燃料电池供能系统及基于其的能量调节方法与流程

1.本发明涉及一种燃料电池供能系统及基于其的能量调节方法。


背景技术：

2.燃料电池供能系统具有效率高，功率密度大，模块化，寿命长等优点，是未来能源发展的重要方向。例如，现有技术的sofc(solid oxide fuel cell，固体氧化物燃料电池)可以实现80％～90％的综合效率。
3.但是，现有的燃料电池存在输出电压比较低，直流电压波动幅度大，以及对低频纹波适应性差的问题，因此需要用dc/dc变换器做前端升压和调压控制。然而，在大功率燃料电池供能系统运行过程中，dc/dc变换器主要控制直流母线电压(bus voltage)，对燃料电池的电流控制和调节能力则较差。
4.一方面，为了让燃料电池供能系统中各燃料电池模块均分输出功率，dc/dc变换器通常采用集中通讯方式和下垂控制等方法。但是，集中通讯方式有响应速度慢和可靠性低的缺陷；而下垂控制中母线电压精度与各燃料电池模块间电流均衡程度常常需要折衷，为了实现较高的母线电压精度，各燃料电池模块间电流不均衡依然存在。
5.另一方面，多组燃料电池模块之间，由于制造工艺、使用年限、健康状态等因素，还存在发电效率的差异、输出电压的差异、电堆温度的差异等，需要设法有效地利用燃料电池的特性参数来优化燃料电池供能系统的运行。
6.因此，如何在实施母线电压/输出电流控制的同时优化多组燃料电池的输出功率分配，成为一个重要的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供燃料电池供能系统及基于其的能量调节方法，能够实现基于各个燃料电池的运行状况的能量/功率优化调节。
8.为了实现上述目的，本发明提供一种基于燃料电池供能系统的能量调节方法，其特点在于，所述燃料电池供能系统包括多个燃料电池发电模块、多个功率变换模块以及一通讯控制模块，所述通讯控制模块与所述多个功率变换模块相连接，且所述多个燃料电池发电模块经由对应的所述功率变换模块电连接到一直流母线，所述能量调节方法包括：
9.所述通讯控制模块基于每一所述燃料电池发电模块的至少一能量状态参数计算对应的参数平均值；
10.所述通讯控制模块根据每一所述燃料电池发电模块的所述能量状态参数和所述参数平均值计算对应的补偿因子并下发给对应的所述功率变换模块；或者，所述功率变换模块根据对应连接的所述燃料电池发电模块的所述能量状态参数和所述通讯控制模块下发的所述参数平均值计算对应的补偿因子；
11.所述功率变换模块基于下垂算法计算每一所述功率变换模块的控制量参考值，并将所述控制量参考值与对应的所述补偿因子相乘以得到所述功率变换模块的控制量给定
值；
12.所述功率变换模块根据所述控制量给定值对对应的所述燃料电池发电模块进行调节。
13.在本发明的一实施例中，所述能量状态参数为燃料电池发电模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、燃料电池发电模块的燃料供应流量或压力检测值、以及燃料电池发电模块的健康水平检测值的至少其中之一。
14.在本发明的一实施例中，所述补偿因子为每一所述燃料电池发电模块的所述能量状态参数与所述多个燃料电池发电模块的所述能量状态参数的均值之商。
15.在本发明的一实施例中，所述通讯控制模块与所述多个功率变换模块进行有线通讯或无线通讯。
16.在本发明的一实施例中，所述功率变换模块为直流/直流变换模块。
17.在本发明的一实施例中，在每一所述功率变换模块的所述控制量参考值与对应的所述补偿因子相乘前，还包括：
18.所述通讯控制模块或所述功率变换模块对所述补偿因子进行限幅。
19.为了实现上述目的，本发明另外提供一种燃料电池供能系统，其特点在于，包括：
20.多个燃料电池发电模块；
21.多个功率变换模块，将对应的所述燃料电池发电模块电连接到一直流母线；以及
22.一通讯控制模块，与所述多个功率变换模块相连接；
23.其中，所述通讯控制模块基于每一所述燃料电池发电模块的至少一能量状态参数计算对应的参数平均值；
24.所述通讯控制模块根据每一所述燃料电池发电模块的所述能量状态参数和所述参数平均值计算对应的补偿因子并下发给对应的所述功率变换模块；或者，所述功率变换模块根据对应连接的所述燃料电池发电模块的所述能量状态参数和所述通讯控制模块下发的所述参数平均值计算对应的补偿因子；
25.所述功率变换模块基于下垂算法计算每一所述功率变换模块的控制量参考值，并将所述控制量参考值与对应的所述补偿因子相乘以得到所述功率变换模块的控制量给定值；
26.所述功率变换模块根据所述控制量给定值对对应的所述燃料电池发电模块进行调节。
27.在本发明的另一实施例中，所述能量状态参数为燃料电池发电模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、燃料电池发电模块的燃料供应流量或压力检测值、以及燃料电池发电模块的健康水平检测值的至少其中之一。
28.在本发明的另一实施例中，所述补偿因子为每一所述燃料电池发电模块的所述能量状态参数与所述多个燃料电池发电模块的所述能量状态参数的均值之商。
29.在本发明的另一实施例中，所述通讯控制模块与所述多个功率变换模块进行有线通讯或无线通讯。
30.在本发明的另一实施例中，所述功率变换模块为直流/直流变换模块。
31.在本发明的另一实施例中，在每一所述功率变换模块的控制量参考值与对应的所述补偿因子相乘前，所述通讯控制模块或所述功率变换模块对所述补偿因子进行限幅。
32.在本发明的另一实施例中，所述直流母线还通过一直流/交流变换模块与一电网相连接。
33.本发明通过引入与燃料电池能量状态参数相关的补偿因子，实现燃料电池功能系统的能量/功率优化控制。采用本发明的优点在于：在满足直流母线功率控制和各燃料电池发电模块的输出功率基本平衡的基础上，通过补偿因子，实现了基于各个燃料电池发电模块的能量状态的能量/功率优化控制。
34.本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
35.通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
36.图1为本发明的燃料电池供能系统的结构示意图；
37.图2为基于本发明的燃料电池供能系统的能量调节方法的流程示意图。
具体实施方式
38.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
39.在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。实施方式中可能使用相对性的用语，例如“上”或“下”以描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”侧的组件将会成为在“下”侧的组件。此外，权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
40.如图1所示，本发明的燃料电池供能系统100主要包括有多个燃料电池发电模块10，多个功率变换模块20以及一通讯控制模块30。其中，所述多个功率变换模块20是将对应的所述燃料电池发电模块10电连接到一直流母线40，例如，图1中示出了三个燃料电池发电模块11、12、13，其分别与对应的功率变换模块21、22、23电连接，且这些功率变换模块21～23电连接至直流母线40。所述通讯控制模块30是与所述多个功率变换模块20相连接，例如，所述通讯控制模块30可与所述多个功率变换模块20进行有线通讯或无线通讯。优选地，所述燃料电池发电模块10例如可为sofc(solid oxide fuel cell，固体氧化物燃料电池)。这些功率变换模块21～23例如可为直流/直流变换模块，并可经由所述直流母线40通过一直流/交流变换模块31进一步与一电网50相连接。
41.结合图1，如图2所示，本发明的燃料电池功能系统的能量调节方法包括：
42.在步骤201中，所述通讯控制模块30基于每一所述燃料电池发电模块10的至少一能量状态参数计算对应的参数平均值；
43.在步骤202中，所述通讯控制模块30根据每一所述燃料电池发电模块10的所述能量状态参数和所述参数平均值计算对应的补偿因子并下发给对应的所述功率变换模块20；或者，所述功率变换模块20根据对应连接的所述燃料电池发电模块10的所述能量状态参数和所述通讯控制模块30下发的所述参数平均值计算对应的补偿因子；
44.在步骤203中，所述功率变换模块20基于下垂算法计算每一所述功率变换模块20的控制量参考值，并将所述控制量参考值与对应的所述补偿因子相乘以得到所述功率变换模块20的控制量给定值；
45.在步骤s204中，所述功率变换模块20根据所述控制量给定值对对应的燃料电池发电模块10进行调节。
46.在本发明中，所述能量状态参数包括但不限于为燃料电池发电模块的输出电压值、输出电压系统给定值、输出电流给定值、温度检测值、功率检测值、变换效率计算值、燃料电池发电模块的燃料供应流量或压力检测值、以及燃料电池发电模块的健康水平检测值的至少其中之一，即可为对燃料电池的正常运行或优化相关需求的一个或多个因素。而所述补偿因子可为每一所述燃料电池发电模块10的所述能量状态参数与所述多个燃料电池发电模块10的所述能量状态参数的均值之商。
47.并且，在如图1所示的实施例，所述直流/交流变换模块31例如可集成于一储能变流器(power conversion system，pcs)中，或者独立设置。所述通讯控制模块30可以独立设置，也可以集成于所述pcs中。在其他实施例中，所述通讯控制模块30还可分别通过第一通讯通道301和第二通讯通道302与所述多个功率变换模块20通讯连接，并可分别在所述第一通讯通道301、所述第二通讯通道302设置相应的信号收发模块32、33用以接收和发送信号。当然，可以理解的是，在其他实施例中，所述通讯控制模块30也可以直接通过一个通讯通道与所述多个功率变换模块20通讯连接，这些并不作为对本发明的限制。
48.更佳地，在本发明中，在每一所述功率变换模块的控制量参考值与对应的所述补偿因子相乘前，所述通讯控制模块或所述功率变换模块对所述补偿因子进行限幅调节。
49.本发明通过在母线电压、输出电流或功率的控制中，引入与燃料电池发电模块的各个能量状态参数相关的补偿因子，使得并联的每个功率变换模块，在原有的功率均衡控制的基础上，能根据对应连接的燃料电池发电模块的状态，对功率变换模块的输入或输出电压/电流/功率实施更为精细的调节。
50.以下将以两个具体实施例详细说明本发明的能量调节方法及其优点。
51.具体实施例1：输出电压均衡
52.通讯控制模块30监测各个燃料电池发电模块的输出电压，将各燃料电池发电模块的输出电压与输出电压平均值相除的商做为各燃料电池发电模块的补偿因子；将直流母线40连接至多个燃料电池发电模块10的多个功率变换模块20，在下垂控制方法的基础上，计算其输出电流或功率参考值，并与所述补偿因子相乘，得到其输出电流或功率给定值；所述功率变换模块20根据所述输出电流或功率给定值对对应的所述燃料电池发电模块10进行输出电流或功率调节。通过此方式，输出电压相对较高的燃料电池发电模块10输出更大电流，基于燃料电池的输出特性，可使得各燃料电池发电模块10的输出电压与输出电压平均
值更加接近。
53.具体实施例2：各个燃料电池发电模块的效率优化
54.通讯控制模块30监测各个燃料电池发电模块的电堆效率，将各燃料电池发电模块的电堆效率与电堆效率平均值相除的商做为各燃料电池发电模块的补偿因子；将直流母线40连接至多个燃料电池发电模块10的多个功率变换模块20，在下垂控制方法的基础上，计算其输出电流或功率参考值，并与所述补偿因子相乘，得到其输出电流或功率给定值；所述功率变换模块20根据所述输出电流或功率给定值对对应的所述燃料电池发电模块10进行输出电流或功率调节。其中，补偿因子在与输出电流或功率参考值相乘前可以先由所述通讯控制模块30或所述功率变换模块20进行限幅调节。通过此方式，电堆效率相对较高的燃料电池发电模块10输出更大功率。
55.如此，本发明通过引入与燃料电池能量状态参数相关的补偿因子，实现燃料电池功能系统的能量/功率优化控制。采用本发明的优点在于：在满足直流母线功率控制和各燃料电池发电模块的输出功率基本平衡的基础上，通过补偿因子，实现了基于各个燃料电池发电模块的能量状态的能量/功率优化控制。
56.以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。