CN116316796A - Pcs变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置，该模组包括：第一电路，其用以连接燃料电池；第二电路，其用以连接PCS变流器输入侧；调压电路，调压电路设有负载和控制开关；以及电压传感器，其用以检测PCS变流器输入侧输入电压；其中，当PCS变流器通过该模组与燃料电池连接时，PCS变流器输入侧与调压电路并联设置。本发明的有益效果：本发电装置初始启动时，在输出电压高于PCS变流器的启动电压而无法启动PCS变流器时，通过调压电路中负载的接入，并且随着负载功率的提升，燃料电池的输出电流上升、输出电压下降，直到燃料电池的输出电压满足PCS变流器的启动电压时，自动启动PCS变流器，实现燃料电池发电装置的启动。

Description

PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置

技术领域

本发明涉及燃料电池发电设备技术领域，尤其涉及一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置。

背景技术

氢储能技术，相比传统能源，可以实现气、液、固三态存储，存储过程自耗少、能量密度高、生产方式多样，并可通过制氢和发电，去配合发电厂完成调峰、调频工作，相对以上技术，尤其在装机容量、发电时长等方面，均有着无可比拟的优势。

储能电站并网侧装机功率往往都在MW级以上，目前，常规接入电网的PCS变流器(储能变流器)输入侧直流电压一般设定在500-900VDC，并有输入电压超压保护机制，当超出电压范围PCS变流器将无法启动，输出侧交流电压则在320-400VAC。但是氢燃料电池发电站，电堆单堆功率也就百kW级，为了最大化的实现燃料电池系统单机功率，减少辅机数量和整个系统的复杂程度，均需采用多个电堆堆叠，再通过串联的方式，去尽力实现提升单机系统功率的目的。

PCS变流器在工作时，为最大限度的保证其转换效率，选定的额定工作电压应靠近上限，如标准PCS变流器的额定工作电压为800V；燃料电池工作时，单片燃料电池单体的开路电压一般在1V，额定工作电压一般约为0.6V。当多堆串联的电堆额定点电压800V时，按单片0.6V计算，此时经过串联的燃料电池单体约有1300片以上。在燃料电池启动时开路电压将超过1300V，远远超出PCS变流器输入侧的限定电压范围500-900VDC，这样就导致PCS变流器无法正常启动。

目前，也有一些发电装置通过在燃料电池和PCS变流器之间增加一个直流变换器(DCDC)装置，用来对燃料电池的开路电压进行转换来满足PCS变流器输入侧的输入电压的限制要求，但是直流变换器成本高昂，且体积较大而额外占用空间，同时，DCDC直流变换器的电路控制逻辑复杂，增加了系统的控制难度，此外，DCDC直流变换器存在转换效率损失，也就导致燃料电池发电装置的整体功率降低。

发明内容

有鉴于此，为了解决燃料电池启动时开路电压超过PCS变流器输入侧的限定电压范围的问题，本发明的实施例提供了一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置。

本发明的实施例提供一种燃料电池发电装置的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组，包括：

第一电路，其用以连接燃料电池；

第二电路，其用以连接所述PCS变流器输入侧；

调压电路，所述调压电路设有负载和控制开关；

以及电压传感器，其用以检测所述PCS变流器输入侧输入电压；

其中，当所述PCS变流器通过该模组与燃料电池连接时，所述PCS变流器输入侧与所述调压电路并联设置。

进一步地，所述第一电路、所述第二电路、所述电压传感器和所述调压电路可以封装一体。

进一步地，还包括用以实现蓄电池组与所述燃料电池连接的连接电路。

进一步地，所述负载包括一电阻；或，所述负载包括多个并联连接的电阻。

进一步地，所述控制开关为继电器、接触器或断路器。

并且，本发明的实施例还提供了一种燃料电池发电装置，包括：燃料电池、PCS变流器、控制器，以及上述任意一项所述的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组；其中，所述PCS变流器输入侧和所述调压电路并联后与所述燃料电池连接；所述控制器分别与所述电压传感器、所述控制开关连接，用以实现所述控制开关在所述输入电压高于预设电压时闭合、在所述输入电压不高于预设电压时断开。

进一步地，所述燃料电池的电堆可以为多个，所有的电堆串联设置。

进一步地，所述预设电压为所述PCS变流器的最大输入电压。

进一步地，所述燃料电池的开路电压大于所述预设电压。

进一步地，还包括串联连接的蓄电池组和充电控制器，所述蓄电池组连接所述PCS变流器输入侧以供电，所述充电控制器通过所述连接电路与所述燃料电池连接。

进一步地，所述控制器分别与所述燃料电池、所述PCS变流器、所述蓄电池组、所述充电控制器、所述PCS变流器输入侧直流电压自适应模组连接。

进一步地，所述燃料电池与所述PCS变流器输入侧直流电压自适应模组、所述PCS变流器输入侧处于电导通状态时；所述蓄电池组与所述PCS变流器输入侧处于电断开状态；所述燃料电池通过所述连接电路选择性地与所述充电控制器、所述蓄电池组处于电断开状态或电导通状态。

进一步地，所述蓄电池组与所述PCS变流器输入侧处于电导通状态时，所述燃料电池与所述PCS变流器输入侧处于电断开状态，所述燃料电池与所述充电控制器处于电断开状态。

进一步地，所述蓄电池组与所述PCS变流器输入侧处于电导通状态时，所述燃料电池与所述PCS变流器输入侧处于电导通状态；所述燃料电池与所述充电控制器处于电断开状态。

进一步地，所述PCS变流器输出侧连接隔离变压器以实现供电。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

1、本发明的一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置，利用燃料电池启动功率稳定的特性，发电装置初始启动时，在输出电压高于PCS变流器可以启动的限定电压而无法启动PCS时，通过调压电路中负载的接入并且随着负载功率的提升，燃料电池的输出电流上升、输出电压下降，使燃料电池的输出电压迅速的降低到PCS变流器输入侧的限定电压范围之内，从而可以顺利启动PCS变流器，实现燃料电池发电装置的启动。

2、本发明的一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置，在燃料电池启动瞬间控制调压电路导通来对PCS变流器输入侧进行降压，并且在PCS变流器输入侧输入电压下降后及时控制调压电路断开，可自动完成整个工作过程，反应迅速。

3、本发明的一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置，相较于通过直流变换器进行电压转换，结构简单，成本低廉，工作可靠性高，且不会降低燃料电池发电装置的发电功率。

4、本发明的一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组及燃料电池发电装置，在对外供电时可根据实际情况通过燃料电池供电单独供电，通过蓄电池组单独供电，通过燃料电池和蓄电池组共同供电，从而满足不同应用场景下的供电需求。燃料电池根据实际情况还可实现对蓄电池组的充电，大大提高了本公开实用性、适应性和稳定性，满足日趋多能源综合利用的市场需求和应用场景。

附图说明

图1是本发明的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组的一种实施例示意图；

图2是本发明的燃料电池发电装置并网时的一种实施例示意图；

图中：100-PCS变流器输入侧直流电压自适应模组、1-燃料电池、2-PCS变流器、3-调压电路、4-控制开关、5-负载、6-电阻、7-隔离变压器、8-蓄电池组、9-充电控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

在本发明的描述中,需要说明的是,本发明中涉及到电路和电子元器件以及模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言，本发明保护的内容也不涉及对于内部结构改进。

进一步需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1本发明的实施例提供了一种燃料电池发电装置的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100，设置于燃料电池1和PCS变流器2输入侧之间，该模组主要包括用于连接燃料电池1的第一电路、用于连接PCS变流器2输入侧的第二电路、电压传感器和调压电路3；其中，调压电路3分别连接第一电路和第二电路，第一电路作为该PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100的输入端、第二电路作为该PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100的输出端。当本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100通过第一电路与燃料电池1连接、通过第二电路与PCS变流器2输入侧连接时，调压电路3与PCS变流器2输入侧处于并联状态。调压电路3设有负载5和用于控制调压电路3通断的控制开关4。

PCS变流器2输入侧输入直流电压、输出侧输出交流电压，进行交直流的变换。由PCS变流器2的自身特性可知，PCS变流器2输入侧的输入电压处于限定电压范围时可正常工作，而PCS变流器2输入侧的输入电压超过限定电压范围的最大输入电压时，PCS变流器2无法启动工作。PCS变流器2输入侧的限定电压范围由其自身特性决定，也就是说PCS变流器2输入侧的最大输入电压是确定的。如本实施例中，PCS变流器2的输入侧的额定工作电压为800V，PCS变流器2输入侧的限定电压为500-900V，对应的最大输入电压为900V。

需要说明的是，为了保证PCS变流器2最大限度的转换效率，燃料电池1的额定工作电压根据PCS变流器2输入侧的额定工作电压确定。燃料电池1连接PCS变流器2的输入侧，燃料电池1的输出电压为PCS变流器2输入侧的输入电压。本实施例中，燃料电池1启动时的开路电压为1300V，额定工作电压为800V。

电压传感器与PCS变流器2的输入侧连接，可以实时检测PCS变流器2输入侧的输入电压。

在其他实施例中，调压电路3与PCS变流器2输入侧并联连接，调压电路3设有串联连接的负载5和控制开关4，负载5、控制开关4和燃料电池1构成回路，控制开关4控制该回路的开闭，控制开关4可以为继电器、接触器、断路器等电路开关。

需要说明的是，负载5为一般用电器即可，阻值尽量小。优选的，本实施例中负载5为一个电阻6或并联连接的多个电阻6。在负载5为多个电阻6时，通过多个电阻6并联使负载5的阻值大大降低，来增大调压电路3的电流，使调压电路3两端的电压迅速下降。在其他实施例中，多个电阻6可为串并联设置。

控制开关4在输入电压高于预设电压时闭合、在输入电压不高于预设电压时断开。一般地通过控制模块控制控制开关4自动闭合和断开。具体的，控制模块分别连接电压传感器和控制开关4，以根据PCS变流器2的输入电压控制控制开关4的开闭：在输入电压高于预设电压时控制控制开关4闭合；在输入电压不高于预设电压时控制控制开关4断开。预设电压根据PCS变流器2输入侧的限定电压范围确定，一般不超过该限定电压范围。如本实施例中，预设电压选择PCS变流器2的最大输入电压900V。

具体的，在燃料电池1启动时，燃料电池1的开路电压为1300V，此时燃料电池1的开路电压大于最大输入电压，PCS变流器2无法启动工作；电压传感器检测到PCS变流器2输入侧的输入电压为1300V、超过预设电压，控制模块控制控制开关4闭合，调压电路3导通，由于燃料电池1的功率基本恒定，调压电路3上电流增大、电压降低，也就使燃料电池1对PCS变流器2输入侧的输入电压降低；在电压传感器检测到PCS变流器2输入侧的输入电压降低至900V时，输入电压处于PCS变流器2输入侧的限定电压范围内，控制模块控制控制开关4断开，使调压电路3断开，燃料电池1输出额定电压，PCS变流器2输入侧的输入电压为其额定工作电压800V左右，PCS变流器2开始正常工作。

需要说明的是，控制模块仅仅执行简单的判断控制功能，因此可以为单独的控制器或芯片，也可以为本燃料电池发电装置的一个控制子模块，也可以共用或PCS变流器2等其他部件的控制器。当控制模块并非设置于本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100时，则为了便于控制模块获取输入电压和控制控制开关4的启闭，则本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100设有用于连接控制模块的通讯模组，控制模块与通讯模组的连接可为电连接或无线连接。

优选的，本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100封装为一体，仅露出第一电路和第二电路，以分别连接燃料电池1和PCS变流器2输入侧。在实际应用中，第一电路和第二电路显露于外界的可为接口或接线。这样本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100通过插接直接安装于燃料电池1和PCS变流器2之间即可工作。这样，便于生产、携带、使用和拆装，实现各个器件的模块化组装，从而大大简化本燃料电池发电装置的拆装流程和繁琐程度，提高其生产效率，同时也避免本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100的器件显露于外环境，避免杂质介入和干扰，从而确保本公开的使用寿命和稳定安全性。

在本发明的另一实施例中，基于但不限于上述实施例，本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100还包括用以实现蓄电池组8与燃料电池1连接的连接电路。在实际应用中，连接电路可通过第一电路与燃料电池1连接。连接电路也可通过第三电路与燃料电池1连接，第三电路与第一电路类似，可以为显露于本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100外界的接口或接线。在实际应用中，第一电路(和/或第三电路)、第二电路、电压传感器和调压电路3(和/或控制模块)均设置于电路板上进行封装，且负载5优选涂覆有导热胶以加快其散热。

请参考图2，本发明的实施例还提供了一种燃料电池发电装置，包括：燃料电池1、PCS变流器2、控制器以及上述任意一项所述的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100；其中，PCS变流器2输入侧和调压电路3并联后与燃料电池1连接；控制器分别与电压传感器、控制开关4连接，用以实现控制开关4在输入电压高于预设电压时闭合、在输入电压不高于预设电压时断开。具体地，PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100通过第一电路连接燃料电池1、PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100通过第二电路连接连接PCS变流器2输入侧，进而实现PCS变流器2与燃料电池1的连接。控制器与电压传感器和控制开关4的连接可为无线连接和/或电连接实现信号的接收和执行。

燃料电池1的电堆数量可以设置为多个，各个电堆依次串联连接，串联后的各电堆(即燃料电池1)的总输出电压为PCS变流器2输入侧的输入电压。

如本实施例中，每一电堆中的每一燃料电池单体的开路电压为1V、额定工作电压为0.6V，那么为了满足PCS变流器2输入侧的实际输入电压为额定工作电压，燃料电池单体的数量为1300片。此时燃料电池1启动时的开路电压为1300V，额定工作电压为800V。

在电堆的数量设置为多个时，电堆的数量根据实际应用时燃料电池1输出电压和PCS变流器2输入侧的额定工作电压来确定，不受本实施例中的限制。

在一些其他实施例中，燃料电池1的电堆数量设置为一个，该燃料电池1通过本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100与PCS变流器2输入侧连接，该燃料电池1的开路电压大于PCS变流器2的最大输入电压。

如图2所示，在本发明的另一实施例中，基于但不限于上述实施例，本燃料电池发电装置还包括：串联连接的蓄电池组8和充电控制器9，蓄电池组8连接PCS变流器2输入侧以供电，充电控制器9通过连接电路与燃料电池1连接。燃料电池1可对蓄电池组8充电，在燃料电池1因故障等原因停止工作时，蓄电池组8可对PCS变流器2输入侧输入电压，使得本燃料电池发电装置通过蓄电池组8进行供电。具体地，控制器分别与燃料电池1、PCS变流器2、蓄电池组8、充电控制器9、PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100连接。以实现以下工作模式：

工作模式一:燃料电池1与PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100、PCS变流器2输入侧处于电导通状态时；蓄电池组8与PCS变流器2输入侧处于电断开状态；燃料电池1通过连接电路选择性地与充电控制器9、蓄电池组8处于电断开状态或电导通状态。

在此工作模式下，断开蓄电池组8和PCS变流器2输入侧之间的连接，断开燃料电池1和充电控制器9之间的连接，启动燃料电池1，本燃料电池发电装置上电启动时，由燃料电池1先启动，燃料电池1在启动时会输出高于PCS变流器2启动电压范围的直流开路电压，加载到PCS变流器2上，因PCS变流器2的直流输入侧电压保护机制，会无法启动PCS变流器2，此时通过本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100把燃料电池1输出的电压调整到设定电压(PCS变流器2启动电压范围)后，PCS变流器2启动，本燃料电池发电装置开始启动，发出的直流电经PCS变流器2逆变为交流电，经过隔离变压器7开始供电。在此过程中，当蓄电池组8需要充电时，燃料电池1发出的电，除了一部分流向PCS变流器2，另外一部分则可以经过充电控制器9给蓄电池组8充电，充满以后，断开燃料电池1和充电控制器9的连接，不再给蓄电池组8充电。值得说明的是，当燃料电池1给蓄电池组8充电时，则电压传感器检测到将为燃料电池1流向PCS变流器2输入侧的电压，不再是燃料电池1的全部输出电压。当然，当燃料电池1仅给PCS变流器2输入侧供电时，则电压传感器检测到将为燃料电池1的全部输出电压。

工作模式二：蓄电池组8与PCS变流器2输入侧处于电导通状态时，燃料电池1与PCS变流器2输入侧处于电断开状态，燃料电池1与充电控制器9处于电断开状态。在此工作模式下，断开燃料电池1和PCS变流器2输入侧、燃料电池1充电控制器9之间的连接，蓄电池组8接入PCS变流器2输入侧逆变成交流电，通过隔离变压器7开始供电。

工作模式三：蓄电池组8与PCS变流器2输入侧处于电导通状态时，燃料电池1与PCS变流器2输入侧处于电导通状态；燃料电池1与充电控制器9处于电断开状态。在此工作模式下，当因需求供电功率较大，燃料电池1和蓄电池组8均无法单独满足供电功率需求时，可采用双供电模式：燃料电池1在开始供电后，通过开关接入蓄电池组8到PCS变流器2输入侧，合并逆变成交流电，通过隔离变压器7开始供电，从而提升发电功率。

本实施例中，凡是通过本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100实现燃料电池1与该部件(如充电控制器9、PCS变流器2)连接的开关优选设置于本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100。当然，也可通过在本PCS变流器输入侧直流电压自适应模组100与该部件之间设置开关实现通断，也应属于本发明的保护范围。本燃料电池发电装置通过隔离变压器7可实现并网供电或对外部设备供电。

本本文中所称的燃料电池1可为质子膜燃料电池、固体燃料电池、燃烧氢气的氢燃料电池或甲醇燃料电池等燃料电池中的一种或多种混合。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种PCS变流器输入侧直流电压自适应模组，其适用于燃料电池发电装置，其特征在于，该模组包括：

第一电路，其用以连接燃料电池；

第二电路，其用以连接所述PCS变流器输入侧；

调压电路，所述调压电路设有负载和控制开关；

以及电压传感器，其用以检测所述PCS变流器输入侧输入电压；

其中，当所述PCS变流器通过该模组与燃料电池连接时，所述PCS变流器输入侧与所述调压电路并联设置。

2.如权利要求1所述的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组，其特征在于：所述第一电路、所述第二电路、所述电压传感器和所述调压电路封装一体；和/或，

还包括连接电路，其用以实现蓄电池组与所述燃料电池连接。

3.如权利要求1所述的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组，其特征在于：所述负载包括一电阻；或，所述负载包括多个并联连接的电阻。

4.如权利要求1-3任意一项所述的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组，其特征在于：所述控制开关为继电器、接触器或断路器。

5.一种燃料电池发电装置，其特征在于，包括：燃料电池、PCS变流器、控制器以及上述权利要求1～4任意一项所述的PCS变流器输入侧直流电压自适应模组；其中，所述PCS变流器输入侧和所述调压电路并联后与所述燃料电池连接；所述控制器分别与所述电压传感器、所述控制开关连接，用以实现所述控制开关在所述输入电压高于预设电压时闭合、在所述输入电压不高于预设电压时断开。

6.如权利要求5所述的燃料电池发电装置，其特征在于：所述燃料电池的电堆为多个，所有的电堆串联设置；和/或，

所述预设电压为所述PCS变流器的最大输入电压；和/或，

所述燃料电池的开路电压大于所述预设电压。

7.如权利要求5所述的燃料电池发电装置，其特征在于，还包括：串联连接的蓄电池组和充电控制器，所述蓄电池组连接所述PCS变流器输入侧以供电，所述充电控制器通过连接电路与所述燃料电池连接。

8.如权利要求7所述的燃料电池发电装置，其特征在于：所述控制器分别与所述燃料电池、所述PCS变流器、所述蓄电池组、所述充电控制器、所述PCS变流器输入侧直流电压自适应模组连接。

9.如权利要求8所述的燃料电池发电装置，其特征在于：所述燃料电池与所述PCS变流器输入侧直流电压自适应模组、所述PCS变流器输入侧处于电导通状态时；所述蓄电池组与所述PCS变流器输入侧处于电断开状态；所述燃料电池通过连接电路选择性地与所述充电控制器、所述蓄电池组处于电断开状态或电导通状态；和/或，

所述蓄电池组与所述PCS变流器输入侧处于电导通状态时，所述燃料电池与所述PCS变流器输入侧处于电断开状态，所述燃料电池与所述充电控制器处于电断开状态；和/或，

所述蓄电池组与所述PCS变流器输入侧处于电导通状态时，所述燃料电池与所述PCS变流器输入侧处于电导通状态；所述燃料电池与所述充电控制器处于电断开状态。

10.如权利要求5～9任意一项所述的燃料电池发电装置，其特征在于：所述PCS变流器输出侧连接隔离变压器以实现供电。

Images