CN117879012A - 一种燃料电池供电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种燃料电池供电系统及方法；涉及电网供电领域，解决燃料电池供电系统中无法快速跟踪负载功率变化的问题，逆变器与电网连接，逆变器与燃料电池、可充电电池连接，燃料电池与可充电电池连接；燃料电池与可充电电池输出的直流电通过逆变器转换为交流电输入至电网；当用户需求的功率变化数据增大时，燃料电池不能立刻达到用户所需要的功率需求，通过控制可充电电池输出直流电至逆变器，弥补空缺功率，当功率变化数据减小时，燃料电池的输出功率不能立刻降低用户所需要的功率需求，通过控制可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电，可充电电池存储燃料电池多余的能量，对燃料电池进行能量回收，实现了快速跟踪负载功率变化的问题。

Description

一种燃料电池供电系统及方法

技术领域

本申请涉及电网供电领域，特别是涉及一种燃料电池供电系统及方法。

背景技术

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的设备。它通过将氢气(或其他可燃气体)和氧气在电化学反应中结合，产生电能和水。

然而，燃料电池的响应时间通常比其他能源系统(如电池或超级电容器)慢。这是因为燃料电池需要时间来调整其内部化学反应，以适应负载功率的变化。负载功率的变化速率可能非常快，这使得燃料电池难以及时响应。

由此可见，如何解决燃料电池供电系统中无法快速跟踪负载功率变化的问题，是本领域人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种燃料电池供电系统及方法，解决燃料电池供电系统中无法快速跟踪负载功率变化的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供一种燃料电池供电系统，包括：逆变器、燃料电池、可充电电池；

所述逆变器与电网连接，所述逆变器与所述燃料电池、所述可充电电池连接，所述燃料电池与所述可充电电池连接；

所述燃料电池与所述可充电电池输出的直流电通过所述逆变器转换为交流电输入至所述电网；

所述逆变器获取用户侧的功率变化数据，当所述功率变化数据增大时，控制所述可充电电池输出直流电至所述逆变器；当所述功率变化数据减小时，控制所述可充电电池接收并存储所述燃料电池输出的直流电。

可选的，上述燃料电池供电系统中，所述逆变器为双向储能逆变器；

所述双向储能逆变器用于将所述电网的交流电转换为直流电存储在所述可充电电池中。

可选的，上述燃料电池供电系统中，所述可充电电池为锂电池或铅蓄电池。

可选的，上述燃料电池供电系统中，还包括：电池管理系统；

所述电池管理系统与所述可充电电池、所述双向储能逆变器连接。

可选的，上述燃料电池供电系统中，所述燃料电池通过直流-直流转换器与所述双向储能逆变器连接。

可选的，上述燃料电池供电系统中，所述燃料电池为氢储能燃料电池。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种燃料电池供电方法，应用于上述的燃料电池供电系统中，所述方法包括：

获取用户侧的功率变化数据；

当所述功率变化数据增大时，接收可充电电池输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网；

当所述功率变化数据减小时，控制所述可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电。

可选的，上述燃料电池供电方法中，所述燃料电池供电系统还包括：电池管理系统；

对应的，所述控制所述可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电，之后还包括：

获取所述电池管理系统监测的所述可充电电池的剩余电量；

当所述剩余电量大于预设荷电阈值时，所述可充电电池停止接收所述燃料电池输出的直流电。

可选的，上述燃料电池供电方法中，所述逆变器为双向储能逆变器；

所述方法还包括：

当所述功率变化数据减小时，将所述电网的交流电转换为直流电存储至所述可充电电池中。

可选的，上述燃料电池供电方法中，所述接收所述可充电电池输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网，包括：

接收所述可充电电池以最大预设储能输出功率输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网；

当所述燃料电池的输出功率增大时，逐渐降低所述可充电电池的输出功率。

本申请所提供的燃料电池供电系统，包括：逆变器、燃料电池、可充电电池；逆变器与电网连接，逆变器与燃料电池、可充电电池连接，燃料电池与可充电电池连接；燃料电池与可充电电池输出的直流电通过逆变器转换为交流电输入至电网；逆变器获取用户侧的功率变化数据，当功率变化数据增大时，控制可充电电池输出直流电至逆变器；当功率变化数据减小时，控制可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电。本申请当用户需求的功率变化数据增大时，燃料电池不能立刻达到用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池输出直流电至逆变器，以弥补空缺功率，当功率变化数据减小时，燃料电池的输出功率不能立刻降低用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电，通过可充电电池存储燃料电池多余的能量，对燃料电池进行能量回收，实现了快速跟踪负载功率变化的问题。

另外，本申请还提供一种燃料电池供电方法，与上述燃料电池供电系统对应，效果同上。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种燃料电池供电系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种燃料电池供电方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种燃料电池供电系统及方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

采用燃料电池作为发电装置以降低环境污染问题，加快能源产业转型和升级，加快技术创新和产业链优化，以提高资源利用效率和经济效益。燃料电池的响应时间通常比其他能源系统(如电池或超级电容器)慢。这是因为燃料电池需要时间来调整其内部化学反应，以适应负载功率的变化。需要从外部供应氢气(或其他可燃气体)作为燃料，而氢气的供应可能需要一定的时间。尽管燃料电池的响应时间相对较慢，但一旦达到稳定工作状态，它们可以持续提供电能，并且具有高效率和低排放的优点。

为了解决燃料电池供电系统中无法快速跟踪负载功率变化的问题，本实施例提供一种燃料电池供电系统，包括：逆变器11、燃料电池12、可充电电池13；

逆变器11与电网连接，逆变器11与燃料电池12、可充电电池13连接，燃料电池12与可充电电池13连接；

燃料电池12与可充电电池13输出的直流电通过逆变器11转换为交流电输入至电网；

逆变器11获取用户侧的功率变化数据，当功率变化数据增大时，控制可充电电池13输出直流电至逆变器11；当功率变化数据减小时，控制可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电。

电网侧是电力系统的核心部分，负责将发电站产生的电能输送到用户侧。电网侧包括输电线路、变电和发电设备，负责将发电站的电能进行升压、传输和降压，以满足用户侧的需求。用户侧是电力系统的终端，是电能的使用者。

本实施例中燃料电池12输出的直流电需要通过逆变器11转换成交流电，才能与电网进行连接。逆变器11是一种电力电子设备，可以将直流电转换为交流电，并且可以控制输出电流的频率和电压。本实施例不限制逆变器11的具体结构与类型，根据实际需要设置即可。

另外，本实施例提到的可充电电池13指的是一种能够多次充电和放电的电池。相对于一次性电池(非可充电电池13)，可充电电池13具有可重复使用的特点，可以通过外部电源将其放电后重新充电，以供后续使用。可充电电池13的工作原理基于电化学反应。当电池充电时，外部电源通过连接电极，将电流引入电池中，使电池发生反应，将化学能转化为电能，并将电荷储存在电池的正负极之间的化学物质中。当需要使用电池时，电池会释放储存的电荷，通过连接电路供应电流。本实施例不限制可充电电池13的具体类型，根据实际需要选择即可。例如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂聚合物电池等。

当功率变化数据增大时，燃料电池12不能立刻达到用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池13输出直流电至逆变器11，以弥补空缺功率，逐渐的燃料电池12的输出功率增加，则可同步逐渐降低可充电电池13的输出功率，直至停止工作，燃料电池12满足用户侧需求，燃料电池12稳态输出；当功率变化数据减小时，燃料电池12的输出功率不能立刻降低用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电，通过可充电电池13存储燃料电池12多余的能量，对燃料电池12进行能量回收，当燃料电池12功率逐渐降低后，可充电电池13回收的能量功率逐渐降低，直至燃料电池12满足用户侧需求，可充电电池13停止工作，燃料电池12稳态输出。

通过本实施例提供的燃料电池12供电系统，包括：逆变器11、燃料电池12、可充电电池13；逆变器11与电网连接，逆变器11与燃料电池12、可充电电池13连接，燃料电池12与可充电电池13连接；燃料电池12与可充电电池13输出的直流电通过逆变器11转换为交流电输入至电网；逆变器11获取用户侧的功率变化数据，当功率变化数据增大时，控制可充电电池13输出直流电至逆变器11；当功率变化数据减小时，控制可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电。本申请当用户需求的功率变化数据增大时，燃料电池12不能立刻达到用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池13输出直流电至逆变器11，以弥补空缺功率，当功率变化数据减小时，燃料电池12的输出功率不能立刻降低用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电，通过可充电电池13存储燃料电池12多余的能量，对燃料电池12进行能量回收，实现了快速跟踪负载功率变化的问题。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电系统，所述逆变器11为双向储能逆变器11；

所述双向储能逆变器11用于将所述电网的交流电转换为直流电存储在所述可充电电池13中。

双向储能逆变器11是一种特殊类型的逆变器11，具有双向能量流的能力。它可以实现电能的双向转换，即将直流电能转换为交流电能，同时也可以将交流电能转换为直流电能。当电网供电充足时，双向储能逆变器11可以将多余的电能转换为直流电并储存在储能设备中，以便在需要时供电。而当电网供电不足或断电时，储能设备可以通过双向储能逆变器11将储存的直流电能转换为交流电，以供应给负载设备。

双向储能逆变器11高效节能，效率可达94％以上，宽电压输入范围，可适应多种类型的电池；安全可靠，多重故障保护机制，实时监控，保障安全可靠稳定运行，支持高、低压穿越，功率快速调节，功率动态补偿，电网适应能力强；超强带载，采用虚拟同步运行技术，响应为毫秒级别，可快速承接突加负载和设备启动冲击，可启动单个功率达到设备容量60％以上的感性电机类负荷，最大短时抗冲击能力为储能额定功率的2倍以上；智慧友好：通过智能控制启停技术，支持多种运行模式，支持并离网运行，支持新能源接入，支持发电机组并网，在储能配合可根据负荷大小调整运行机组数量。

在本实施例提供的燃料电池12供电系统，双向储能逆变器11与可充电电池13都可用于存储燃料电池12输出的电能。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电系统，所述可充电电池13为锂电池或铅蓄电池。

锂电池具有较高的能量密度，能够提供更多的电能存储，使设备更加轻薄和便携。相对于其他可充电电池13，锂电池具有较长的循环寿命，可以进行多次充放电循环而不明显损失容量。锂电池的自放电率相对较低，即使在长时间不使用时，电池的电荷也能保持相对稳定。支持快速充电，充电时间相对较短。铅蓄电池的制造成本相对较低，是一种相对经济实惠的电池技术。铅蓄电池的能量密度较低，能够提供高电流输出，根据实际的设计需要具体选择适合的可充电电池13即可。

可充电电池13的电池容量可根据燃料电池12的反应效率，电网用户侧的需求功率进行确定。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电系统，还包括：电池管理系统；

所述电池管理系统与所述可充电电池13、所述双向储能逆变器11连接。

BMS(Battery Management System，电池管理系统)是一种能够对电池进行监控、控制和管理的系统。它的主要任务是确保电池的安全、高效和可靠运行，以延长电池的使用寿命并提高电池的性能。BMS能够实时监测电池组的电压、电流、温度等参数，以了解电池的工作状态和健康状况。通过BMS监测数据可以控制充电和放电过程，以确保电池的安全性和性能。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电系统，所述燃料电池12通过直流-直流转换器与所述双向储能逆变器11连接。

DC/DC转换器是一种电力转换设备，用于将直流电能从一个电压级别转换为另一个电压级别。它可以将直流电源的电压升高(升压转换器)或降低(降压转换器)，以满足不同电子设备对电源电压的要求。包括升压转换器、降压转换器、升降压转换器等。每种类型的转换器都有不同的特点和适用场景，根据具体的应用需求选择合适的转换器类型。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电系统，所述燃料电池12为氢储能燃料电池12。

燃料电池12系统以燃料电池12电堆为核心，匹配为电堆正常运行的阴阳极供气系统，散热系统及电气和控制系统等辅助系统(BOP)，形成独立的发电单元，为整车运行或其他用电负载提供电能。通常，燃料电池12系统包含了电堆模块，空气子系统，氢气子系统，热管理子系统，电气子系统等几个部分。燃料电池12通过燃烧氢气输出直流电能，需要时间进行功率的切换。氢储能燃料电池12是一种将氢气作为燃料，并通过与氧气发生化学反应来产生电能的设备。它是一种可再生能源技术，可以将氢气的化学能转化为电能，同时产生水作为唯一的副产物。

本申请还提供一种燃料电池12供电方法，应用于上述燃料电池12供电系统中，如图2所示，所述方法包括：

S21：获取用户侧的功率变化数据；

S22：当功率变化数据增大时，接收可充电电池13输出的直流电并转换为交流电输出至电网；

S23：当功率变化数据减小时，控制可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电。

在本申请中，当用户需求的功率变化数据增大时，燃料电池12不能立刻达到用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池13输出直流电至逆变器11，以弥补空缺功率，当功率变化数据减小时，燃料电池12的输出功率不能立刻降低用户所需要的功率需求，则通过控制可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电，通过可充电电池13存储燃料电池12多余的能量，对燃料电池12进行能量回收，实现了快速跟踪负载功率变化的问题。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电方法，所述燃料电池12供电系统还包括：电池管理系统；

对应的，所述控制所述可充电电池13接收并存储燃料电池12输出的直流电，之后还包括：

获取所述电池管理系统监测的所述可充电电池13的剩余电量；

当所述剩余电量大于预设荷电阈值时，所述可充电电池13停止接收所述燃料电池12输出的直流电。

SOC，全称为State of Charge，即电池的荷电状态，也叫剩余电量。它代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～100％，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝100％时表示电池完全充满。通过连接可充电电池13的电池管理系统，用以至少检测可充电电池13的电量是否充足。

可选的，预设荷电阈值为80％SOC，即可充电电池13当前所拥有的的电量占比电池总容量的80％，并不会完全充满，剩余容量用于对燃料电池12的能量回收。可充电电池13可以通过燃料电池12充电，也可以通过双向储能逆变器11转换电网侧交流电到高压直流电充电。具体地，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电方法，所述逆变器11为双向储能逆变器11；

所述方法还包括：

当所述功率变化数据减小时，将所述电网的交流电转换为直流电存储至所述可充电电池13中。

根据上述实施例，在一种具体的实施例中，上述燃料电池12供电方法，所述接收所述可充电电池13输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网，包括：

接收所述可充电电池13以最大预设储能输出功率输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网；

当所述燃料电池12的输出功率增大时，逐渐降低所述可充电电池13的输出功率。

当所述功率变化数据增大时，可充电电池13以最大预设储能输出功率，以弥补空缺功率，逐渐的燃料电池12的输出功率增加，则可同步逐渐降低可充电电池13的输出功率，直至停止工作，燃料电池12满足用户侧需求，燃料电池12稳态输出。

以上对本申请所提供的燃料电池12供电系统及方法进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，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。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种燃料电池供电系统，其特征在于，包括：逆变器、燃料电池、可充电电池；

所述逆变器与电网连接，所述逆变器与所述燃料电池、所述可充电电池连接，所述燃料电池与所述可充电电池连接；

所述燃料电池与所述可充电电池输出的直流电通过所述逆变器转换为交流电输入至所述电网；

所述逆变器获取用户侧的功率变化数据，当所述功率变化数据增大时，控制所述可充电电池输出直流电至所述逆变器；当所述功率变化数据减小时，控制所述可充电电池接收并存储所述燃料电池输出的直流电。

2.根据权利要求1所述的燃料电池供电系统，其特征在于，所述逆变器为双向储能逆变器；

所述双向储能逆变器用于将所述电网的交流电转换为直流电存储在所述可充电电池中。

3.根据权利要求2所述的燃料电池供电系统，其特征在于，所述可充电电池为锂电池或铅蓄电池。

4.根据权利要求3所述的燃料电池供电系统，其特征在于，还包括：电池管理系统；

所述电池管理系统与所述可充电电池、所述双向储能逆变器连接。

5.根据权利要求2至4任意一项所述的燃料电池供电系统，其特征在于，所述燃料电池通过直流-直流转换器与所述双向储能逆变器连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池供电系统，其特征在于，所述燃料电池为氢储能燃料电池。

7.一种燃料电池供电方法，其特征在于，应用于权利要求1至6任意一项所述的燃料电池供电系统中，所述方法包括：

获取用户侧的功率变化数据；

当所述功率变化数据增大时，接收可充电电池输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网；

当所述功率变化数据减小时，控制所述可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电。

8.根据权利要求7所述的燃料电池供电方法，其特征在于，所述燃料电池供电系统还包括：电池管理系统；

对应的，所述控制所述可充电电池接收并存储燃料电池输出的直流电，之后还包括：

获取所述电池管理系统监测的所述可充电电池的剩余电量；

当所述剩余电量大于预设荷电阈值时，所述可充电电池停止接收所述燃料电池输出的直流电。

9.根据权利要求7所述的燃料电池供电方法，其特征在于，所述逆变器为双向储能逆变器；

所述方法还包括：

当所述功率变化数据减小时，将所述电网的交流电转换为直流电存储至所述可充电电池中。

10.根据权利要求7所述的燃料电池供电方法，其特征在于，所述接收所述可充电电池输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网，包括：

接收所述可充电电池以最大预设储能输出功率输出的直流电并转换为交流电输出至所述电网；

当所述燃料电池的输出功率增大时，逐渐降低所述可充电电池的输出功率。