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CN114793073B - 燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法 - Google Patents

燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法 Download PDF

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CN114793073B CN202210702937.8A CN202210702937A CN114793073B CN 114793073 B CN114793073 B CN 114793073B CN 202210702937 A CN202210702937 A CN 202210702937A CN 114793073 B CN114793073 B CN 114793073B
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Abstract

本申请提供一种燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法，该燃料电池发电电路通过连接于逆变主电路与储能设备之间的双向变换电路，实现交直流功率解耦，进而减小交流侧的功率脉动，提高运行可靠性，避免燃料电池寿命的降低；而且，其用于承担交流侧功率脉动的储能设备是燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备，而非现有技术中额外设置于交流侧的储能元件，节省了现有技术所需要的大储能元件；再者，其逆变主电路为单级隔离式功率变换电路，而非现有技术中的两级式或三级式电路；进而，减少了功率器件数量，降低了成本。

Description

燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法
技术领域
本申请涉及功率变换技术领域，特别涉及一种燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法。
背景技术
随着碳中和的概念逐渐深入人心，燃料电池因为其清洁、高效率的能源利用形式获得了越来越多的关注。燃料电池采用以氢为代表的还原剂与氧气在电解质中通过化学反应直接生成电能，其装置的功率等级大小相对传统的内燃机发电具有明显的灵活性，其相对于光伏、风力发电在功率密度上具有明显的优势，因为这些优点燃料电池发电从最初的航工航天应用，逐渐走向商业化示范应用。由于单片燃料电池的电压根据带载情况的不同，通常在0.4~0.8V之间变动，这种低压形式的直流电能很难经济的利用，因此，燃料电池一般采用叠片串联的形式组成更高的直流电压。但是，根据相关文献的研究，燃料电池叠片太多，容易造成燃料电池中还原剂和氧化剂均匀分配的难度大幅增加，燃料电池反映产物水的排除难度也会增加，会造成单片电池偏离最佳工作点的木桶效应，降低整个燃料电池电堆的效率；也因此大型燃料电池电堆的电压一般在350V以下，而小的燃料电池的电堆只有几十伏。
为了实现燃料电池低压直流电与用电负载或电网高压交流电之间的匹配，一般需要在燃料电池电堆后级增加DC/DC变换器进行升压，之后再采用DC/AC变换器进行逆变构成两级电路；在一些小功率的民用场景，为了满足一些电网标准，还需要在两级电路之间插入一级隔离型DC/DC变换器来满足安规要求，从而使燃料电池系统主功率增加为三级电路，如图1所示。
上述拓扑的优势在于交直流可以很好的解耦，减小交流脉动功率对燃料电池电堆端口的影响；这种交流脉动功率一般是由于交流侧出现不平衡负载变化或者高低穿工况而引起的，这种能量脉动经常造成燃料电池偏离最大工作点，降低效率，甚至频繁过流关机，降低燃料电池寿命。上述拓扑虽然可以减小这一影响，但是由于是两级式或三级式电路，所以器件多、成本高，而且还需要采用大的储能元件缓冲单相负载或不平衡负载造成的交流脉动能量。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种燃料电池发电系统和燃料电池发电电路及其控制方法，以在实现交直流之间解耦的同时，减少器件、降低成本。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请第一方面提供了一种燃料电池发电电路，包括：逆变主电路，以及，双向变换电路；其中，
所述逆变主电路为单级隔离式功率变换电路；
所述逆变主电路的直流侧，作为所述燃料电池发电电路的输入端，用于连接燃料电池电堆的功率接口；
所述逆变主电路的交流侧，作为所述燃料电池发电电路的输出端，用于连接交流负载和/或电网；
所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路中；
所述双向变换电路的第二端，与所述燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备相连。
可选的，所述逆变主电路，包括：方波逆变电路、变压器、感性器件及双向传输电路；其中，
所述方波逆变电路的直流侧，连接所述逆变主电路的直流侧；且所述逆变主电路的直流侧正负极之间设置有直流电容；
所述方波逆变电路的交流侧，通过串联连接的所述变压器和所述感性器件，连接所述双向传输电路的第一侧；
所述双向传输电路的第二侧连接所述逆变主电路的交流侧；且所述逆变主电路的交流侧两极之间设置有交流电容。
可选的，所述方波逆变电路为：H桥电路。
可选的，所述双向传输电路包括：一个桥臂；
所述桥臂与所述交流电容并联连接；
所述桥臂的中点，作为所述双向传输电路的第一侧，用于连接所述变压器的副边绕组一端；
所述交流电容的中点，用于连接所述副边绕组的另一端；
所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。
可选的，所述双向传输电路包括：两个桥臂；其中，
各所述桥臂，均与所述交流电容并联连接；
各所述桥臂的中点，分别作为所述双向传输电路的第一侧一端；
所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。
可选的，所述双向开关包括：反向串联连接的两个开关管。
可选的，所述感性器件包括：谐振电感，或者，串联连接的谐振电感与谐振电容。
可选的，所述逆变主电路，包括：反激式电路；且：
所述反激式电路中变压器的副边绕组两端，分别连接一个相应的双向开关；
两个所述双向开关的另一端相连，连接交流电容的一端；
所述副边绕组的中间抽头与所述交流电容的另一端相连；
所述反激式拓扑的直流侧正负极之间设置有直流电容。
可选的，所述双向开关包括：
反向串联连接的两个开关管；或者，
一个开关管，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管。
可选的，所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路的直流侧，或者，连接于所述变压器的辅助绕组。
可选的，所述双向变换电路为：隔离型或非隔离型的双向变换电路。
可选的，所述双向变换电路为：BUCK电路、BOOST电路、开关电容变换电路或全桥电路。
可选的，还包括：电磁干扰滤波器；
所述电磁干扰滤波器设置于所述逆变主电路的交流侧与所述燃料电池发电电路的输出端之间。
可选的，还包括：受控开关；
所述受控开关设置于所述逆变主电路的直流侧与所述燃料电池发电电路的输入端之间。
本申请第二方面提供了一种燃料电池发电电路的控制方法，所述燃料电池发电电路为如上述第一方面任一种所述的燃料电池发电电路，所述控制方法包括：
确定所述燃料电池发电电路的交流瞬时功率；
确定所述燃料电池发电电路的交流平均功率；
获得所述交流瞬时功率减去所述交流平均功率的差值；
根据所述差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号；
对所述电流参考信号进行调制计算，得到所述燃料电池发电电路中双向变换电路的脉冲宽度调制PWM控制信号。
可选的，确定所述燃料电池发电电路的交流瞬时功率，包括：
获取所述燃料电池发电电路的交流电压和交流电流；
根据所述交流电压和所述交流电流，计算得到所述交流瞬时功率。
可选的，确定所述燃料电池发电电路的交流平均功率，包括：
对所述交流瞬时功率进行滤波，得到所述交流平均功率。
可选的，根据所述差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号，包括：
计算所述差值除以所述电压的商，作为所述电流参考信号。
可选的，在确定电流参考信号之后，还包括：
以所述电流参考信号作为扰动信号，注入至所述燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中。
可选的，注入至所述燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中，包括：
注入至所述控制环路的电流环前级。
本申请第三方面提供了一种燃料电池发电系统，包括：燃料电池电堆、电气辅助系统和机械辅助系统；其中，
所述电气辅助系统中包括：控制器，储能设备，启动电路，以及，如上述第一方面任一种所述的燃料电池发电电路；
所述机械辅助系统中包括：循环泵；
所述控制器用于：控制所述燃料电池发电电路运行，同时执行如上述第二方面任一种所述的燃料电池发电电路的控制方法；以及，在所述燃料电池电堆首次启动时，控制所述启动电路以所述储能设备的电能为所述循环泵提供能量，使所述循环泵向所述燃料电池电堆送入还原剂和氧化剂以启动电化学反应。
可选的，所述储能设备为：蓄电池或超级电容。
本申请提供的燃料电池发电电路，其通过连接于逆变主电路与储能设备之间的双向变换电路，实现交直流功率解耦，进而减小交流侧的功率脉动，提高运行可靠性，避免燃料电池寿命的降低；而且，其用于承担交流侧功率脉动的储能设备是燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备，而非现有技术中额外设置于交流侧的储能元件，节省了现有技术所需要的大储能元件；再者，其逆变主电路为单级隔离式功率变换电路，而非现有技术中的两级式或三级式电路；进而，减少了功率器件数量，降低了成本。
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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的燃料电池发电电路的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的燃料电池发电电路的结构示意图；
图3a、图3b、图3c、图3d和图4分别为本申请实施例提供的燃料电池发电电路的五种具体电路图；
图5为本申请实施例提供的燃料电池发电电路的控制方法的流程图；
图6和图7分别为本申请实施例提供的燃料电池发电电路的控制方法的逻辑控制框图；
图8为本申请实施例提供的燃料电池发电电路的控制方法的另一流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，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。
在本申请中，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，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本申请提供一种燃料电池发电电路，以在实现交直流之间解耦的同时，减少器件、降低成本。
参见图2，该燃料电池发电电路，包括：逆变主电路10，以及，双向变换电路20；其中：
逆变主电路10为单级隔离式功率变换电路；其直流侧作为燃料电池发电电路的输入端，用于连接燃料电池电堆30的功率接口；其交流侧作为燃料电池发电电路的输出端，用于连接交流负载和/或电网。
也即，该燃料电池发电电路，采用该单级隔离式功率变换电路作为燃料电池电堆30和交流负载之间的接口，将主功率电路从传统的二级或三级减少到一级的逆变主电路10，可以大幅的减少功率器件，降低成本。
另外，该双向变换电路20的第一端，连接于逆变主电路10中；该双向变换电路20的第二端，与燃料电池电堆30的启动电路40所接的储能设备50相连。
也即，本实施例在该燃料电池发电电路中增加一个双向变换电路20来实现交流侧脉动能量的缓冲，具体的：当该燃料电池发电电路的交流输出能量大于燃料电池电堆30输出的瞬时能量时，储能设备50通过该双向变换电路20放电，补充燃料电池电堆30能量不足的部分；而当该燃料电池发电电路的交流输出能量小于燃料电池电堆30的瞬时输出能量时，燃料电池电堆30通过该双向变换电路20向储能设备50充电；最终通过能量缓冲控制算法消除二倍频波动、高低穿等产生的不平衡能量。
实际应用中，该双向变换电路20的功率等级小于该逆变主电路10，能够满足交流脉动能量的缓冲需求即可。
本实施例提供的燃料电池发电电路，其通过连接于逆变主电路10与储能设备50之间的双向变换电路20，实现交直流功率解耦，进而减小交流侧的功率脉动，提高运行可靠性，避免燃料电池寿命的降低；而且，其用于承担交流侧功率脉动的储能设备50，是与燃料电池电堆30的启动电路40所共用的，无需现有技术中额外设置于交流侧的储能元件，节省了现有技术所需要的大储能元件；通过储能元件共用和减少变换电路级数，大幅的减少功率器件数量，在提高效率的同时，可以降低成本、减小体积。
在上一实施例的基础之上，本实施例对该燃料电池发电电路，提供了一些逆变主电路10的具体实现形式：
（1）参见图3a至图3c，其具体包括：方波逆变电路101、变压器T、感性器件103及双向传输电路102；其中：
方波逆变电路101的直流侧，连接逆变主电路10的直流侧；且逆变主电路10的直流侧正负极之间设置有直流电容C0；方波逆变电路101的交流侧，通过串联连接的变压器T和感性器件103，连接双向传输电路102的第一侧；该双向传输电路102的第二侧，连接逆变主电路10的交流侧；且逆变主电路10的交流侧两极之间设置有交流电容（包括图3a中所示的C1和C2，或者图3b和图3c中所示的C3）。
如图3a至图3c中所示，该方波逆变电路101可以为：H桥电路；其具体包括四个开关管：S1、S2、S3及S4，其中，开关管S1和S3作为两个上桥臂，开关管S2和S4作为两个下桥臂，开关管S1和S2串联于一个桥臂中，开关管S3和S4串联于另一个桥臂中；两个桥臂并联后的正负极作为该方波逆变电路101的直流侧，两个桥臂的中点作为该方波逆变电路101的交流侧。
如图3a中所示，该双向传输电路102具体包括：一个桥臂；该桥臂与交流电容并联连接，且该桥臂的中点，作为该双向传输电路102的第一侧，用于连接变压器T的副边绕组一端；该交流电容的中点，也即C1和C2的连接点，用于连接该副边绕组的另一端；且该桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。如图3a中所示，其上桥臂201中的双向开关包括开关管S5和S6，其下桥臂202中的双向开关包括开关管S7和S8，各半桥臂中的两个开关管均反向串联连接。
如图3b或图3c中所示，该双向传输电路102具体包括：两个桥臂；其中，各桥臂均与交流电容C3并联连接，且各桥臂的中点分别作为该双向传输电路102的第一侧一端；各桥臂中的半桥臂，也均包括双向开关。如图3b和3c中所示，其上桥臂201中的双向开关包括开关管S5和S6，其下桥臂202中的双向开关包括开关管S7和S8，其上桥臂203中的双向开关包括开关管S9和S10，其下桥臂204中的双向开关包括开关管S11和S12，各半桥臂中的两个开关管均反向串联连接。
图3a至图3c所示的Lm均为变压器T的励磁电感。
实际应用中，该感性器件103用以存储能量，可以串联在该变压器T的原边绕组与方波逆变电路101之间（如图3b或图3c所示），或者，也可以串联在该变压器T的副边绕组与双向传输电路102之间（如图3a所示）；而且，该感性器件103具体可以仅包括一个谐振电感（如图3a中所示的Llk或图3b中所示的Lr），或者，也可以包括串联连接的谐振电感（如图3c中所示的Lr）与谐振电容（如图3c中所示的Cr）。需要说明的是，图3a至图3c只是其中一些可选示例，双向传输电路102的不同实现形式，以及，感性器件103的不同串联位置和不同实现形式，所能够实现的其他组合方案，也在本申请的保护范围内，视其具体应用环境而定即可。
（2）参见图3d，逆变主电路10，包括：反激式电路。该反激式电路中：
开关管S0与变压器T的原边绕组串联连接于逆变主电路10的直流侧，且逆变主电路10的直流侧正负极之间设置有直流电容C0。
变压器T的副边绕组两端，分别连接一个相应的双向开关205和206；两个双向开关205和206的另一端相连，连接交流电容C3的一端。
副边绕组的中间抽头与交流电容C3的另一端相连。
而且，该双向开关205和206可以分别包括：一个开关管，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管。如图3d中所示，该双向开关205包括：一个开关管S13，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管D1；该双向开关206包括：一个开关管S14，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管D2。
实际应用中，该二极管D1和D2也可以由开关管来代替，其与同一支路上的另一开关管S13或S14反向串联连接即可；视其具体应用环境而定，均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，本实施例中所提到的各开关管，均可以为带反并联二极管的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）或者带体二极管的MOSRET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）等，此处不作具体限定，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
还需要说明的是，实际应用中，任何能够实现单级式功率变换的隔离电路均在本申请的保护范围内，并不仅限于图3a至图3d所示几种示例。
以图3a所示结构为例，此时，该逆变主电路10的具体的工作原理为：
燃料电池电堆30在化学反应下可以产生直流电能，开关管S1至S4组成方波逆变电路101，把燃料电池电堆30产生的直流电逆变为高频方波交流电，该方波交流电能通过变压器T传送到高压侧，高压侧通过S5和S6、S7和S8两组双向开关的高频切换实现工频的交流输出。
其他结构下的工作原理与此类似，不再一一赘述。
由于燃料电池发电系统存在泵等机械部件，加上还原剂和氧化剂等流速响应也有延迟的过程，造成燃料电池发电的动态响应时间较慢，可以认为燃料电池电堆30输出恒定的直流电；而交流输出的功率是二倍频的波动，在不平衡负载变化及高低穿等工况下，功率脉动可能更快；根据能量守恒原则，一定需要储能元件来缓冲燃料电池电堆30的直流能量和交流输出的波动能量。
图3a至图3d所示的燃料电池发电电路，均采用一个双向变换电路20作为直流侧和储能元件的接口，这个储能元件是与系统辅助供电所共用的储能设备50，其具体可以是蓄电池，也可以是超级电容，视其应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
需要说明的是，该双向变换电路20能够实现对于该燃料电池发电电路交流侧脉动能量的缓冲即可，所以其第一端可以连接于逆变主电路10的多处位置，可以是图3a至图3d中所示的逆变主电路10的直流侧，或者，也可以是变压器T的辅助绕组（如图4中所示）。图4为对于图3a所示逆变主电路10结构下的双向变换电路20连接位置变形，对于图3b至图3d所示结构下的变形可以以此类推，不再进行一一示例。
对于图4所示结构，其是在逆变主电路10中的变压器T上增加一个绕组，通过磁耦合的方式，连接双向变换电路20和储能设备50，其也能够实现功率解耦功能。与图3a所示结构不同的是，图3a中的双向变换电路20，是一个DC/DC变换电路；而图4中的双向变换电路20，是一个AC/DC变换电路，其交流侧作为该双向变换电路20的第一端，其直流侧作为该双向变换电路20的第二端。
实际应用中，该双向变换电路20可以是隔离型的双向变换电路，也可以是非隔离型的双向变换电路，且其具体可以是：BUCK电路、BOOST电路、开关电容变换电路或全桥电路；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
另外，该燃料电池发电电路中，还可以包括：电磁干扰滤波器（如图3a或图4中所示的EMI Filter）；该电磁干扰滤波器设置于逆变主电路10的交流侧与燃料电池发电电路的输出端之间，实现对于逆变主电路10的交流侧输出的滤波功能。该燃料电池发电电路中还可以包括：受控开关；该受控开关设置于逆变主电路10的直流侧与燃料电池发电电路的输入端之间，通过控制其通断状态，可以实现对于燃料电池电堆30与逆变主电路10之间的连接和断开。
需要说明的是，在图3a和图4所示的燃料电池发电电路中，其交流侧均以单相交流电为例进行展示，实际应用中，其交流侧也可以连接三相交流负载和/或三相交流电网；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
本实施例，通过共用辅助供电的蓄电池等储能设备50，做二倍频、或能量不平衡时的瞬态功率补偿，能够实现主要针对电网的交流脉动能量缓冲；实际应用中，该燃料电池发电电路也可以应用于车载系统中，由于其电机的频率是不断在在变化的，车辆启停、加速也很突然，所以其对于控制算法的响应速度要求会更高一些。
本申请另一实施例还提供了一种燃料电池发电电路的控制方法，该燃料电池发电电路为如上述任一实施例所述的燃料电池发电电路，其具体结构和工作原理可以参见上述实施例，此处不再一一赘述。
参见图5，该控制方法包括：
S101、确定燃料电池发电电路的交流瞬时功率。
该过程具体可以是：先获取燃料电池发电电路的交流电压和交流电流；然后，根据交流电压和交流电流，计算得到交流瞬时功率。
S102、确定燃料电池发电电路的交流平均功率。
该过程具体可以是：对交流瞬时功率进行滤波，得到交流平均功率。
S103、获得交流瞬时功率减去交流平均功率的差值。
S104、根据差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号。
该过程具体可以是：计算差值除以电压的商，作为电流参考信号。
S105、对电流参考信号进行调制计算，得到燃料电池发电电路中双向变换电路的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制信号。
图6示出了一种PWM生成的逻辑控制框图，其通过上述控制方法，实现了交直流侧功率解耦的能量缓冲控制算法；首先，根据采样的交流电压和交流电流计算瞬时的交流功率（即上述交流瞬时功率），交流功率经过滤波后得到交流输出的平均功率（即上述交流平均功率），两者的差值除以储能设备的电压值后，再经过调制计算即可得到实现功率解耦的PWM控制信号。
通过该PWM控制信号，可以实现交直流侧的功率解耦，即：当该燃料电池发电电路的交流输出能量大于燃料电池电堆输出的瞬时能量时，储能设备通过该双向变换电路放电，补充燃料电池电堆能量不足的部分；而当该燃料电池发电电路的交流输出能量小于燃料电池电堆的瞬时输出能量时，燃料电池电堆通过该双向变换电路向储能设备充电。进而，可以减小燃料电池电堆输出端的脉动，提高运行可靠性，提高燃料电池寿命。
需要说明的是，对于逆变主电路的控制，上述实现功率解耦的工作等效于对于逆变主电路的一个扰动，因此，可以以功率解耦的电流参考信号作为扰动信号直接注入到逆变主电路的控制环路中，通过闭环控制抑制扰动对逆变主电路的影响，进而在保证交流输出的同时稳定燃料电池电堆的直流输出，其逻辑控制框图如图7所示。
对应的，该控制方法，在确定电流参考信号之后，还包括图8中所示的：
S106、以电流参考信号作为扰动信号，注入至燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中。
如图7中所示，该步骤S106中的注入，具体是注入至控制环路的电流环前级。也即，在通过逆变主电路的电压环控制计算得到电流环的电流基准信号之后，叠加步骤S104得到的电流参考信号，共同注入至该逆变主电路的电流环控制计算中，进而生成逆变主电路的PWM控制信号。
本申请另一实施例还提供了一种燃料电池发电系统，如图2至图4所示，其包括：燃料电池电堆30、电气辅助系统和机械辅助系统；其中，
该电气辅助系统中包括：控制器（未进行图示），储能设备50，启动电路40，以及，如上述任一实施例的燃料电池发电电路。
该机械辅助系统中包括：循环泵60。
该控制器用于：控制该燃料电池发电电路运行，同时执行上述任一实施例所述的燃料电池发电电路的控制方法；以及，在燃料电池电堆30首次启动时，控制启动电路40以储能设备50的电能为循环泵60提供能量，使循环泵60向燃料电池电堆30送入还原剂和氧化剂以启动电化学反应。
该储能设备50可以为蓄电池，也可以为超级电容，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
该燃料电池发电系统，基于单级隔离式拓扑进行功率变换，并通过双向变换电路20实现交直流功率解耦，来消除直流侧二倍频波动，以提高燃料电池寿命；并且与燃料电池电堆30的启动电路40共用储能设备，节省成本。该燃料电池发电电路的具体结构和工作原理，以及该燃料电池发电电路的控制方法的具体过程，均可以参见上述实施例，此处不再一一赘述。
本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (22)

1.一种燃料电池发电电路，其特征在于，包括：逆变主电路，以及，双向变换电路；其中，
所述逆变主电路为单级隔离式功率变换电路；
所述逆变主电路的直流侧，作为所述燃料电池发电电路的输入端，用于连接燃料电池电堆的功率接口；
所述逆变主电路的交流侧，作为所述燃料电池发电电路的输出端，用于连接交流负载和/或电网；
所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路中；
所述双向变换电路的第二端，与所述燃料电池电堆的启动电路所接的储能设备相连。
2.根据权利要求1所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述逆变主电路，包括：方波逆变电路、变压器、感性器件及双向传输电路；其中，
所述方波逆变电路的直流侧，连接所述逆变主电路的直流侧；且所述逆变主电路的直流侧正负极之间设置有直流电容；
所述方波逆变电路的交流侧，通过串联连接的所述变压器和所述感性器件，连接所述双向传输电路的第一侧；
所述双向传输电路的第二侧连接所述逆变主电路的交流侧；且所述逆变主电路的交流侧两极之间设置有交流电容。
3.根据权利要求2所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述方波逆变电路为：H桥电路。
4.根据权利要求2所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向传输电路包括：一个桥臂；
所述桥臂与所述交流电容并联连接；
所述桥臂的中点，作为所述双向传输电路的第一侧，用于连接所述变压器的副边绕组一端；
所述交流电容的中点，用于连接所述副边绕组的另一端；
所述桥臂中的半桥臂，均包括双向开关。
5.根据权利要求2所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向传输电路包括：两个桥臂；其中，
各所述桥臂，均与所述交流电容并联连接；
各所述桥臂的中点，分别作为所述双向传输电路的第一侧一端。
6.根据权利要求4或5所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向开关包括：反向串联连接的两个开关管。
7.根据权利要求2至5任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述感性器件包括：谐振电感，或者，串联连接的谐振电感与谐振电容。
8.根据权利要求1所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述逆变主电路，包括：反激式电路；且：
所述反激式电路中变压器的副边绕组两端，分别连接一个相应的双向开关；
两个所述双向开关的另一端相连，连接交流电容的一端；
所述副边绕组的中间抽头与所述交流电容的另一端相连；
所述反激式电路的直流侧正负极之间设置有直流电容。
9.根据权利要求8所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向开关包括：
反向串联连接的两个开关管；或者，
一个开关管，以及，与其反并联二极管或体二极管反向串联连接的二极管。
10.根据权利要求2至5、8至9任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向变换电路的第一端，连接于所述逆变主电路的直流侧，或者，连接于所述变压器的辅助绕组。
11.根据权利要求1至5、8至9任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向变换电路为：隔离型或非隔离型的双向变换电路。
12.根据权利要求11所述的燃料电池发电电路，其特征在于，所述双向变换电路为：BUCK电路、BOOST电路、开关电容变换电路或全桥电路。
13.根据权利要求1至5、8至9任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，还包括：电磁干扰滤波器；
所述电磁干扰滤波器设置于所述逆变主电路的交流侧与所述燃料电池发电电路的输出端之间。
14.根据权利要求1至5、8至9任一项所述的燃料电池发电电路，其特征在于，还包括：受控开关；
所述受控开关设置于所述逆变主电路的直流侧与所述燃料电池发电电路的输入端之间。
15.一种燃料电池发电电路的控制方法，其特征在于，所述燃料电池发电电路为如权利要求1至14任一项所述的燃料电池发电电路，所述控制方法包括：
确定所述燃料电池发电电路的交流瞬时功率；
确定所述燃料电池发电电路的交流平均功率；
获得所述交流瞬时功率减去所述交流平均功率的差值；
根据所述差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号；
对所述电流参考信号进行调制计算，得到所述燃料电池发电电路中双向变换电路的脉冲宽度调制PWM控制信号。
16.根据权利要求15所述的燃料电池发电电路的控制方法，其特征在于，确定所述燃料电池发电电路的交流瞬时功率，包括：
获取所述燃料电池发电电路的交流电压和交流电流；
根据所述交流电压和所述交流电流，计算得到所述交流瞬时功率。
17.根据权利要求15所述的燃料电池发电电路的控制方法，其特征在于，确定所述燃料电池发电电路的交流平均功率，包括：
对所述交流瞬时功率进行滤波，得到所述交流平均功率。
18.根据权利要求15所述的燃料电池发电电路的控制方法，其特征在于，根据所述差值和燃料电池电堆的启动电路所接储能设备的电压，确定电流参考信号，包括：
计算所述差值除以所述电压的商，作为所述电流参考信号。
19.根据权利要求15至18任一项所述的燃料电池发电电路的控制方法，其特征在于，在确定电流参考信号之后，还包括：
以所述电流参考信号作为扰动信号，注入至所述燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中。
20.根据权利要求19所述的燃料电池发电电路的控制方法，其特征在于，注入至所述燃料电池发电电路内逆变主电路的控制环路中，包括：
注入至所述控制环路的电流环前级。
21.一种燃料电池发电系统，其特征在于，包括：燃料电池电堆、电气辅助系统和机械辅助系统；其中，
所述电气辅助系统中包括：控制器，储能设备，启动电路，以及，如权利要求1至14任一项所述的燃料电池发电电路；
所述机械辅助系统中包括：循环泵；
所述控制器用于：控制所述燃料电池发电电路运行，同时执行权利要求15至20任一项所述的燃料电池发电电路的控制方法；以及，在所述燃料电池电堆首次启动时，控制所述启动电路以所述储能设备的电能为所述循环泵提供能量，使所述循环泵向所述燃料电池电堆送入还原剂和氧化剂以启动电化学反应。
22.根据权利要求21所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述储能设备为：蓄电池或超级电容。
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