一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的制作方法

1.本发明属于燃料电池储能发电供电技术领域，具体涉及一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统。


背景技术：

2.氢燃料电池系统作为新能源电力应用发展的技术路线之一，受到业界追捧。特别是氢燃料汽车系统已经取得了商业化进展。在汽车动力供电驱动方面，采用氢燃料电池受控主动调节供电能力的方式，根据用电需要控制供电功率，具备以氢能源为原料主动控制燃料电池的电力输出能力；利用新能源制氢，通过氢燃料电池发电与新能源电力配合为电力系统供电、备电及调峰调频方面应用前景依然广阔。
3.由于氢燃料电池发电供电系统具有单向供电特性，只能采用电流源模式并网联网发电供电，并通过控制氢燃料电池发电供电系统发电功率的增减，平衡电力需求与缓慢波动。在与电网结合或离网实现新能源支撑或为负荷供电的应用场景，电网的电力负荷和新能源的随机波动，燃料电池发电供电系统对于被动自适应以及离网微电网应用场景，在需要进行非计划性功率调节时，通常难以胜任，特别是氢燃料电池供电系统功率调节速率慢，存在固有的延迟，无法满足平衡电能和平抑电力波动的快速响应需求。故此，需要解决这一难题，满足氢燃料电池供电系统与新能源电力配合，作为并网或离网电力系统稳定运行和供电安全。


技术实现要素：

4.为了解决氢燃料电池供电系统功率调节速率慢，造成固有的功率响应延迟，尤其是存在无法满足平衡电网的电力负荷和新能源的随机波动的快速功率响应需求的缺陷；本发明提出一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，多个氢燃料发电单元的第1氢燃料发电单元、第2氢燃料发电单元、第i氢燃料发电单元、第j氢燃料发电单元，分别连接相应的第1电控开关、第2电控开关、第3电控开关、第4电控开关，以及与双向储能单元共同并联接入直流母线，由直流母线通过交直流双向变流器及其连接的第5电控开关接入交流电力线，构成储能交流互补的的氢燃料电池供电系统。
5.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，系统辅助供电单元通过连接第7电控开关的低压直流母线，分别连接能量管控系统、交直流双向变流器、双向储能单元、第1氢燃料发电单元、第2氢燃料发电单元、第i氢燃料发电单元、第j氢燃料发电单元、第1氢燃料发电单元控制器、第2氢燃料发电单元控制器、第i氢燃料发电单元控制器、第j氢燃料发电单元控制器，同时系统辅助供电单元与用电负荷配电柜连接，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统自用电的辅助供电系统。
6.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，第1氢燃料发电单元控制器、第2氢燃料发电单元控制器、第i氢燃料发电单元控制器、第j氢燃料发电单元控制器分别通过相应的第1氢燃料发电监控线、第2氢燃料发电监控线、第i氢燃料发电监控
线、第j氢燃料发电监控线连接相应的第1氢燃料发电单元、第2氢燃料发电单元、第i氢燃料发电单元、第j氢燃料发电单元，构成多个氢燃料发电单元子系统。
7.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，通过第8电控开关连接电负荷配电柜的交流电力线，同时通过第9电控开关连接电网，构成电网供电电力路径；其特征在于，在第9电控开关闭合接通时，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的并网发电供电系统，在第9电控开关断开时，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的离网发电供电系统。
8.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，能量管控系统通过系统监控通信线，分别连接第1电控开关、第2电控开关、第3电控开关、第4电控开关、第5电控开关、第6电控开关、第7电控开关、第8电控开关、第9电控开关、第1氢燃料发电单元控制器、第2氢燃料发电单元控制器、第i氢燃料发电单元控制器、第j氢燃料发电单元控制器、交直流双向变流器、双向储能单元、系统辅助供电单元以及用电负荷配电柜，并同时连接上位机控制系统，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的监控路径与能量管控系统。
9.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，双向储能单元是具备快速充电放电能力的双向电力储能装置。
10.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，配置双向储能单元的额定端电压，满足氢燃料发电单元子系统发电输出的电压范围中间值，并且双向储能单元充放电的电压范围大于等于氢燃料发电单元子系统发电输出的电压范围。
11.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，双向储能单元与氢燃料电池发电供电单元协同调节及快速响应功率变化的运行控制方法为：
12.并网运行时，由能量管控系统通过监测用电负荷配电柜负荷用电功率变化或根据上位机控制系统的功率控制指令，控制氢燃料电池发电供电单元增加或减少功率，双向储能单元自动快速响应交直流双向变流器的功率变化与需求，同时能量管控系统根据双向储能单元的电量调节氢燃料电池发电供电单元的功率，在双向储能单元电量偏低时，相应调节增加氢燃料电池发电供电单元的功率；在双向储能单元电量偏高时，相应调节减少氢燃料电池发电供电单元的功率；
13.离网运行时，交直流双向变流器以电压源模式运行，自动响应交流电力线上功率变化，同时由能量管控系统监测交直流双向变流器的功率变化，控制氢燃料电池发电供电单元的功率跟踪交直流双向变流器的功率，同时能量管控系统根据双向储能单元的电量调节氢燃料电池发电供电单元的功率，在双向储能单元电量偏低时，相应调节增加功率，使得氢燃料电池发电供电单元的功率大于交直流双向变流器的功率；在双向储能单元电量偏高时，相应调节减少功率，使得氢燃料电池发电供电单元的功率小于交直流双向变流器的功率。
14.本发明一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，利用双向储能单元的快速充放电能力，克服了氢燃料电池发电供电单元功率响应延迟的缺陷，在电力需求变化及电力波动时，利用具备快速充放电能力的双向储能单元与氢燃料电池发电供电单元直流并接的结构特性，双向储能单元快速响应交直流双向变流器的功率变化，自动与氢燃料电池发电供电单元协同互补运行，在减少功率需求的调节时进行充电，在增加功率需求的调节时
放电，并且弥补氢燃料电池发电供电单元功率变化速率慢的缺陷；同时能量管控系统实时进行功率调节，通过控制多个氢燃料电池发电供电单元增加或减少功率或启停，调节双向储能单元的电量余缺，在双向储能单元电量不足时，增加氢燃料电池发电供电单元发电功率，在双向储能单元电量充足时，减少氢燃料电池发电供电单元发电功率；由此，解决氢燃料电池供电系统对平衡电能和平抑电力波动的快速响应需求，满足氢燃料电池供电系统与新能源电力配合，实现储能电池与氢燃料电池互补发电供电系统并网或离网电力系统稳定运行和供电安全。
附图说明
15.图1是一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的原理示意框图。
具体实施方式
16.作为实施例子，结合附图对一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统给予说明，但是，所描述的实施例是本发明应用于一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围；本发明的技术与方案不限于本实施例子给出的内容。
17.如图1所示，一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，多个氢燃料发电单元的第1氢燃料发电单元(h1)、第2氢燃料发电单元(h2)、第i氢燃料发电单元(hi)、第j氢燃料发电单元(hj)，分别连接相应的第1电控开关(k1)、第2电控开关(k2)、第3电控开关(k3)、第4电控开关(k4)与双向储能单元(20)共同并联接入直流母线(110)，由直流母线(110)通过交直流双向变流器(10)及其连接的第5电控开关(k5)接入交流电力线(120)，构成储能交流互补的的氢燃料电池供电系统。
18.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，系统辅助供电单元(40)通过连接第7电控开关(k7)的低压直流母线(130)，分别连接能量管控系统(30)、交直流双向变流器(10)、双向储能单元(20)、第1氢燃料发电单元(h1)、第2氢燃料发电单元(h2)、第i氢燃料发电单元(hi)、第j氢燃料发电单元(hj)、第1氢燃料发电单元控制器(c1)、第2氢燃料发电单元控制器(c2)、第i氢燃料发电单元控制器(ci)、第j氢燃料发电单元控制器(cj)，同时系统辅助供电单元(40)与用电负荷配电柜(60)连接，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统自用电的辅助供电系统。
19.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，第1氢燃料发电单元控制器(c1)、第2氢燃料发电单元控制器(c2)、第i氢燃料发电单元控制器(ci)、第j氢燃料发电单元控制器(cj)分别通过相应的第1氢燃料发电监控线(51)、第2氢燃料发电监控线(52)、第i氢燃料发电监控线(5i)、第j氢燃料发电监控线(5j)连接相应的第1氢燃料发电单元(h1)、第2氢燃料发电单元(h2)、第i氢燃料发电单元(hi)、第j氢燃料发电单元(hj)，构成多个氢燃料发电单元子系统。
20.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，通过第8电控开关(k8)连接电负荷配电柜(60)的交流电力线(120)，同时通过第9电控开关(k9)连接电网(50)，构成电网供电电力路径；其特征在于，在第9电控开关(k9)闭合接通时，构成储能单元
与氢燃料电池互补发电供电系统的并网发电供电系统，在第9电控开关(k9)断开时，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的离网发电供电系统。
21.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，能量管控系统(30)通过系统监控通信线(31)，分别连接第1电控开关(k1)、第2电控开关(k2)、第3电控开关(k3)、第4电控开关(k4)、第5电控开关(k5)、第6电控开关(k6)、第7电控开关(k7)、第8电控开关(k8)、第9电控开关(k9)、第1氢燃料发电单元控制器(c1)、第2氢燃料发电单元控制器(c2)、第i氢燃料发电单元控制器(ci)、第j氢燃料发电单元控制器(cj)、交直流双向变流器(10)、双向储能单元(20)、系统辅助供电单元(40)以及用电负荷配电柜(60)，并同时连接上位机控制系统(70)，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的监控路径与能量管控系统。
22.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，双向储能单元(20)是具备快速充电放电能力的双向电力储能装置。作为实施例子，采用锂电池储能、钠电池储能、铅酸电池储能、液流电池储能、超级电容储能，以及各种具有双向快速充电与放电特性的储能单元。
23.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，配置双向储能单元(20)的额定端电压，满足氢燃料发电单元子系统发电输出的电压范围中间值，并且双向储能单元(20)充放电的电压范围大于等于氢燃料发电单元子系统发电输出的电压范围。
24.所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，双向储能单元(20)与氢燃料电池发电供电单元协同调节及快速响应功率变化的运行控制方法为：
25.并网运行时，由能量管控系统(30)通过监测用电负荷配电柜(60)负荷用电功率变化或根据上位机控制系统(70)的功率控制指令，控制氢燃料电池发电供电单元增加或减少功率，双向储能单元(20)自动快速响应交直流双向变流器(10)的功率变化与需求，同时能量管控系统(30)根据双向储能单元(20)的电量调节氢燃料电池发电供电单元的功率，在双向储能单元(20)电量偏低时，相应调节增加氢燃料电池发电供电单元的功率；在双向储能单元(20)电量偏高时，相应调节减少氢燃料电池发电供电单元的功率；
26.离网运行时，交直流双向变流器(10)以电压源模式运行，自动响应交流电力线(120)上功率变化，同时由能量管控系统(30)监测交直流双向变流器(10)的功率变化，控制氢燃料电池发电供电单元的功率跟踪交直流双向变流器(10)的功率，同时能量管控系统(30)根据双向储能单元(20)的电量调节氢燃料电池发电供电单元的功率，在双向储能单元(20)电量偏低时，相应调节增加功率，使得氢燃料电池发电供电单元的功率大于交直流双向变流器(10)的功率；在双向储能单元(20)电量偏高时，相应调节减少功率，使得氢燃料电池发电供电单元的功率小于交直流双向变流器(10)的功率。
27.本发明一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，利用双向储能单元(20)的快速充放电能力，克服了氢燃料电池发电供电单元功率响应延迟的缺陷，在电力需求变化及电力波动时，利用具备快速充放电能力的双向储能单元(20)与氢燃料电池发电供电单元直流并接的结构特性，双向储能单元(20)快速响应交直流双向变流器(10)的功率变化，自动与氢燃料电池发电供电单元协同互补运行，在减少功率需求的调节时进行充电，在增加功率需求的调节时放电，并且弥补氢燃料电池发电供电单元功率变化速率慢的缺陷；同时能量管控系统(30)实时进行功率调节，通过控制多个氢燃料电池发电供电单元增加或减少
功率或启停，调节双向储能单元(20)的电量余缺，在双向储能单元(20)电量不足时，增加氢燃料电池发电供电单元发电功率，在双向储能单元(20)电量充足时，减少氢燃料电池发电供电单元发电功率；由此，解决氢燃料电池供电系统对平衡电能和平抑电力波动的快速响应需求，满足氢燃料电池供电系统与新能源电力配合，实现储能电池与氢燃料电池互补发电供电系统并网或离网电力系统稳定运行和供电安全。
28.以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域普通技术人员而言，根据本发明的技术方案，设计出各种变形的组配、公式、参数并不需要花费创造性劳动，在不脱离本发明的原理和构思架构情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，多个氢燃料发电单元的第1氢燃料发电单元、第2氢燃料发电单元、第i氢燃料发电单元、第j氢燃料发电单元，分别连接相应的第1电控开关、第2电控开关、第3电控开关、第4电控开关，以及与双向储能单元共同并联接入直流母线，由直流母线通过交直流双向变流器及其连接的第5电控开关接入交流电力线，构成储能交流互补的的氢燃料电池供电系统。2.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，系统辅助供电单元通过连接第7电控开关的低压直流母线，分别连接能量管控系统、交直流双向变流器、双向储能单元、第1氢燃料发电单元、第2氢燃料发电单元、第i氢燃料发电单元、第j氢燃料发电单元、第1氢燃料发电单元控制器、第2氢燃料发电单元控制器、第i氢燃料发电单元控制器、第j氢燃料发电单元控制器，同时系统辅助供电单元与用电负荷配电柜连接，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统自用电的辅助供电系统。3.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，第1氢燃料发电单元控制器、第2氢燃料发电单元控制器、第i氢燃料发电单元控制器、第j氢燃料发电单元控制器分别通过相应的第1氢燃料发电监控线、第2氢燃料发电监控线、第i氢燃料发电监控线、第j氢燃料发电监控线连接相应的第1氢燃料发电单元、第2氢燃料发电单元、第i氢燃料发电单元、第j氢燃料发电单元，构成多个氢燃料发电单元子系统。4.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，通过第8电控开关连接电负荷配电柜的交流电力线，同时通过第9电控开关连接电网，构成电网供电电力路径；其特征在于，在第9电控开关闭合接通时，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的并网发电供电系统，在第9电控开关断开时，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的离网发电供电系统。5.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，能量管控系统通过系统监控通信线，分别连接第1电控开关、第2电控开关、第3电控开关、第4电控开关、第5电控开关、第6电控开关、第7电控开关、第8电控开关、第9电控开关、第1氢燃料发电单元控制器、第2氢燃料发电单元控制器、第i氢燃料发电单元控制器、第j氢燃料发电单元控制器、交直流双向变流器、双向储能单元、系统辅助供电单元以及用电负荷配电柜，并同时连接上位机控制系统，构成储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统的监控路径与能量管控系统。6.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，双向储能单元是具备快速充电放电能力的双向电力储能装置。7.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，配置双向储能单元的额定端电压，满足氢燃料发电单元子系统发电输出的电压范围中间值，并且双向储能单元充放电的电压范围大于等于氢燃料发电单元子系统发电输出的电压范围。8.根据权利要求1所述一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，其特征在于，双向储能单元与氢燃料电池发电供电单元协同调节及快速响应功率变化的运行控制方法为：并网运行时，由能量管控系统通过监测用电负荷配电柜负荷用电功率变化或根据上位机控制系统的功率控制指令，控制氢燃料电池发电供电单元增加或减少功率，双向储能单元自动快速响应交直流双向变流器的功率变化与需求，同时能量管控系统根据双向储能单
元的电量调节氢燃料电池发电供电单元的功率，在双向储能单元电量偏低时，相应调节增加氢燃料电池发电供电单元的功率；在双向储能单元电量偏高时，相应调节减少氢燃料电池发电供电单元的功率；离网运行时，交直流双向变流器以电压源模式运行，自动响应交流电力线上功率变化，同时由能量管控系统监测交直流双向变流器的功率变化，控制氢燃料电池发电供电单元的功率跟踪交直流双向变流器的功率，同时能量管控系统根据双向储能单元的电量调节氢燃料电池发电供电单元的功率，在双向储能单元电量偏低时，相应调节增加功率，使得氢燃料电池发电供电单元的功率大于交直流双向变流器的功率；在双向储能单元电量偏高时，相应调节减少功率，使得氢燃料电池发电供电单元的功率小于交直流双向变流器的功率。

技术总结
本发明一种储能单元与氢燃料电池互补发电供电系统，在电力需求变化及电力波动时，利用具备快速充放电能力的双向储能单元与氢燃料电池发电供电单元直流并接的结构特性，双向储能单元快速响应交直流双向变流器的功率变化，自动与氢燃料电池发电供电单元协同互补运行，并能量管控系统实时进行功率调节，通过控制多个氢燃料电池发电供电单元增加或减少功率或启停，调节双向储能单元的电量余缺，在双向储能单元电量不足时，增加氢燃料电池发电供电单元发电功率，在双向储能单元电量充足时，减少氢燃料电池发电供电单元发电功率；实现储能电池与氢燃料电池互补发电供电系统并网或离网电力系统稳定运行和供电安全。离网电力系统稳定运行和供电安全。离网电力系统稳定运行和供电安全。


技术研发人员：周锡卫
受保护的技术使用者：周锡卫
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2023/9/22