一种基于氢燃料电池的水轮发电机起励电源系统的制作方法

本发明涉及到水利水电技术领域，更加具体地是一种基于氢燃料电池的水轮发电机起励电源系统。

背景技术：

现有的水电站励磁系统起励是发电机建立电压的重要过程，起励电源一般有三种来源.

第一种是残压起励，残压起励受限于发电机本身不一定能满足各种工况下的起励要求。

第二种是交流系统提供起励电源，而交流系统可能会遇到全场停电情况，同时也需要更复杂的整流设备将交流整流为直流，因此交流系统也无法完全保证电源的稳定供给，

第三种是直流系统提供起励电源，因此直流电源系统成为了更好、更可靠的起励电源选择。

但是目前，水电站传统直流系统的电池大都采用铅酸或者镉镍蓄电池，无论是铅酸还是镉镍电池，都具有一定的腐蚀性和毒性，不仅需要专门的隔室单独布置，而且一旦泄露会造成严重的环境污染，甚至危及人身安全，因此需要采取相关防护措施。

此外，蓄电池寿命有限，随着运行时间增加，电池的性能会逐渐下降，当蓄电池寿命到期后需要更换新电池以保证系统直流的连续、可靠供电。

当前氢能是世界公认的清洁能源，被誉为21世纪人类的终极能源，氢燃料电池技术将化学能直接转换为电能，且环保高效的特点，非常适合水电站励磁系统起励电源。

因此，急需一种装置来利用氢燃料电池优点和技术来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种基于氢燃料电池的水轮发电机起励电源系统。

本发明的目的是通过如下技术方案来实施的：一种基于氢燃料电池的水轮发电机起励电源系统，它包括水电站制氢系统、水电站储氢系统、压力传感器或者压力变送器、输氢管路、氢燃料电池电堆、可调节阀门、电流变送器、电压变送器、氢-电联合控制柜、直流起励电源开关柜、上位机和发电机励磁系统；所述的水电站制氢系统通过输氢管路与水电站储氢系统连接，水电站储氢系统通过输氢管路与氢燃料电池电堆连接，氢燃料电池电堆通过电缆与直流起励电源开关柜上的母线连接，氢燃料电池电堆的输出端的通过管线与氢-电联合控制柜连接。

在上述技术方案中：所述的水电站制氢系统内接于电站内厂输电线上。

在上述技术方案中：水电站储氢系统采用高压储氢罐储存且布置在水电站蓄电池室附近，且所述的水电站储氢系统采用包括钢、铝或者碳纤维等材料制作。

在上述技术方案中：所述的水电站储氢系统内设置有压力传感器。

在上述技术方案中：所述的输氢管路采用钢材料制作而成。

在上述技术方案中：所述的氢-电联合控制柜采用plc进行控制。

在上述技术方案中：所述的氢燃料电池电堆与氢-电联合控制柜之间设置的输出端管线上设置有电流变送器和电压变送器。

在上述技术方案中：直流起励电源开关柜通过电缆与发电机励磁系统连接。

在上述技术方案中：水电站储氢系统与所述的氢燃料电池电堆之间的所述的输氢管路上设置有可调节阀门。

在上述技术方案中：所述的氢-电联合控制柜的一端与所述的上位机连接。

本发明具有如下优点：1、本发明中的氢气源可以采用水电站弃水发电来制造氢气，可以避免传统电解制氢的能耗高的问题，实现多余电能能源的存储。

2、本发明中的所述的氢-电联合控制柜采用plc进行闭环控制，自动调节氢燃料电池的工作特性，通过反馈的负荷电流，电压等参数，对氢燃料电池进行自动调节，通过设置传感器，实现对电池、储氢设备的各项参数的监视和发报警信号；

3、相较于传统直流系统由于电池容量有限，不能直接供负荷，而需要外部供交流电后，经充电装置整流给负荷供电，蓄电池仅作为备用，而且容量有限，备用时间不超过2h。

本发明采用氢燃料电池后，只需提供足够的氢气，直流电源将不受备用时间限制，能够可靠保障负荷用电；同时氢燃料电池输出直流电压后，经过电压调节，直接接到直流主盘，然后由直流主盘给各个负荷点供电，减少了传统的充电装置环节。

4、传统类型电池需要定期进行充电、放电，增加了能耗和运行维护工作量，而且电池具备记忆效应，导致电池的性能逐年下降，

本发明中的氢燃料电池不需要定期充放电，而且没有记忆效应，整体电池的性能不会逐年下降。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：水电站制氢系统1、水电站储氢系统2、压力传感器或者压力变送器2.1、输氢管路3、氢燃料电池电堆4、可调节阀门5、电流变送器6、电压变送器7、氢-电联合控制柜8、直流起励电源开关柜9、上位机10、发电机励磁系统11。

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。

参照图1所示：一种基于氢燃料电池的水轮发电机起励电源系统，它包括水电站制氢系统1、水电站储氢系统2、压力传感器或者压力变送器2.1、输氢管路3、氢燃料电池电堆4、可调节阀门5、电流变送器6、电压变送器7、氢-电联合控制柜8、直流起励电源开关柜9、上位机10和发电机励磁系统11；

所述的水电站制氢系统1通过输氢管路3与水电站储氢系统2连接，

水电站储氢系统2通过输氢管路3与氢燃料电池电堆4连接，氢燃料电池电堆4通过电缆与直流起励电源开关柜9上的母线连接，氢燃料电池电堆4的输出端的通过管线与氢-电联合控制柜8连接。

所述的水电站制氢系统1内接于电站内厂输电线上。水电站制氢系统1内接于电站内厂输电线上既可以从电站内厂输电线上取电制氢，也可以通过制氢系统产生的氢能发电补充站内用电。整体方便、快捷。

水电站储氢系统2采用高压储氢罐储存且布置在水电站蓄电池室附近，且所述的水电站储氢系统2采用包括钢、铝或者碳纤维等材料制作。水电站储氢系统2优点在于储氢罐储存且布置在水电站蓄电池室附近能缩短供能损耗，提高能效；同时采用了包括钢、铝或者碳纤维等材料制作可以大大提高高压储氢罐的安全。

所述的水电站储氢系统2内设置有压力传感器2.1。设置压力传感器2.1可实时监控水电站储氢系统2内压力的变化状态，方便上位机10监视和控制水电站储氢系统2压力。

所述的输氢管路3采用钢材料制作而成。采用钢材料制作而成的输氢管路3可以大大提高输氢的安全性。

所述的氢-电联合控制柜8采用plc进行控制。氢-电联合控制柜采用工业plc进行控制，即可以实现氢-电微机联合控制和精确调控功能。

所述的氢燃料电池电堆4与氢-电联合控制柜8之间设置的输出端管线上设置有电流变送器6和电压变送器7。电流变送器6和电压变送器7可通过电信号将输出管线电流电压信号反馈给氢-电联合控制柜8，再通过氢-电联合控制柜8对氢燃料电池电堆4进行控制调节，以达到输出所需目标值的励磁电流。

直流起励电源开关柜9通过电缆与发电机励磁系统11连接。通过电缆直流起励电源开关柜9可以给发电机励磁系统11提供励磁电流。

水电站储氢系统2与所述的氢燃料电池电堆4之间的所述的输氢管路3上设置有可调节阀门5。可调节阀门5根据目标励磁电流的大小，通过氢-电联合控制柜8对水电站储氢系统2进行调节，实现了励磁电流的控制。

所述的氢-电联合控制柜8的一端与所述的上位机10连接。通过氢-电联合控制柜8和上位机10连接实现了控制的人机交互，让操作员更方便直观的下令控制等操作。

参照图1所示：一种基于氢燃料电池的水轮发电机起励电源系统，它包括水电站制氢系统1、水电站储氢系统2、压力传感器或者压力变送器2.1、输氢管路3、氢燃料电池电堆4、可调节阀门5、电流变送器6、电压变送器7、氢-电联合控制柜8、直流起励电源开关柜9、上位机10和发电机励磁系统11。

水电站储氢系统2采用高压储氢罐储存，布置在水电站蓄电池室附近，储氢罐采用包括钢、铝或者碳纤维等材料制作，存储压力10-70mpa,储氢罐的容积大小根据燃料电池的容量确定，在储氢罐上设置压力传感器或者压力变送器2.1，对罐体气体压力进行实时监测；

储氢系统2通过输氢管路3向氢燃料电池电堆4提供氢气；

输氢管路3采用钢材料、焊接工艺，运输压力8mpa,管径根据燃料电池容量确定；

氢能燃料电池电堆4将输入的氢气能源转换为电能，输出直流电压，经电缆连接到直流开关柜9的母线上。

氢能燃料电池电堆4采用质子交换膜燃料电池,氢能燃料电池电堆4的容量根据水电站的起励直流负荷确定，容量在100kw以内，在氢燃料电池电堆4的输出端设置电流变送器6和电压变送器7，实现对输出功率的实时监视；

氢电联合控制柜8整体为采用plc进行控制，内部为利用闭环控制方式进行控制(闭环控制是指控制论的一个基本概念。指作为被控的输出量以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。带有反馈信息的系统控制方式。

当操作者启动系统后，通过系统运行将控制信息输向受控对象，并将受控对象的状态信息反馈到输入中，以修正操作过程，使系统的输出符合预期要求。

闭环控制是一种比较灵活、工作绩效较高的控制方式，工业生产中的多数控制方式采用闭环控制的设计)

具体为通过采集氢能燃料电池电堆4内的电流变送器6输出的电流信号和电压变送器7输出的电压信号；进而plc自动控制和调整氢气进气阀门5开度；

控制氢燃料电池电堆4的直流输出容量使燃料电池电堆的输出电压应根据机组机端额定电压和机组调节工况来决定，，同时利用压力变送器或者传感器2.1，对储氢罐的压力进行监视；

直流开关柜9通过电缆与发电机励磁系统11连接，以提供励磁系统所需的起励电源。

上述未详细说明的部分均为现有技术。