本發(fā)明涉及光伏發(fā)電技術領域，尤其涉及一種利用氫燃料電池儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術：

太陽能光伏發(fā)電技術水平與實用化程度有了顯著提高，其應用范圍和規(guī)模不斷擴大隨著燃料電池技術的發(fā)展，同時，氫燃料電池逐漸被業(yè)界認識到在后備電源領域具有廣闊的應用前景，節(jié)能環(huán)保，完全避免了鉛、硫酸以及其他酸性污染物的排放。但是氫燃料電池本身是一個非常復雜的非線性電源系統(tǒng)，其輸出電能特性不僅受到電池內部結構的影響，同時也受溫度、氣體壓力、氣體流量以及負載等因素的制約，所以對于氫氣的利用顯得十分困難。能夠把光伏發(fā)電與燃料電池發(fā)電有效的結合在一起，成為一項技術難點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術的不足，而提供一種利用氫燃料電池儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)及其控制方法。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術方案：

一種利用氫燃料電池儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括光伏陣列、燃料電池、功率分配電路pd、功率合成電路ps、逆變器u、電壓控制電路v0、氫氣壓縮機、儲氫裝置、氫氣進氣壓力變送器p1、冷卻水進口溫度變送器t1、氧氣壓縮機、儲氧裝置、氧氣進氣壓力變送器p3、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水出口溫度變送器t2、氫氣進氣閥v1、氫氣側排水閥v2、氧氣進氣閥v3、氧氣側排水閥v4；所述光伏陣列產生的電能通過所述功率分配電路pd分別傳送給所述功率合成電路ps以及電壓控制電路v0，所述功率合成電路ps通過所述逆變器u將電能傳送給負載；所述電壓控制電路v0控制所述電解池工作狀態(tài)，所述電解池分別與所述氫氣壓縮機、氧氣壓縮機以及冷卻水源連接，所述氫氣壓縮機的輸出端與所述儲氫裝置連接，所述儲氫裝置通過所述氫氣進氣壓力變送器p1與所述氫氣進氣閥v1的進口連接，所述氫氣進氣閥v1的出口與所述燃料電池連接；所述氧氣壓縮機的輸出端與所述儲氧裝置連接，所述儲氧裝置通過所述氧氣進氣壓力變送器p3與所述氧氣進氣閥v3的進口連接，所述氧氣進氣閥v3的出口與所述燃料電池連接；所述燃料電池與所述冷卻水源之間設有冷卻水進口溫度變送器t1；所述燃料電池的輸出端與所述功率合成電路ps連接；所述燃料電池分別與第一汽水分離器和第二汽水分離器連接，其中第一汽水分離器用于回收氫氣和冷卻水，第一汽水分離器上安裝有氫氣排氣壓力變送器p2，所述第一汽水分離器通過氫氣側排水閥v2與冷卻水回收裝置連接；所述第二汽水分離器用于回收氧氣和冷卻水，第二汽水分離器上安裝有氧氣排氣壓力變送器p4，所述第二汽水分離器通過氧氣側排水閥v4與冷卻水回收裝置連接；所述冷卻水回收裝置與所述燃料電池之間連接有所述冷卻水出口溫度變送器t2。

一種利用氫燃料電池儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于：包括主控芯片、光伏陣列、燃料電池、功率分配電路pd、功率合成電路ps、逆變器u、電壓控制電路v0、氫氣壓縮機、儲氫裝置、氫氣進氣壓力變送器p1、冷卻水進口溫度變送器t1、氧氣壓縮機、儲氧裝置、氧氣進氣壓力變送器p3、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水出口溫度變送器t2、氫氣進氣閥v1、氫氣側排水閥v2、氧氣進氣閥v3、氧氣側排水閥v4；所述光伏陣列產生的電能通過所述功率分配電路pd分別傳送給所述功率合成電路ps以及電壓控制電路v0，所述功率合成電路ps通過所述逆變器u將電能傳送給負載；所述電壓控制電路v0控制所述電解池工作狀態(tài)，所述電解池分別與所述氫氣壓縮機、氧氣壓縮機以及冷卻水源連接，所述氫氣壓縮機的輸出端與所述儲氫裝置連接，所述儲氫裝置通過所述氫氣進氣壓力變送器p1與所述氫氣進氣閥v1的進口連接，所述氫氣進氣閥v1的出口與所述燃料電池連接；所述氧氣壓縮機的輸出端與所述儲氧裝置連接，所述儲氧裝置通過所述氧氣進氣壓力變送器p3與所述氧氣進氣閥v3的進口連接，所述氧氣進氣閥v3的出口與所述燃料電池連接；所述燃料電池與所述冷卻水源之間設有冷卻水進口溫度變送器t1；所述燃料電池的輸出端與所述功率合成電路ps連接；所述燃料電池分別與第一汽水分離器和第二汽水分離器連接，其中第一汽水分離器用于回收氫氣和冷卻水，第一汽水分離器上安裝有氫氣排氣壓力變送器p2，所述第一汽水分離器通過氫氣側排水閥v2與冷卻水回收裝置連接；所述第二汽水分離器用于回收氧氣和冷卻水，第二汽水分離器上安裝有氧氣排氣壓力變送器p4，所述第二汽水分離器通過氧氣側排水閥v4與冷卻水回收裝置連接；所述冷卻水回收裝置與所述燃料電池之間連接有所述冷卻水出口溫度變送器t2；

所述主控芯片通過rs485總線控制設定參數，通過主控芯片的can總線模塊采集功率分配電路pd的參數和功率合成電路ps的參數，pd和ps分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的功率和負載消耗的功率，如果檢測到pd>ps，即光伏發(fā)電系統(tǒng)提供功率大于負載消耗功率，則將剩余功率提供給電解池，電解池開始電解得到氫和氧，如果檢測到氫氣進氣壓力變送器p1的數值、氧氣進氣壓力變送器p3的數值大于儲存域值，系統(tǒng)將會通過電壓控制電路v0停止繼續(xù)電解；

如果檢測到pd<ps，系統(tǒng)將開啟燃料電池發(fā)電用以補充光伏系統(tǒng)供電的不足：首先檢測氫氣進氣壓力變送器p1的數值、氫氣排氣壓力變送器p2的數值，其次氧氣進氣壓力變送器p3的數值、氧氣排氣壓力變送器p4的數值，如果檢測到p1、p2、p3和p4的值均在正常工作域值范圍內，燃料電池開始發(fā)電，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)合成為負載供電；同時系統(tǒng)會自動檢測冷卻水進口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2的值，如果檢測到t1、t2的值大于域值，散熱器將會啟動進行散熱；當p1、p2、p3和p4的值不在正常工作閾值范圍時，系統(tǒng)開啟保護模式，燃料電池不能運行發(fā)電。

本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明有效的將光伏發(fā)電與燃料電池有效的結合在一起。采用檢測氫氣進氣壓力p1、氫氣排氣壓力p2、氧氣進氣壓力p3、氧氣排氣壓力p4、冷卻水進口溫度t1、冷卻水出口溫度t2等傳感器的實時數值，通過控制電解池的電解制氫電壓v0狀態(tài)以及氫氣進氣閥v1、氫氣側排水閥v2、氧氣進氣閥v3、氧氣側排水閥v4等電磁閥的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對氫燃料電池的實際反應溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等自變量的精確控制，達到控制氫燃料電池堆內的單體電池電壓輸出的目標，從而實現(xiàn)燃料電池發(fā)電與光伏系統(tǒng)發(fā)電有效合成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明的主控芯片的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的主控電路流程框圖。

具體實施方式

下面結合附圖及較佳實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式。如圖1所示，一種利用氫燃料電池儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，包括主控芯片、光伏陣列、燃料電池、功率分配電路pd、功率合成電路ps、逆變器u、電壓控制電路v0、氫氣壓縮機、儲氫裝置、氫氣進氣壓力變送器p1、冷卻水進口溫度變送器t1、氧氣壓縮機、儲氧裝置、氧氣進氣壓力變送器p3、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水出口溫度變送器t2、氫氣進氣閥v1、氫氣側排水閥v2、氧氣進氣閥v3、氧氣側排水閥v4；所述光伏陣列產生的電能通過所述功率分配電路pd分別傳送給所述功率合成電路ps以及電壓控制電路v0，所述功率合成電路ps通過所述逆變器u將電能傳送給負載；所述電壓控制電路v0控制所述電解池工作狀態(tài)，所述電解池分別與所述氫氣壓縮機、氧氣壓縮機以及冷卻水源連接，所述氫氣壓縮機的輸出端與所述儲氫裝置連接，所述儲氫裝置通過所述氫氣進氣壓力變送器p1與所述氫氣進氣閥v1的進口連接，所述氫氣進氣閥v1的出口與所述燃料電池連接；所述氧氣壓縮機的輸出端與所述儲氧裝置連接，所述儲氧裝置通過所述氧氣進氣壓力變送器p3與所述氧氣進氣閥v3的進口連接，所述氧氣進氣閥v3的出口與所述燃料電池連接；所述燃料電池與所述冷卻水源之間設有冷卻水進口溫度變送器t1；所述燃料電池的輸出端與所述功率合成電路ps連接；所述燃料電池分別與第一汽水分離器和第二汽水分離器連接，其中第一汽水分離器用于回收氫氣和冷卻水，第一汽水分離器上安裝有氫氣排氣壓力變送器p2，所述第一汽水分離器通過氫氣側排水閥v2與冷卻水回收裝置連接；所述第二汽水分離器用于回收氧氣和冷卻水，第二汽水分離器上安裝有氧氣排氣壓力變送器p4，所述第二汽水分離器通過氧氣側排水閥v4與冷卻水回收裝置連接；所述冷卻水回收裝置與所述燃料電池之間連接有所述冷卻水出口溫度變送器t2。

主控芯片控制系統(tǒng)對系統(tǒng)電能應用進行優(yōu)先順序控制：光伏發(fā)電陣列產生的電能首先通過逆變器供給負載，多余的電能通過功率分配，啟動電解槽電解氫和氧，并儲存起來；當光伏系統(tǒng)發(fā)電不足時，開啟燃料電池供電系統(tǒng)，光伏發(fā)電陣列產生的電能和燃料電池產生的電能進行功率合成，通過逆變器將電能輸送給負載。

本設計將氫氣進氣壓力變送器p1、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣進氣壓力變送器p3、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水進口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2等傳感器的輸出信號經隔離轉換接口電路送入主控芯片的不同的通道，再經a/d轉換模塊采樣后轉換為數字量，作為控制程序的入口參數。

如圖1所示，主控芯片的輸出口主要用于控制冷卻水進口溫度變送器t1、氫氣側排水閥v2、氧氣進氣閥v3、氧氣側排水閥v4等電磁閥的工作狀態(tài)，除此之外，主控芯片的can總線模塊用于實現(xiàn)與功率分配和功率合成電路間的數據通訊，rs485總線用于實現(xiàn)人機接口通訊功能。

如圖3所示，氫燃料電池理想狀態(tài)下，通過精確控制氫燃料電池的實際反應溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等變量的數值，就可以得到穩(wěn)定的氫燃料電池單體電壓輸出。在電池管理系統(tǒng)主控電路設計中，采用檢測氫氣進氣壓力變送器p1、氫氣排氣壓力變送器p2、氧氣進氣壓力變送器p3、氧氣排氣壓力變送器p4、冷卻水進口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2等傳感器的實時數值，通過控制氫氣進氣閥v1、氫氣側排水閥v2、氧氣進氣閥v3、氧氣側排水閥v4等電磁閥的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對氫燃料電池的實際反應溫度、氫氣有效分壓、氧氣有效分壓等自變量的精確控制，從而達到控制氫燃料電池堆內的單體電池電壓輸出的目標，從而實現(xiàn)與光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效合成。

如圖3所示，在氫燃料電池管理系統(tǒng)主控電路流程框圖中，所述主控芯片通過rs485總線控制設定參數，通過主控芯片的can總線模塊采集功率分配電路pd的參數和功率合成電路ps的參數，pd和ps分別為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供的功率和負載消耗的功率，如果檢測到pd>ps，即光伏發(fā)電系統(tǒng)提供功率大于負載消耗功率，則將剩余功率提供給電解池，電解池開始電解得到氫和氧，如果檢測到氫氣進氣壓力變送器p1的數值、氧氣進氣壓力變送器p3的數值大于儲存域值，系統(tǒng)將會通過電壓控制電路v0停止繼續(xù)電解；

如果檢測到pd<ps，系統(tǒng)將開啟燃料電池發(fā)電用以補充光伏系統(tǒng)供電的不足：首先檢測氫氣進氣壓力變送器p1的數值、氫氣排氣壓力變送器p2的數值，其次氧氣進氣壓力變送器p3的數值、氧氣排氣壓力變送器p4的數值，如果檢測到p1、p2、p3和p4的值均在正常工作域值范圍內，燃料電池開始發(fā)電，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)合成為負載供電；同時系統(tǒng)會自動檢測冷卻水進口溫度變送器t1、冷卻水出口溫度變送器t2的值，如果檢測到t1、t2的值大于域值，散熱器將會啟動進行散熱；當p1、p2、p3和p4的值不在正常工作閾值范圍時，系統(tǒng)開啟保護模式，燃料電池不能運行發(fā)電。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。