，所述光伏工作支路控制开关S _A1与光伏端口A连接；所述光伏冗余支路逆变器I _A2交流侧与光伏冗余支路控制开关S _A2连接，所述光伏冗余支路控制开关S _A2并联至光伏端口A；

所述负载端口B组成为：所述负载端口B与负载工作支路控制开关S _B1、负载冗余支路控制开关S _B2连接，所述负载工作支路控制开关S _B1与负载工作支路整流器R _B1交流侧连接，所述负载工作支路整流器R _B1直流侧与负载工作支路逆变器I _B1直流侧连接，所述负载工作支路逆变器I _B1交流侧连接至负载；所述负载冗余支路控制开关S _B2与负载冗余支路整流器R _B2交流侧连接，所述负载冗余支路整流器R _B2直流侧与负载冗余支路逆变器I _B2直流侧连接，所述负载冗余支路逆变器I _B2交流侧并联至负载；

所述燃料电池端口C组成为：燃料电池与燃料电池支路控制开关S _C连接，所述燃料电池支路控制开关S _C与燃料电池支路逆变器I _C直流侧连接，所述燃料电池支路逆变器I _C交流侧与燃料电池端口C连接；

所述电池端口D组成为：电池与电池支路控制第二开关S _D2连接，所述电池支路控制第二开关S _D2与电池支路控制第一开关S _D1连接，所述电池支路控制第一开关S _D1与电池支路逆变器I _D直流侧连接，所述电池支路逆变器I _D交流侧与电池端口D连接；

所述电解槽端口E组成为：所述电解槽端口E与电解槽支路整流器R _E交流侧连接，所述电解槽支路整流器R _E直流侧与电解槽支路控制开关S _E连接，所述电解槽支路控制开关S _E与电解槽连接；

燃料电池支路与电池支路通过第三开关S _CD连接，所述电池支路与电解槽支路通过第四开关S _DE连接。

一种制氢多端口变换器的故障容错方法，工作模态包括：

模态a：无故障时，光伏发电系统PV正常工作产生电流，光伏工作支路控制开关S _A1导通，电流经光伏工作支路逆变器I _A1和光伏工作支路控制开关S _A1后输至光伏端口A，光伏冗余支路控制开关S _A2关断，光伏冗余支路不工作；负载工作支路控制开关S _B1导通，负载端口B交流电流经负载工作支路整流器R _B1、负载工作支路逆变器I _B1后输至负载，负载冗余支路控制开关S _B2关断，负载冗余支路不工作；燃料电池支路控制开关S _C导通，燃料电池输出直流电流经燃料电池支路逆变器I _C后输至燃料电池端口C；电池支路控制第一开关S _D1、电池支路控制第二开关S _D2导通，电池输出直流电流经电池支路逆变器I _D后输至电池端口D；电解槽支路控制开关S _E导通，电解槽端口E输出交流电流经电解槽支路整流器R _E后输至电解槽；第三开关S _CD、第四开关S _DE关断，燃料电池支路、电池支路、电解槽支路间无电流流动。

模态b：光伏工作支路发生故障时，光伏工作支路控制开关S _A1关断，光伏冗余支路控制开关S _A2导通，光伏发电系统PV输出直流电流通过光伏冗余支路逆变器I _A2后输至光伏端口A。

模态c：负载工作支路发生故障时，负载工作支路控制开关S _B1关断，负载冗余支路控制开关S _B2导通，负载端口B输出交流电流通过负载冗余支路整流器R _B2、负载冗余支路逆变器I _B2后为负载供电。

模态d：燃料电池支路发生故障时，第三开关S _CD、电池支路控制第一开关S _D1导通，第四开关S _DE关断，燃料电池输出直流电流可通过电池支路逆变器I _D输至电池端口D。

模态e：电池支路发生故障时，第三开关S _CD导通，电池支路控制第一开关S _D1、第四开关S _DE关断，电池输出直流电流可通过燃料电池支路逆变器I _C输至燃料电池端口C。

模态f：电解槽支路发生故障时，第三开关S _CD、第四开关S _DE导通，电池支路控制第一开关S _D1关断，电池支路逆变器I _D工作在整流模态，电池端口D输出交流电可通过电池支路逆变器I _D、第四开关S _DE输至电解槽，电池输出直流电流可通过第三开关S _CD、燃料电池支路逆变器I _C输至燃料电池端口C。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种制氢多端口变换器的故障容错方法，其特征在于：所述变换器包括光伏端口A、负载端口B、燃料电池端口C、电池端口D和电解槽端口E；所述光伏端口A、所述负载端口B、所述燃料电池端口C、所述电池端口D和所述电解槽端口E所接变换器均为AC\DC或DC\AC双向变换器；所述光伏端口A和所述负载端口B采用冗余支路设计使线路具有故障容错能力；所述燃料电池端口C和所述电池端口D之间采用若干个开关连接，所述电池端口D和所述电解槽端口E之间采用若干个开关连接；当所述光伏端口A、所述负载端口B、所述燃料电池端口C、所述电池端口D和所述电解槽端口E中任一端口发生故障时，均能够通过开关借用其他端口的双向变换器继续工作，使线路具有故障容错能力；

具体工作模态为：

模态a：无故障时，光伏发电系统PV正常工作产生电流，光伏工作支路控制开关S_A1导通，电流经光伏工作支路逆变器I_A1和光伏工作支路控制开关S_A1后输至光伏端口A，光伏冗余支路控制开关S_A2关断，光伏冗余支路不工作；负载工作支路控制开关S_B1导通，负载端口B交流电流经负载工作支路整流器R_B1、负载工作支路逆变器I_B1后输至负载，负载冗余支路控制开关S_B2关断，负载冗余支路不工作；燃料电池支路控制开关S_C导通，燃料电池输出直流电流经燃料电池支路逆变器I_C后输至燃料电池端口C；电池支路控制第一开关S_D1、电池支路控制第二开关S_D2导通，电池输出直流电流经电池支路逆变器I_D后输至电池端口D；电解槽支路控制开关S_E导通，电解槽端口E输出交流电流经电解槽支路整流器R_E后输至电解槽；第三开关S_CD、第四开关S_DE关断，燃料电池支路、电池支路、电解槽支路间无电流流动；

模态b：光伏工作支路发生故障时，光伏工作支路控制开关S_A1关断，光伏冗余支路控制开关S_A2导通，光伏发电系统PV输出直流电流通过光伏冗余支路逆变器I_A2后输至光伏端口A；

模态c：负载工作支路发生故障时，负载工作支路控制开关S_B1关断，负载冗余支路控制开关S_B2导通，负载端口B输出交流电流通过负载冗余支路整流器R_B2、负载冗余支路逆变器I_B2后为负载供电；

模态d：燃料电池支路发生故障时，第三开关S_CD、电池支路控制第一开关S_D1导通，第四开关S_DE关断，燃料电池输出直流电流通过电池支路逆变器I_D输至电池端口D；

模态e：电池支路发生故障时，第三开关S_CD导通，电池支路控制第一开关S_D1、第四开关S_DE关断，电池输出直流电流通过燃料电池支路逆变器I_C输至燃料电池端口C；

模态f：电解槽支路发生故障时，第三开关S_CD、第四开关S_DE导通，电池支路控制第一开关S_D1关断，电池支路逆变器I_D工作在整流模态，电池端口D输出交流电通过电池支路逆变器I_D、第四开关S_DE输至电解槽，电池输出直流电流通过第三开关S_CD、燃料电池支路逆变器I_C输至燃料电池端口C。

2.根据权利要求1所述的一种制氢多端口变换器的故障容错方法，其特征在于：所述双向变换器包括光伏工作支路逆变器I_A1、光伏冗余支路逆变器I_A2、负载工作支路逆变器I_B1、负载冗余支路逆变器I_B2、燃料电池支路逆变器I_C和电池支路逆变器I_D、负载工作支路整流器R_B1、负载冗余支路整流器R_B2和电解槽支路整流器R_E；所述开关包括光伏工作支路控制开关S_A1、光伏冗余支路控制开关S_A2、负载工作支路控制开关S_B1、负载冗余支路控制开关S_B2、燃料电池支路控制开关S_C、电池支路控制第一开关S_D1、电池支路控制第二开关S_D2、电解槽支路控制开关S_E、第三开关S_CD和第四开关S_DE；

所述光伏端口A组成为：光伏发电系统PV与光伏工作支路逆变器I_A1直流侧、光伏冗余支路逆变器I_A2直流侧连接；所述光伏工作支路逆变器I_A1交流侧与光伏工作支路控制开关S_A1连接，所述光伏工作支路控制开关S_A1与光伏端口A连接；所述光伏冗余支路逆变器I_A2交流侧与光伏冗余支路控制开关S_A2连接，所述光伏冗余支路控制开关S_A2并联至光伏端口A；

所述负载端口B组成为：所述负载端口B与负载工作支路控制开关S_B1、负载冗余支路控制开关S_B2连接，所述负载工作支路控制开关S_B1与负载工作支路整流器R_B1交流侧连接，所述负载工作支路整流器R_B1直流侧与负载工作支路逆变器I_B1直流侧连接，所述负载工作支路逆变器I_B1交流侧连接至负载；所述负载冗余支路控制开关S_B2与负载冗余支路整流器R_B2交流侧连接，所述负载冗余支路整流器R_B2直流侧与负载冗余支路逆变器I_B2直流侧连接，所述负载冗余支路逆变器I_B2交流侧并联至负载；

所述燃料电池端口C组成为：燃料电池与燃料电池支路控制开关S_C连接，所述燃料电池支路控制开关S_C与燃料电池支路逆变器I_C直流侧连接，所述燃料电池支路逆变器I_C交流侧与燃料电池端口C连接；

所述电池端口D组成为：电池与电池支路控制第二开关S_D2连接，所述电池支路控制第二开关S_D2与电池支路控制第一开关S_D1连接，所述电池支路控制第一开关S_D1与电池支路逆变器I_D直流侧连接，所述电池支路逆变器I_D交流侧与电池端口D连接；

所述电解槽端口E组成为：所述电解槽端口E与电解槽支路整流器R_E交流侧连接，所述电解槽支路整流器R_E直流侧与电解槽支路控制开关S_E连接，所述电解槽支路控制开关S_E与电解槽连接；

燃料电池支路与电池支路通过第三开关S_CD连接，所述电池支路与电解槽支路通过第四开关S_DE连接。