本實用新型涉及直流系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是指一種使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

變電站直流電源是變電站必不可少的重要設(shè)備，直流電源中最主要的組成部分是備用電源。備用電源在直流系統(tǒng)中能夠為現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備操作和控制提供電源，為調(diào)節(jié)設(shè)備的傳動機(jī)構(gòu)、通信設(shè)備應(yīng)急情況和監(jiān)控設(shè)備提供穩(wěn)定的電源，因此，備用電源性能的好壞直接影響著變電站整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

現(xiàn)有的蓄電池式直流電源有很多固有缺點，處于浮充狀態(tài)下的電池，有柵板腐蝕、硫化、結(jié)晶和熱失控等諸多問題影響其壽命，因此電池的維修、更換也是變電站日常工作中的一項重要任務(wù)，而換掉的舊電池又會產(chǎn)生浪費并對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

新型清潔能源-氫燃料電池能夠彌補上述缺點，能夠在常溫下運行，其反應(yīng)最終產(chǎn)物是水，效率高達(dá)50％，不管從環(huán)保角度還是從節(jié)能高效上講，都有著廣闊的市場前景和競爭力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)，既減少了備用蓄電池的使用量，又方便更換氫氣瓶。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供技術(shù)方案如下：

一種使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)，包括直流開關(guān)柜、氫燃料電池、供氫系統(tǒng)和系統(tǒng)控制器，其中：

所述直流開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置有開關(guān)整流模塊、降壓裝置、用于監(jiān)控直流電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)的監(jiān)控單元、用作備用電源的蓄電池組和用于監(jiān)測接地故障的絕緣監(jiān)察裝置；

所述氫燃料電池包括電化學(xué)反應(yīng)器、整流穩(wěn)壓電路和用于監(jiān)控和檢測每節(jié)燃料電池的輸出情況的監(jiān)控系統(tǒng)，所述氫燃料電池與所述直流開關(guān)柜中的蓄電池組采用兩段直流母線連接；

所述供氫系統(tǒng)包括用于為所述氫燃料電池供氣的供氣總管，所述供氣總管上通過供氣接口連接有多個氫氣瓶，所述氫氣瓶和供氣總管之間均設(shè)置有壓力表和氣閥；

所述系統(tǒng)控制器通過信號線與所述直流開關(guān)柜、氫燃料電池和供氫系統(tǒng)相連。

進(jìn)一步的，所述氫燃料電池的整流穩(wěn)壓電路包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、DC/DC變換器、蓄電池充電管理單元、系統(tǒng)控制單元、蓄電池和弱電供電單元，其中：

所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)與所述系統(tǒng)控制單元連接，接收系統(tǒng)控制單元下發(fā)的控制命令；

所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出端連接所述DC/DC變換器的輸入端，所述DC/DC變換器的輸出端連接所述系統(tǒng)單元、蓄電池充電管理單元和弱電供電單元；

所述系統(tǒng)控制單元與所述蓄電池充電管理單元連接；

所述蓄電池充電管理單元與蓄電池之間、蓄電池充電管理單元與系統(tǒng)控制單元之間均設(shè)置有開關(guān)。

進(jìn)一步的，所述供氫系統(tǒng)和氫燃料電池之間設(shè)置有安全閥和供氣總閥。

進(jìn)一步的，所述反應(yīng)器包括膜電極、雙極板和氣體通道，所述膜電極為陽極、陰極和質(zhì)子交換膜中加入全氟磺酸樹脂形成的電極-膜-電極組件。

進(jìn)一步的，所述兩段直流母線之間設(shè)置有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，所述絕緣監(jiān)察裝置設(shè)置在每段直流母線上。

本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型中，直流開關(guān)柜為變電站提供直流電，正常情況下使用市電作為電源，當(dāng)發(fā)生停電狀況時，切換到備用電源為變電站提供直流電；本實用新型中取消了多數(shù)的蓄電池組，只保留部分蓄電池作為過渡電源，在氫燃料電池啟動到穩(wěn)定供電期間，由部分蓄電池組提供直流電，大量減少了蓄電池的使用，減少了環(huán)境污染；

系統(tǒng)控制器通過信號線與直流開關(guān)柜、氫燃料電池和供氫系統(tǒng)相連，主要監(jiān)測：直流開關(guān)柜的電流、電壓，蓄電池組的電量及充放電控制；氫燃料電池的反應(yīng)狀況、輸出電壓和輸出氣壓等；供氫系統(tǒng)中各氫氣瓶的壓力以及預(yù)計剩余氣體可用時間等。

供氫系統(tǒng)由多個獨立的氫氣瓶組成，每個氫氣瓶都有單獨的氣閥，通過一根總管共同供氣，當(dāng)某個氫氣瓶內(nèi)氫氣量不足時，關(guān)閉該氫氣瓶與總管的氣閥，單獨更換，不影響系統(tǒng)的正常運行。

附圖說明

圖1為本實用新型的使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實用新型的使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)的整流穩(wěn)壓電路示意圖；

圖3為本實用新型的使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)的備用電源系統(tǒng)模式示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實用新型提供一種使用氫燃料電池的變電站直流系統(tǒng)，如圖1-3所示，包括直流開關(guān)柜1、氫燃料電池2、供氫系統(tǒng)3、系統(tǒng)控制器4，其中：

直流開關(guān)柜1內(nèi)設(shè)置有開關(guān)整流模塊5、降壓裝置(未示出)、用于監(jiān)控直流電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)的監(jiān)控單元、用作備用電源的蓄電池組6和用于監(jiān)測接地故障的絕緣監(jiān)察裝置(未示出)；監(jiān)控單元具備自診斷功能，能夠診斷內(nèi)部的電路故障和不正常的運行狀態(tài)，并以硬接點和報文形式給出警報到變電站綜合自動化系統(tǒng)后臺，且監(jiān)控單元退出不影響整個直流電源系統(tǒng)的可靠運行，開關(guān)整流模塊5由主電路、調(diào)整控制電路和輔助電路三部分組成，主電路由交流整流濾波、直流-直流變換器等元器件組成，其作用是從單相或三相交流電網(wǎng)取得交流電，并將其轉(zhuǎn)換位為符合要求的直流電，降壓裝置有兩種，一是單獨采用硅鏈自動調(diào)壓裝置的調(diào)壓裝置，二是采用硅鏈自動調(diào)壓裝置和DC/DC穩(wěn)壓器構(gòu)成的高頻開關(guān)無極調(diào)壓裝置；

氫燃料電池2包括電化學(xué)反應(yīng)器、整流穩(wěn)壓電路和用于監(jiān)控和檢測每節(jié)燃料電池的輸出情況的監(jiān)控系統(tǒng)，氫燃料電池2與所述直流開關(guān)柜1中的蓄電池組6采用兩段直流母線連接；

供氫系統(tǒng)3包括用于為所述氫燃料電池供氣的供氣總管8，供氣總管8上通過供氣接口7連接有多個氫氣瓶9，氫氣瓶9和供氣總管8之間均設(shè)置有壓力表10和氣閥11；

系統(tǒng)控制器4通過信號線12與直流開關(guān)柜1、氫燃料電池2和供氫系統(tǒng)3相連。

本實用新型中，直流開關(guān)柜為變電站提供直流電，正常情況下使用市電作為電源，當(dāng)發(fā)生停電狀況時，切換到備用電源為變電站提供直流電；本實用新型中取消了多數(shù)的蓄電池組，只保留部分蓄電池作為過渡電源，在氫燃料電池啟動到穩(wěn)定供電期間，由部分蓄電池組提供直流電，大量減少了蓄電池的使用，減少了環(huán)境污染；

系統(tǒng)控制器通過信號線與直流開關(guān)柜、氫燃料電池和供氫系統(tǒng)相連，主要監(jiān)測：直流開關(guān)柜的電流、電壓，蓄電池組的電量及充放電控制；氫燃料電池的反應(yīng)狀況、輸出電壓和輸出氣壓等；供氫系統(tǒng)中各氫氣瓶的壓力以及預(yù)計剩余氣體可用時間等。

供氫系統(tǒng)由多個獨立的氫氣瓶組成，每個氫氣瓶都有單獨的氣閥，通過一根總管共同供氣，當(dāng)某個氫氣瓶內(nèi)氫氣量不足時，關(guān)閉該氫氣瓶與總管的氣閥，單獨更換，不影響系統(tǒng)的正常運行。

優(yōu)選的，氫燃料電池2的整流穩(wěn)壓電路包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14、DC/DC變換器15、蓄電池充電管理單元16、系統(tǒng)控制單元17、蓄電池18和弱電供電單元19，其中：

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14與系統(tǒng)控制單元17連接，接收系統(tǒng)控制單元17下發(fā)的控制命令；

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14的輸出端連接DC/DC變換器15的輸入端，DC/DC變換器15的輸出端連接系統(tǒng)控制單元17、蓄電池充電管理單元16和弱電供電單元19；

系統(tǒng)控制單元17與蓄電池充電管理單元16連接；

蓄電池充電管理單元16與蓄電池18之間、蓄電池充電管理單元16與系統(tǒng)控制單元17之間均設(shè)置有開關(guān)。

在氫燃料電池2的整流穩(wěn)壓電路中，系統(tǒng)控制單元根據(jù)工作電源的供電狀態(tài)、蓄電池的剩余電量、備用系統(tǒng)狀態(tài)等控制備用電源系統(tǒng)中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的啟動與停止、蓄電池的充放電、備用電池的投入與切除；備用電源系統(tǒng)具有三種工作模式：待機(jī)模式、蓄電池供電模式和燃料電池供電模式。

如圖2-3所示，備用電源系統(tǒng)安裝完成后，閉合開關(guān)K₁為負(fù)載設(shè)備供電，同時燃料電池備用電源控制系統(tǒng)自動啟動，再閉合K₂接入蓄電池，備用電源系統(tǒng)啟動后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)行工作電源供電狀態(tài)監(jiān)測；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到工作電源供電正常時，備用電源進(jìn)入待機(jī)工作模式：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電，斷開DK切除蓄電池供電，同時根據(jù)蓄電池的剩余電量對蓄電池進(jìn)行充電管理；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到工作電源供電中斷時，系統(tǒng)立即閉合DK，切換到蓄電池供電工作模式：蓄電池一方面為負(fù)載供電，另一方面為系統(tǒng)控制單元啟動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提供啟動電能，當(dāng)備用電源工作在蓄電池供電模式時，系統(tǒng)控制單元根據(jù)工作電源是否恢復(fù)供電、燃料電池輸出是否穩(wěn)定、蓄電池的剩余電量是否達(dá)到下限進(jìn)行狀態(tài)切換；在燃料電池輸出不穩(wěn)定，工作電源恢復(fù)供電時，自動切除備用電源供電，停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，同時備用電源進(jìn)入待機(jī)工作模式，負(fù)載轉(zhuǎn)由工作電源供電；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到燃料電池輸出穩(wěn)定、工作電源未恢復(fù)供電時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入燃料電池供電模式：系統(tǒng)控制單元啟動DC/DC變換器，同時切換到燃料電池供電工作模式，負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)為由燃料電池供電，當(dāng)備用電源工作在燃料電池供電模式時，系統(tǒng)控制單元監(jiān)測到工作電源供電恢復(fù)后，備用電源轉(zhuǎn)入待機(jī)工作模式，同時停止燃料電池發(fā)電，負(fù)載轉(zhuǎn)由工作電源供電。

為了提高本實用新型的安全性，供氫系統(tǒng)3和氫燃料電池2之間設(shè)置有安全閥和供氣總閥13。

進(jìn)一步的，化學(xué)反應(yīng)器包括膜電極、雙極板和氣體通道，膜電極為陽極、陰極和質(zhì)子交換膜中加入全氟磺酸樹脂形成的電極-膜-電極組件。膜電極解決了固態(tài)高分子聚合膜與電極直接組裝效果不好的問題，提高了電池性能；全氟磺酸樹脂為良好的質(zhì)子導(dǎo)體，能夠加快H⁺從電極進(jìn)入質(zhì)子交換膜的速率，提高電化學(xué)反應(yīng)效率；膜電極降低了氫燃料電池內(nèi)部阻抗，提高了電池的發(fā)電效率，另外，膜電極還有利于反應(yīng)物氣體、水和熱能的擴(kuò)散和流通，提升電池發(fā)電性能；單節(jié)氫燃料電池電壓較低，一般要根據(jù)需要將數(shù)節(jié)單電池串聯(lián)起來，雙極板使串聯(lián)變得簡單可行，能收集電流并將其從一節(jié)電池的陰極傳導(dǎo)到下一節(jié)電池的陽極，同時確保氣體在燃料電池的有效工作面上均勻分布。

另外，兩段直流母線之間設(shè)置有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，絕緣監(jiān)察裝置設(shè)置在每段直流母線上。絕緣監(jiān)察裝置的主要功能為：在線檢測直流電源系統(tǒng)的對地絕緣狀況，并自動檢出故障回路，當(dāng)設(shè)備直流電源系統(tǒng)發(fā)生接地故障，其絕緣水平下降到規(guī)定值時，絕緣監(jiān)察裝置能顯示和發(fā)出報警信號，有接地信號或標(biāo)準(zhǔn)通訊接口輸出，并能夠判斷接地極性。

以上所述是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。