电力系统中的燃料电池和电池备用电源的制作方法

1.本发明总体涉及不间断电源(ups)系统和由电力敏感应用使用的其他备用电力系统。更具体地，本发明描述了ups和备用电力系统，其包括被配置为提供ups功能、功率共享和高质量功率调节的燃料电池、电池系统和功率管理控制系统。


背景技术：

2.ups系统和其他备用电力系统用于在主电源发生功率损失的情况下，为关键和对电力敏感的环境提供功率保护。诸如医院、数据中心、采矿场所和关键信息技术(it)应用的环境使用ups来在断电和重大损失期间保护计算机和其他设备安全和功能。ups系统通常包括发电机组和/或其他电池备用系统，所述发电机组和/或其他电池备用系统被配置为检测来自诸如公共电网的主电源的功率损失，并且作为响应，自动地提供高质量的备用电源以允许环境内的计算机和其他设备继续不间断地操作。然而，在这样的系统中，单独的电池不足以提供通常需要用于几个小时(例如，48小时)的断电的备用电源，使得在发电机组中作为备用电池的替代或避免的成本和占地面积受到限制。
3.与传统的柴油或气体发电机组相比，使用氢和氧或其他化学组合通过电化学反应发电的燃料电池作为电源提供了显著的优点。例如，燃料电池提供具有较小的碳足迹的清洁能源。与可比的发电机组相比，燃料电池作为备用能源还具有更长的持久性、更安静和更可靠。另外，与电池不同，燃料电池将根据需要在更长的时间段(例如，24至48)内用作备用电源。然而，如果使用燃料电池作为备用电源，代替发电机组，则需要另外的电力电子器件以将来自燃料电池的dc输入转换为ac电力，以及转换开关以旁路功率。另一方面，许多燃料电池具有使得它们不能直接在ups系统中用作电池系统的替代物的特性。例如，一旦燃料电池系统被激活，燃料电池的功率输出在其可以提供足够的功率以接管作为主电源之前通常花费数分钟来斜坡上升。在该斜坡上升期间，使用单独的电池或其他能量存储系统作为ups系统的一部分来提供功率。另外，如果期望燃料电池除了用于调峰的电网功率之外还用作二次电力，以及向电网提供有功和无功功率的输出，则传统ups内的备用电源将需要另外的功率转换器，这些功率转换器是ups系统内需要的电力电子器件的冗余。燃料电池系统既作为备用电源又作为二次电力与传统架构的集成将需要过多和冗余的电力电子器件，从而导致另外的成本和负面的覆盖区影响。
4.例如，美国专利第7,244,524号(“'524专利”)描述了一种电力系统，该电力系统包括主电源和用作二次电源的燃料电池。在'524专利中描述的系统包括用于从主电源转变到燃料电池的控制方法。'524专利还描述了当负载超过主电源的能力时使用燃料电池来补充主电源。然而，在'524专利中描述的系统不执行任何功率调节技术，因此不适合用于高质量的ups系统。此外，'524专利没有描述用于燃料电池的任何功率管理技术(例如，汽化)、功率因数转换，或任何对转变过程、功率共享和功率输出回到公用电网的监督控制。因此，在'524中描述的系统也不能平衡ups环境中的燃料电池系统的潜在优点。
5.本发明的示例性实施例旨在克服上述缺陷。


技术实现要素：

6.在本发明的示例中，电力系统包括主电源，该主电源被布置为经由dc总线向目标负载提供电压，该dc总线电连接到目标负载，并且经由第一连接电连接到主电源。该电力系统进一步包括第一备用电源，该第一备用电源包括电化学燃料电池，其中该第一备用电源被布置为经由该dc总线从该电化学燃料电池向该目标负载提供电压，该dc总线经由第二连接被电连接到该第一备用电源。另外，所述电力系统包括第二备用电源，所述第二备用电源包括能量存储装置，其中所述第二备用电源被布置为经由所述dc总线从所述能量存储装置向所述目标负载提供电压，所述dc总线经由第三连接电连接到所述第二备用电源。
7.在本发明的另一示例中，一种方法包括由控制系统从电力系统的主电源接收第一数据信号，其中所述主电源被布置为经由电布置在所述主电源和目标负载之间的dc总线向目标负载提供电压。所述方法进一步包括由所述控制系统从所述电力系统的备用电源接收第二数据信号，其中所述备用电源包括电化学燃料电池，其中所述备用电源单独地耦合到所述dc总线并且被布置为经由所述dc总线从所述电化学燃料电池向所述目标负载提供电压。另外，该方法包括由控制系统并且至少部分地基于第一数据信号和第二数据信号来确定与主电源相关联的第一输出电压，以及由控制系统并且至少部分地基于第一数据信号和第二数据信号来确定与备用电源相关联的第二输出电压。所述方法还包括由所述控制系统经由第一数据连接向所述主电源的控制器传输包括表示所述第一输出电压的数据的第一控制指令，以及由所述控制系统经由第二数据连接向所述备用电源的控制器传输包括表示所述第二输出电压的数据的第二控制指令。另外，在这样的示例中，第一控制指令使主电源输出第一输出电压，并且其中第二控制指令使备用电源输出第二输出电压。
8.在本发明的又一示例中，ups系统包括被布置为向目标负载提供功率的主电源，该主电源包括被配置为控制从主电源到目标负载的第一功率输出的第一控制器。所述ups系统还包括第一备用电源，所述第一备用电源包括电化学燃料电池，所述第一备用电源包括第二控制器，所述第二控制器被配置为控制从所述第一备用电源到所述目标负载的第二功率输出。另外，所述ups系统包括第二备用电源，所述第二备用电源包括能量存储装置，所述第二备用电源包括第三控制器，所述第三控制器被配置为控制从所述第二备用电源到所述目标负载的第三功率输出。此外，所述ups系统包括控制系统和存储器，所述控制系统具有一个或多个中央处理单元(cpu)，所述存储器存储可执行指令，所述可执行指令在由所述一个或多个cpu执行时使所述控制系统执行各种操作。在这样的示例中，由控制系统执行的操作包括经由一个或多个数据连接从主电源、第一备用电源或第二备用电源中的至少一个接收数据信号。所述指令还包括至少部分地基于所述数据信号来确定与所述主电源、所述第一备用电源或所述第二备用电源中的至少一个相关联的输出电压。另外，所述指令包括经由所述一个或多个数据连接将控制指令传输到所述主电源、所述第一备用电源和所述第二备用电源中的至少一个，所述控制指令包括表示所确定的输出电压的数据。
附图说明
9.图1示出了根据本发明的一个或多个示例的用于ups的示例电力系统，包括主电源、集成燃料电池和能量存储装置。
10.图2示出了根据本发明的一个或多个示例的与ups相关联的示例控制系统，包括与
主电源以及集成的燃料电池和能量存储装置备用电源相关联的数据连接。
11.图3是描绘根据本发明的一个或多个示例的在包括多个电源的电力系统中管理功率共享的示例过程的流程图。
12.图4是描绘根据本发明的一个或多个示例的在包括主电源和备用电源的电力系统中管理检测电力中断和执行功率转变的示例过程的流程图。
13.图5是描绘根据本发明的一个或多个示例的监测包括主电源和备用电源的电力系统并将功率输出到电网的示例过程的流程图。
具体实施方式
14.图1示出了本发明的示例电力系统100。如下所述，这里描述的技术和系统涉及ups系统和/或其他电力系统，包括集成的燃料电池和/或能量存储装置备用电源。在该示例中，电力系统100包括主电源102、布置为备用电源的燃料电池104和布置为另一备用电源的能量存储装置106。电力系统100布置有各种电气部件，以下将更详细地描述，以(根据需要经由具有变压器的dc/ac逆变器)从主电源102、燃料电池104、能量存储装置106或从这些电源的组合向目标负载提供功率(例如，ac电压)。在各种示例中，目标负载包括需要电力来操作的任何设施或设备。如这里所使用的，ups系统是指包括至少一个备用电源的电力系统，所述至少一个备用电源被配置为在主电源处发生电力断电或中断的情况下向目标负载提供功率。如上所述，ups系统通常用于为需要连续不间断电源的有价值设备和重要设施提供功率保护。在各种实现中，电力系统100被配置为向不同类型的目标负载(例如医院和医疗中心、银行、数据中心、电信设施、公用设施公司、基于电子或生产的制造设施、广播设备和关键信息技术(it)基础设施)提供功率。在这里描述的任何示例中，电力系统100和/或本发明的其他电力系统可以包括ups系统。
15.在此描述的某些技术和系统包括具有紧凑架构的电力系统100，以及控制系统202，该控制系统202使得燃料电池104能够在电网损失期间用作备用电源、用作补充电网的二次电力、用作具有能量存储装置106(例如，电池系统、超电容器等)的ups电源，并且提供电网功率调节、向目标负载和/或公用电网提供经调节的功率、管理转变和管理主电源102(例如，公用电网)、燃料电池104和能量存储装置106之间的功率共享。
16.在电力系统100的操作期间，电力通过有源前端(afe)和ac/dc转换器110(或整流器)从主电源102提供到上游电力变压器108，到dc总线112。在一些示例中，主电源102是电网，例如公用设施的电网。电力变压器108集成到电力系统100中，并且连接到主电源102以避免来自电网的上游电压扰动和/或电污染，保持低水平的上游失真。电力变压器108因此向afe和ac/dc转换器110提供一致且可靠的电流。afe和ac/dc转换器110包括被配置为将接收自电力变压器108的ac输入变换成dc输出的电路。在一些示例中，afe和ac/dc转换器110被配置为基于目标负载的功率要求而输出特定dc电压。afe和ac/dc转换器110在一些情况下被配置为满足并网要求和/或提供用于主电源102的公用电网的任何需要的无功功率和功率因数校正。afe和ac/dc转换器110的有源前端部件监测电流波形并将其整形为正弦，从而减少从电力变压器108接收的电力的谐波失真。另外，如下所述，afe和ac/dc转换器110的有源前端设计允许电力从燃料电池104输出回到主电源102(例如，电网)以供再使用。
17.由主电源102提供的电力从afe和ac/dc转换器110流入dc总线，然后流出到dc/ac
逆变器114。dc/ac逆变器114包括被配置为将接收自dc总线112的dc输入变换为提供给下游电力变压器116的ac输出的电路。dc/ac逆变器114将dc转换成ac电力以满足目标负载的ac电压需求，并且用于在低失真情况下维持清洁ac电力的电能质量。在一些情况下任选地使用的电力变压器116向目标负载的设备和/或装置提供ac电力，同时出于安全原因将那些设备和/或装置与ac电源隔离。因此，当电力从主电源102流到目标负载时，电力系统100是独立于电压和频率(vfi)的系统，使用afe和ac/dc转换器110和dc/ac逆变器114的双重转换来保护免受主电源102处的电压和频率变化。
18.在该示例中，电力系统包括静态旁路开关118，其允许主电源102(例如，公用设施电网)直接向目标负载馈送电力。在一些情况下，静态旁路开关118响应于afe和ac/dc转换器110和/或dc/ac逆变器114中的故障而自动接合。另外地或可选地，例如，当电力系统100检测到主电源102的电压和频率足够稳定时，静态旁路开关118在正常操作期间接合并且在电力系统的电力电子器件中没有任何故障。当静态旁路开关118被接合时，afe和ac/dc转换器110和dc/ac逆变器114的双重转换被旁路，这增加了电力系统100的效率但限制了电压控制。在一些示例中，任何电力故障或中断，或者在预定电压范围之外检测到的电压使得电力系统100断开旁路开关118并恢复来自主电源102的电力流的双重转换。
19.燃料电池104由使用气态氢h2和氧o2作为燃料的聚合物电解质膜(pem)燃料电池组成。pem燃料电池104的各个零件和部件未在示例中示出，以免模糊电力系统100的其他部件；然而，应当理解，燃料电池104中可以包括任何已知的燃料电池特征和技术。例如，在一些情况下，燃料电池104包括膜电极组件，以及垫片和/或双极板，以将膜电极组件作为堆结合到燃料电池104中。尽管本示例中的燃料电池104被描述为pem燃料电池，但是在其他示例中使用其他已知类型的燃料电池，包括碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和/或固体氧化物燃料电池。
20.能量存储装置106包括具有电输出的任何能量存储装置(或能量存储装置的组合)。在一些示例中，能量存储装置106包括具有一个或多个电池的电池系统、超电容器和/或其他能量存储装置，包括具有转换器功率到dc输出的飞轮类型。在一些情况下，能量存储装置106包括具有一组一个或多个锂离子电池和/或铅酸电池的电池系统。如下文更详细地论述，燃料电池104、能量存储装置106和/或两者的组合用于在从主电源102流动的电力断电或中断的情况下向目标负载供应电力。在一些示例中，燃料电池104和能量存储装置106组成混合备用电源，其利用燃料电池104的技术优点(例如增加的能量密度)和能量存储装置106(例如电池系统)的不同技术优点(例如较高的功率密度，对负载变化的反应较快)。在这样的示例中，燃料电池104在断电或中断期间为电力系统100提供大部分备用电源，并且能量存储装置106用作提供另外的电力以处理波动的二次备用电源。在一些情况下，燃料电池104还被配置为根据需要对能量存储装置106再充电。
21.在此示例中，dc/dc转换器120布置(或电耦合)在燃料电池104与dc总线112之间，而第二dc/dc转换器122布置在能量存储装置106与dc总线112之间。在其他示例中，燃料电池104和/或能量存储装置106直接耦合到dc总线112。因此，在此示例中，主电源102、燃料电池104和能量存储装置106中的每一个单独地且独立地(直接地或通过其单独的中间部件)电耦合到同一dc总线112。该示例示出了作为ups系统内的备用电源的燃料电池106的集成设计，其提供了简化设计和减少电力系统100中的电力部件数量的优点。另外，通过自动处
理功率转变并提供许多ups系统所需的高质量功率调节，本示例中描述的集成设计在电力系统100的功能方面提供了优点。
22.在操作期间，当在由主电源102提供的电力内检测到断电或电力中断(例如，足够大小和/或持续时间的电压波动)时，电力系统100的电气部件被配置为自动地检测断电/中断并且转变为使用来自燃料电池104和/或能量存储装置106的电力。在一些示例中，afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122中的一个或多个包括被配置为接收电压输入和输出反馈数据并且基于该反馈调节提供给dc总线112的电压的电路。在此示例中，afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122中的每一个内的控制电路被配置为监测多个状态变量，包括在部件处接收的输入电压(v
入
)、输出到dc总线112的输出电压(v
出
)和/或输出电流(i
出
)。基于这些状态变量，afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122中的每一个内的电路被配置为调节提供到dc总线112的电压。
23.在该示例中，当在主电源102处发生断电或中断时，dc/dc转换器120和/或dc/dc转换器122都基于其自身功耗的变化(例如，使用v
出
和i
出
反馈信号)来检测断电或中断。作为响应，dc/dc转换器120和/或dc/dc转换器122立即增加它们的功率输出以自动处理到备用电源的转变。在一些情况下，燃料电池104的设计使其不能立即提供全功率输出，而是在一段时间内从休眠状态斜坡上升到全功率。在这种情况下，能量存储装置106通过立即提供更多的备用电源，然后缩放作为燃料电池104的功率输出斜坡上升而提供的功率来补偿燃料电池104的斜坡上升时段。具体地，与能量存储装置106相关联的dc/dc转换器122基于其v
出
和i
出
反馈信号检测主电源102已经维持断电/中断，以及燃料电池104还未被提供完全备用电源。作为响应，dc/dc转换器122被配置为在断电/中断之后最初施加驱动目标负载所需的备用电源的较大部分(或全部)，然后随着燃料电池104斜坡上升到全功率而在转变时段上减小功率输出(例如，电池输出)。在该示例中，电力系统100还包括另外的dc/ac逆变器124，其配置为从能量存储装置106向燃料电池104提供功率。
24.类似地，当在主电源102处恢复电力时，dc/dc转换器120和/或dc/dc转换器122基于电压和电流反馈信号自动检测恢复，并处理从备用电源、燃料电池104和能量存储装置106到主电源102的功率转变。随着由电力断电引起的功率转变，在一些情况下，随着燃料电池104的功率输出斜坡下降并且主电源102的功率输出以相应的速率斜坡上升，逐渐执行主电源102恢复之后的功率转变。
25.如这些示例所示，电力系统100提供用于在主电源102处的电力断电/中断和随后的电力恢复的情况下处理功率转变的能力。这些功率转变在电力系统100的操作期间瞬时执行，并且基于功率电子器件的布置和单独配置在没有任何集中控制系统的情况下自动处理。在该示例中，通过afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122的独立操作来管理电力系统100的功率转变，而在这些部件之间没有任何直接连接或通信，并且在电力系统100中根本没有任何数据连接(例如，仅电源连接)。另外，尽管以上示例涉及响应于来自主电源102的功率的变化而管理功率转变，但afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122使用类似或相同的技术以基于在燃料电池104或能量存储装置106处发生的变化(例如，错误或断电)来管理转变。
26.如上所述，在一些示例中，控制系统用于控制电力系统100内的逆变器装置和/或转换器装置中的一些或全部的电压。由于使用公共dc总线112，在耦合到dc总线112的单独
装置之间实施功率控制，以维持dc总线112，通常使用基于压降的控制。在一些情况下，能量存储装置106(例如，电池系统)dc/dc转换器122是双向的，因为它能够从能量存储装置106吸收功率或向能量存储装置106提供功率。在一些情况下，燃料电池104是单向的，使得燃料电池104的输出功率增加和/或降低，但决不会降到零以下。如下所述，用于主电源102(例如公用电网)的afe和ac/dc转换器110的有源前端向dc总线112提供功率，但也具有向电网吸收或输出功率的双向能力。电力系统100内的转换器和逆变器被配置为以稳定的方式维持dc总线112。例如，在一些示例中，afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器120中的一个或多个包括低电平逆变器，该低电平逆变器控制馈送到dc总线112中以保持dc总线112稳定。
27.从其向目标负载提供功率的dc/ac逆变器114被配置为以最小的失真提供干净的ac功率。afe和ac/dc转换器110内的有源前端控制在某些情况下用于提供无功功率和/或功率因数校正。另外，在一些情况下，存在经由静态旁路开关118从主电源102到目标负载的单独连接，静态旁路开关118被自动激活以在沿着主路径的逆变器故障的情况下经由旁路路径向目标负载提供功率。
28.图2描绘了包括与电力系统100相关联的控制系统202的计算环境200。如上面参考图1所讨论的，这里描述的ups系统，例如电力系统100，不需要包括控制系统202，而是可以基于各个电气部件的功能和电气耦合部件之间的电源连接来操作。相反，图2描绘了包括控制系统202的电力系统100的实现，控制系统202具有到电力系统100的各个部件的数据连接。如下所述，控制系统202接收和分析来自电力系统100的各个部件的数据，并执行基于软件的功能以执行电力系统的功率条件和管理，包括功率共享、转换管理、功率输出回到公共电网，以及管理燃料电池处的汽化损失。
29.在该示例中，控制系统202连接到主电源102、燃料电池104和能量存储装置106。控制系统202还分别连接到afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122内的各个控制器204-208。在某些实现中，图2中的箭头对应于电力系统100的部件之间的数据连接，而图1中的箭头对应于部件之间的电源连接。另外，虽然图2示出了控制系统202的六个数据连接，但是在各种其他示例中，控制系统202可以包括到电力系统100或在此描述的其他ups系统的任何部件或部件组合的数据连接。此外，该示例中的控制系统202被描述为物理地安装在电力系统100内的本地控制系统，其具有到电力系统部件的短程有线连接。然而，在其他示例中，控制系统202被实现为远程计算系统(例如，计算机服务器或服务)，并且在控制系统202和电力系统部件之间的数据传输在一个或多个通信网络(例如，因特网、wlan网络、蜂窝网络、基于卫星的网络等)上执行。
30.如图2所示，控制系统202包括一个或多个处理器210和与处理器210通信耦合的存储器212。在所说明的示例中，控制系统202的存储器212和处理器210存储并执行功率管理部件214、燃料电池管理部件216、电池管理部件218和电网管理部件220，下文更详细地论述其中的每一个。在各种实现中，控制系统202在一个或多个服务器或其他计算装置上实现，其每个包括存储能够执行部件214-220和/或实现在此描述的控制系统202的各种另外的功能的计算机可执行指令的一个或多个处理器210和存储器212。在一些示例中，控制系统202还包括网络接口和部件(未示出)，以支持与一个或多个客户端系统和/或各种其他外部系统或数据源的通信。例如，在一些情况下，控制系统202包括用户接口部件，其被配置为经由
本地或远程客户端系统向用户提供电力系统监测、控制和配置功能。
31.在各种示例中，控制系统202与电力系统100的各种部件之间的数据传输是通过通信网络来执行的，包括基于wi-fi的通信网络，诸如经由ieee 802.11标准所定义的频率，诸如的短程无线频率，其他无线电传输，或任何适当的有线或无线通信协议，其使相应的电力系统部件能够与控制系统202接口。
32.控制系统202的处理器210包括能够执行指令以接收数据、处理数据并执行本文所述操作的任何合适的处理器。作为示例而非限制，处理器210包括一个或多个中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)，或处理电子数据以将该电子数据转换成可存储在寄存器和/或存储器中的其他电子数据的任何其他装置或装置的部分。在一些示例中，集成电路(例如，asic等)、门阵列(例如，fpga等)和其他硬件装置被认为是处理器，只要其被配置为实施经编码的指令。
33.存储器212包括一个或多个存储装置，包括非暂时性计算机可读介质。存储器212存储操作系统和/或一个或多个软件应用、指令、程序和/或数据以实现本文所述的方法和技术，并执行归因于那些系统的各种功能。存储器212在各种示例中使用任何合适的存储器技术来实现，诸如静态随机存取存储器(sram)、同步动态ram(sdram)、非易失性/闪存类型存储器，或能够存储信息的任何其他类型的存储器。本文中所描述的架构、系统和个别元件包括许多其他逻辑、编程和物理部件，附图中所展示的那些仅是与本文中的论述相关的示例。
34.在该示例中，部件214-220被描述为实现为独立的基于软件的模块或服务的不同部件，其每个被编程或配置为执行在此描述的各种操作。在其他示例中，参考一个部件描述的特定操作或功能由其他部件和/或协作工作的部件的组合来执行。在一些情况下，通过在与本地电力系统100分离的远程基于云的服务器或数据中心处操作的软件应用或服务来执行以下结合部件214-220描述的功能中的一些或全部。
35.例如，由部件214-220执行的某些操作包括与功率调节、功率共享、功率管理和配置电力系统100的电源102-106有关的确定和/或预测。在各种实现中，部件214-220执行基于规则的试探法和/或训练的机器学习模型和机器学习算法以执行这样的确定和预测。在一些示例中，使用机器学习算法和训练模型来预测来自目标负载的即将到来的功率汲取(或负载)、目标负载处和/或公共电网内的峰值功率时间/使用、主电源102即将到来的断电或中断、燃料电池104的功率斜坡上升或胁迫下降过程的速率、从公共电网接收功率或向公共电网输出功率的价格波动等。在一些示例中，控制系统202包括用于执行操作的算法(例如，控制操作的序列)，所述操作诸如功率共享、汽化管理、公用电网和燃料电池之间的调峰是基于规则的，和/或涉及基于负载的实时优化(例如，使用诸如混合整数线性规划、模型预测控制、粒子群优化等的技术)，效用价格包括关于日前价格的信息，和/或涉及用于负载预测以及价格预测的学习方案。在一些情况下，学习方案/技术涉及例如用于负载预测的机器学习。
36.功率管理部件214被配置为执行电力系统100内的功率调节和/或功率管理任务。在一些示例中，功率管理部件214通过从afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122接收数据信号来执行功率调节。功率管理部件214监测数据信号以评估传递到目标负载的电压电平和/或各种其他电能质量度量(例如，电压或波形波动等)。另外地或可选
地，功率管理部件214接收来自dc总线112下游的电气部件(例如dc/ac逆变器114)的数据。基于所接收的数据，功率管理部件214针对上述质量度量确定提供给目标负载的电能质量，并确定afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122的控制指令，以改进/优化由电力系统100递送到目标负载的电能质量。
37.除了功率调节之外，功率管理部件214还执行用于电力系统100的各种高级功率管理功能。如下面更详细地描述的，功率管理部件214接收来自电力系统100(和/或另外的外部系统)的各种电气部件的数据，并且分析该数据以便响应于电力断电和中断检测和管理功率转变，基于电源的当前和预测状态以及目标负载实现电源之间的功率共享，确定将电力从备用电源输出回电网的情况等。功率管理部件214通过确定用于afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122的控制指令，并将控制指令传输到相应的控制器204-208来完成这些示例中的功率管理功能。
38.燃料电池管理部件216监测和控制燃料电池104的操作。在一些示例中，燃料电池管理部件216接收来自燃料电池104的状态和操作数据，诸如当前操作状态和功率输出、燃料电池104中的化学品的量，以及各种化学品和其他物质(例如，h2、水、氮气、空气、水等)的当前压力、温度、质量和流量。在一些情况下，燃料电池104还向燃料电池管理部件216传输各种操作数据，例如当前/请求功率输出的当前操作状态设定、当前/请求功率因数、先前的停止/启动命令，以及在燃料电池104处发生的任何故障或错误等。另外地或可选地，燃料电池管理部件216接收并使用来自控制器204-208、另外的电源102和106和/或电力系统100内的任何其他部件的数据。基于从燃料电池104和其他数据源接收的数据，燃料电池管理部件216确定并向燃料电池104传输操作命令。这样的操作命令包括使燃料电池104在线或离线，调整燃料电池104的功率输出或功率因数，启动化学汽化，更新化学存储和使用的特性(例如，质量、压力、温度、流量)以影响或优化在燃料电池104处发生的化学反应的命令。然后，燃料电池管理部件216将操作命令传输到燃料电池104，用于由燃料电池104的单独控制器执行。
39.电池管理部件218监测并控制能量存储装置106的操作。在各种示例中，电池管理部件218接收来自能量存储装置106的状态和操作数据(例如，当前功率输出当前充电状态、电池寿命、温度、故障和错误等)，和/或来自控制器204-208、另外的电源102和104，和/或电力系统100内的任何其他部件的数据。基于从能量存储装置106和其他数据源接收的数据，电池管理部件218确定操作命令并将其传输到能量存储装置106。这样的操作命令包括使能量存储装置106在线或离线，调节能量存储装置106的功率输出或其他操作设定，解决错误或故障，要求能量存储装置106的维护等的命令。电池管理部件218接着将操作命令传输到能量存储装置106以供能量存储装置106的单独控制器执行。
40.电网管理部件220在主电源102是电网(例如公用设施电网)的情况下监测并控制主电源102的操作。在各种示例中，电网管理部件220从与电网相关联的控制系统接收数据，包括诸如电网的运行状态、来自电网的当前功率输出和可用性、错误和故障、峰值功率使用数据、自备电价率等数据。电网管理部件220还从控制器204-208、另外的电源104和106和/或电力系统100内的任何其他部件接收数据。基于从主电源102和其他数据源接收的数据，电网管理部件220确定操作命令并将其传输到控制器204和/或与主电源102相关联的单独的控制器。这样的操作命令包括接合或脱开静态旁路开关118、将电力从燃料电池104或能
量存储装置106输出回到主电源102的电网等的命令。电网管理部件220然后将操作命令传输到控制器204和/或传输到与主电源102相关联的单独的控制器。
41.虽然图2所示的示例示出了三个单独的电源102-106，但是在其他示例中，电力系统100包括更少的电源(例如，一个主电源和一个备用电源)或更多的电源(例如，多个主电源和/或两个或更多的备用电源)。另外，在其他示例中使用不同类型的电源。在一些情况下，包括光伏(pv)板的主电源或备用电源被包括在电力系统100中。在这种情况下，pv板电耦合到另外的dc/dc功率转换器，该另外的dc/dc功率转换器电耦合到dc总线112。另外地或可选地，在电力系统100中包括柴油、气体或丙烷发电机组，在这种情况下，发电机组电耦合到另外的dc/dc功率转换器，该另外的dc/dc功率转换器电耦合到dc总线112。在这些另外的示例中，本文中所描述的相同和/或类似技术用于管理功率转变、功率共享、功率调节、功率输出等，包括上文所描述的基于个别电子部件的布置和配置而自动处理(无控制系统)的功率转变和功率管理技术，以及使用控制系统202执行的技术。
42.图3-5是描绘为电力系统100执行的和/或在电力系统100内执行的示例功率管理过程的流程图。具体地，图3描绘了示例功率共享过程300，其中控制系统202监测电源102-106并确定哪个电源将向目标负载提供功率。图4描绘了示例转变管理过程400，其中控制系统202检测主电源102处的电力中断，并确定在转变到备用功率期间哪些备用电源104-106以什么比例向目标负载提供功率。另外，图5描绘了示例功率输出过程500，其中控制系统202监测电力系统100和电源102-106，并确定何时要将功率从燃料电池104或其他备用电源输出到主电源102的电网。如下所述，过程300、400和500中的每一个作为电力系统100内的控制系统202的功率管理操作来执行。在这些示例中，过程300、400和500由功率管理部件214单独地或与以上在图1和2中描述的另外的电力系统部件、电源和/或外部系统中的任一个组合地执行。另外，过程300、400和500表示由控制系统202执行的功率管理过程的三个不同示例。然而，在其他示例中使用类似或相同的技术(例如，监测来自电源102-106和转换器控制器204-208的信号，使用试探法或机器学习技术来确定或预测功率使用、行为或异常，以及用控制信号来控制电源102-106或相关联的部件等)来执行任何另外的功率管理技术、功率调节技术，以及本文描述的电源管理技术。
43.图3是描述在包括多个电源的电力系统100中管理功率共享的过程300的流程图。如在该示例中描述的，与电力系统100相关联的控制系统202从电源102-106、电力系统100的另外的电力电子器件和/或外部数据源接收数据并监测它们，以在电源102-106之间实现功率共享方案，从而向目标负载提供功率。控制系统202分析各种数据以执行整体功率管理分析，并基于与系统负载、电源状态和电源的可用性等有关的计算和/或预测来实施功率共享方案。
44.在操作302，控制系统202从与电力系统100中的每个电源102-106相关联的功率转换器接收操作数据。在该示例中，控制系统202从afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122的相应控制器204-208接收功率数据。在一些情况下，控制系统202从控制器204-208中的每一个接收标识v
入
、v
out出
和/或i
out出
的数据信号，该数据信号指示从其相关联的电源102-106提供给dc总线112以及提供给目标负载的功率的量、可用性、质量和/或一致性。
45.在操作304，控制系统202从电源102-106接收操作和状态数据。与在操作302处接
收的表示由主电源102当前提供给目标负载的功率的数据相反，在操作304处从电源102-106接收的数据包括电源102-106和相关系统的当前操作状态、电能质量数据、峰值功率量和功率可用性，以及错误和故障，在每个电源102-106处剩余的功率量。在一些情况下，控制系统202接收燃料电池104处剩余的化学燃料量，或者能量存储装置106的电荷量或剩余电池寿命。另外，在一些情况下，当主电源102包括公用设施电网时，控制系统202接收当前电网价格(例如，标准、峰值和非峰值价格等)。在一些示例中，控制系统202还接收标识与电源102-106中的任一个相关联的任何电流或潜在错误、维护问题或计划中断/断电的数据。
46.在操作306，控制系统202从电力系统100内的一个或多个其他部件和/或各种外部数据源接收另外的数据。在一些情况下，控制系统202从dc总线112下游的电气部件(例如，dc/ac逆变器114)和/或从目标负载设备自身接收电流负载/电力汲取数据。在其他示例中，控制系统202接收指示当前和/或预测的未来功率可用性数据、电力价格数据、负载数据，断电/中断数据等的各种数据。
47.在操作308，控制系统202基于在操作302-306接收的各种数据确定用于电力系统100的功率共享方案。在各种示例中，在操作308中确定的功率共享方案涉及由可用电源102-106中的每一个提供的总负载的功率量(例如，电压电平)和/或百分比。例如，在第一示例中，控制系统202确定主电源102将提供100％的功率，而在第二示例中，控制系统202确定主电源102将提供80％的功率，燃料电池104将提供20％的功率，等等。在各种示例中，控制系统202确定将要在电力系统内立即实施的功率共享方案，或者将要在未来时间实施的方案和/或用于在一段时间内将功率从一个电源转移到另一个电源的方案。
48.在各种示例中，控制系统202在操作308中使用试探法和/或训练机器学习模型的组合来确定功率共享方案。在这样的示例中，控制系统202基于包括来自电源102-106中的每一个的当前电能质量和可用性、与主电源102相关联的当前电网电价、燃料电池104的当前状态以及任何预测的汽化损失、目标负载所需的当前和预测负载、燃料电池104中剩余的化学燃料量和能量存储装置106中的当前电荷，和/或来自电源102-106中的任一个的任何预测的电力断电或中断的因素来确定功率共享方案。
49.在一个示例中，为了在使用燃料电池104作为第二电源时执行功率共享，控制系统202将负载与公用功率比进行比较，并考虑对燃料电池104的汽化的任何需要，以确定功率分布。如果当前公用功率比小于或等于预定比阈值，则控制系统202从主电源102选择公用电力以提供负载。在该示例中，如果当前公用功率比大于预定比阈值，或者如果燃料电池104的汽化需要/计划指示使用燃料电池104，则控制系统202从燃料电池104汲取用于负载的一些或全部功率。控制系统202还可以例如基于低于阈值的负载、高于阈值的当前公用功率比、燃料电池汽化确定和/或这些因素的任何组合来确定从燃料电池104返回到主电源102的公用电网的可能的功率输出。
50.在操作310，控制系统202生成并传输控制指令以实现在操作308中确定的功率共享方案。在一些示例中，控制系统202将指令传输到控制器204-208中的每一个以分别配置afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122以将所确定的功率量或百分比提供到目标负载。在一些情况下，在操作310处传输的控制指令指示接收转换器将其输出电压(例如，dc链路电压)设定为相对于耦合到dc总线112的其他转换器的固定电平和/或相对电平。在接收到控制指令时，控制器204-208分别将afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120
和dc/dc转换器122配置为根据指令中的输出电压参数和/或控制参数进行操作。
51.图4是描绘在包括多个电源的电力系统100中检测电力断电和其他中断，以及管理到备用电源的转变的过程400的流程图。如在该示例中所描述的，与电力系统100相关联的控制系统202从电源102-106接收数据并监测电源102-106以检测诸如断电、浪涌、尖峰、噪声、电能质量波动等的电力中断，以及跟随这样的中断的电力恢复。然后，控制系统202使用来自电力系统100的各个部件(和/或外部数据源)的数据，以基于与系统负载、电源状态和电源的可用性等有关的计算和/或预测来确定到备用电源的转变和从备用电源的转变。
52.在操作402，控制系统202从电力系统100的各个部件和/或外部数据源接收数据。在一些示例中，操作402类似于或等同于上文讨论的操作302-306，并且包括从电源102-106、功率转换器控制器204-208和/或电力系统100或外部系统内的任何其他部件中的任一个接收数据。
53.在操作404，控制系统202检测主电源102处的中断。在操作404处检测到的中断包括主电源102的电力断电，诸如公用设施电网的断电。控制系统202基于从afe和ac/dc转换器110接收的数据信号(例如，电流v
入
、v
出
和/或i
出
或这些参数的变化)或从主电源102自身接收的数据来检测这种断电。在一些情况下，控制系统202还基于来自其他功率转换器206-208和/或电力系统100中的其他部件的数据信号推断断电。另外地或可选地，在操作404处检测到的中断包括与主电源102相关联的电能质量、临时电能浪涌或尖峰、电压波动、噪声等的变化。在各种示例中，控制系统202接收来自控制器204-208和其他电子部件的周期性数据信号，并使用该数据信号来检测由主电源102提供的电力的特性的变化。在这些示例中，通过将功率特性和/或功率特性的变化与控制系统202内的预定阈值进行比较来确定电力中断。
54.在该示例中，当控制系统202没有检测到由主电源102提供的电力中的电流中断时(404：否)，过程返回到操作402，并且控制系统202接收用于定期或连续监测电力系统100的另外的数据。相反，当控制系统202检测到主电源102处的当前电力中断时(404：是)，在操作406，控制系统202确定备用电源104和106的功率输出速率。在一些情况下，燃料电池104需要一段时间以斜坡上升到全功率输出的状态，在此期间能量存储装置106更严重地依赖作为备用电源。在这些示例中，控制系统202在操作406中确定功率转变，在该功率转变期间，能量存储装置106最初提供较大百分比的备用电源，然后随着燃料电池104的容量斜坡上升而按比例缩小其功率输出。如上所述，在各种情况下，控制系统202使用试探法和/或训练的机器学习模型来确定操作406中的功率转变策略，从该功率转变策略为燃料电池104和能量存储装置106备用电源确定功率输出速率。在各种示例中，控制系统202基于在操作402处接收的输入数据中的一个或任意组合，确定用于操作406中的功率转变的输出速率，所述输入数据诸如备用电源104和106的充电状态和效率、燃料电池104中剩余的化学燃料的量、备用电源104和106的当前和预测容量和/或电能质量、目标负载的当前和预测负载，和/或主电源102的断电或其他中断的预测长度。因此，在燃料电池104是备用电源时的各种示例中，控制系统在功率损失期间管理从能量存储装置106(例如，电池系统)到燃料电池104的转变，并且在主电源102活动时和在备用操作期间根据需要管理能量存储装置106的充电。
55.在操作408，控制系统202生成并传输控制指令，以使用在操作406中确定的功率输出速率来管理功率转变。在一些示例中，控制系统202向控制器204-208中的每一个传输指
令以分别配置afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122，以随着时间向目标负载提供确定的功率量或百分比，从而管理从主电源到备用电源的功率转变。
56.在操作410，控制系统202继续从电力系统100的各个部件和/或外部数据源接收数据。操作410类似于或等同于该示例中的操作402，在此期间，控制系统202周期性地或连续地接收来自电源102-106、功率转换器控制器204-208和/或电力系统100或外部系统内的任何其他部件的状态和操作数据。在到备用电源的转变期间或之后使用在操作410中接收的数据，例如，监测和动态管理电源转变和/或检测主电源102的电力中断何时结束。
57.在操作412，控制系统202检测由主电源102提供的电力的恢复。在一些情况下，检测电力恢复包括与操作404中检测电力中断类似和/或相反的技术。作为示例，控制系统202基于从afe和ac/dc转换器110接收的数据信号和/或从主电源102自身接收的数据来检测电源断电后的恢复的检测。在其他示例中，在电力中断之后基于电能质量、电能浪涌或尖峰、电压波动、噪声等的变化的恢复由控制系统202通过监测和测量来自主电源102的电力特性和/或电力特性的变化来确定。
58.当控制系统202没有检测到由主电源102提供的电力的恢复时(412：否)，过程返回到操作410，并且控制系统202接收用于周期性或连续监测电力系统100的另外的数据。相反，当控制系统202检测到提供主电源已经恢复时(412：是)，然后在操作414，控制系统202确定主电源102和备用电源104和106两者的更新的功率输出速率。在一些示例中，确定电源102-106的更新的功率输出速率使用与参考操作406所讨论的那些技术类似或相同的技术。在各种情况下，控制系统202使用试探法和/或训练的机器学习模型来确定返回依赖主电源102的功率转变策略，并确定电源102-106中的每一个的相应功率输出速率以实现从备用电源到主电源的转换。
59.在操作416，控制系统202生成并传输控制指令，以使用在操作414中确定的更新的功率输出速率来管理功率转变。操作416使用与以上参考操作408所讨论的技术类似或相同的技术。在一些示例中，控制系统202向控制器204-208中的每一个传输指令以分别配置afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120以及dc/dc转换器122，用于随时间向目标负载提供确定的功率量或百分比，以管理从备用电源104-106到部分或完全依赖于主电源102的功率转变。
60.图5是描绘将电力从电力系统100输出到电网(例如与主电源102相关联的公用设施电网)的过程500的流程图。如本示例中所述，控制系统202接收并分析来自电力系统100的各个部件(和/或外部数据源)的数据，以确定从燃料电池104输出电力回到主电源102的电网的时间。如上所述，在一些示例中，燃料电池104引起汽化损失，因为燃料电池没有足够频繁地使用或没有提供足够量的功率。为了避免在燃料电池104处的汽化损失，并且为了补偿从电网获得的电力的公用成本，该示例中的控制系统202确定并实施功率输出操作，在该功率输出操作期间，电力通过电力系统100重新路由回到主电源102的电网。
61.在操作502，控制系统202从电力系统100的各个部件和/或外部数据源接收数据。在一些示例中，操作502类似于或等同于上文讨论的操作302-306，并且包括从电源102-106、功率转换器控制器204-208和/或电力系统100或外部系统内的任何其他部件中的任一个接收数据。
62.在操作504，控制系统202基于在操作502接收的数据确定和/或预测电力系统100
上的功率可用性和/或负载。在各种示例中，控制系统202确定并分析电源102-106的当前功率输出和系统状态，包括燃料电池104内的化学燃料量和能量存储装置106的当前充电状态。另外地或替代地，控制系统202确定电力系统100上的当前负载和/或从目标负载预测电力系统100上的未来负载。在一些示例中，控制系统202执行试探法和/或训练的机器学习模型，其被配置为基于由电力系统100和/或类似电力系统观察到的先前负载模式来预测来自电源102-106的未来功率可用性和/或从目标负载预测未来负载。
63.在操作506，控制系统202确定是否例如向与主电源102相关联的公用设施电网输出电力。在一些示例中，当来自备用电源的当前(和/或预测未来)功率可用性比来自目标负载的当前(和/或预测未来)负载大大于阈值量时，控制系统202确定要输出电力。另外地或可选地，控制系统202使用从电网以及不同的时间获得并提供回电网以及不同的时间的电力的当前和预测的未来价格。此外，在一些情况下，如果燃料电池104未被启动以将至少一定量的功率提供给目标负载或用于输出，则控制系统202还预测燃料电池104在一定时间段内引起的汽化损失。
64.在该示例中，当控制系统202确定在当前时间不将功率输出回电网时(506：否)，过程返回到操作502，并且控制系统202接收用于周期性或连续监测电力系统100的另外的数据。相反，当控制系统202确定电力要输出到电网时(506：是)，在操作508，控制系统202生成并传输控制指令以实现功率输出。在一些示例中，控制系统202将指令传输到控制器204-208中的每一个，以分别配置afe和ac/dc转换器110、dc/dc转换器120和dc/dc转换器122，以将电力从燃料电池104(和/或能量存储装置106)输出回到主电源102的电网。例如，afe和ac/dc转换器110可配置用于从主电源102输入电力和将功率输出回到主电源102。在该示例中，控制系统202向控制器204传输包括功率特性(例如，电压电平、功率因数、持续时间等)的命令以配置afe和ac/dc转换器110将功率输出回到电网。例如，控制系统202将命令传输到afe和ac/dc转换器110，以为主电源102的公用电网提供任何需要的无功功率和/或功率因数校正。另外，控制系统202将控制指令传输到dc/dc转换器120和dc/dc转换器122(和/或电力系统100的其他部件)中的一个或两个，将燃料电池104和/或能量存储装置106配置为通过dc总线112提供足以满足目标负载的负载的另外的功率，并且还为afe和ac/dc转换器110提供功率以输出回到电网。
65.工业实用性
66.如上所述，本发明涉及ups系统和/或包括燃料电池和能量存储装置(例如，电池系统)作为备用电源的其他电力系统。照此，在此描述的各种系统和技术包括对使用在柴油、丙烷或汽油驱动的燃烧发动机上运行的备用发电机的传统电力系统的改进。例如，包括燃料电池备用电源的ups系统比可比较的气体或柴油发电机系统运行更安静并且具有更低的排放。燃料电池还提供比气体、柴油或电池备用系统更可靠、更长运行的备用电源。因此，将燃料电池备用电源集成到ups系统中对于在诸如数据中心和医院的关键和电力敏感环境中操作的ups系统提供了关键的性能优点和增强。
67.对ups系统的另外的改进源于ups与这里描述的燃料电池和能量存储装置备用系统的集成设计和电源连接。与传统系统相比，主电源与燃料电池和储能装置备用电源的集成设计简化了ups系统，减少了电力电子器件和所需电池的数量。在一些示例中，主电源、燃料电池和能量存储装置分别且独立地耦合到dc总线，从而简化了ups系统并提供响应于主
电源的断电、降低和恢复的自动功率转变。
68.此外，如上所述，某些系统和技术包括配置有与主电源、燃料电池和能量存储装置电源的数据连接的控制系统。在这些示例中，控制系统接收和分析来自分开的电源的数据信号，以便为ups提供高质量的功率调节和管理。控制系统分析数据并向各种电源传输控制指令，其协调和改进由ups执行的若干高级电源管理任务，包括主电源和备用电源之间的功率共享、管理功率转变、将功率输出回公用电网，以及管理燃料电池处的汽化损失。与传统的ups系统相比，这里描述的技术包括接收和分析来自主电源和燃料电池以及能量存储装置电源的数据，以便执行ups系统的更整体的分析和功率管理。
69.在一些情况下，一个或多个部件在本文中可以被称为“配置为”、“可配置为”、“可操作/操作成”、“适于/可适于”、“能够”、“适合/适应”等。本领域的技术人员将认识到，这些术语(例如，“配置为”)通常可涵盖活动状态部件和/或非活动状态部件和/或待机状态部件，除非上下文另有要求。
70.如本文所用，术语“基于”可与“至少部分基于”和“至少部分地基于”同义使用。
71.如本文所用，术语“包括/包括/包括(comprises/comprising/comprised)”和“包含/包含/包含(includes/including/included)”及其等同物可互换使用。“包括a、b和c”的装置、系统或方法包括a、b和c，但也可以包括其他部件(例如，d)。即，设备、系统或方法不限于部件a、b和c。
72.虽然已经参照上述实施例具体示出和描述了本发明的各方面，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离所公开的精神和范围的情况下，可以通过对所公开的机器、系统和方法的修改来预期各种另外的实施例。这些实施例应当被理解为落入基于权利要求及其任何等同物所确定的本发明的范围内。
73.尽管本技术描述了具有特定结构特征和/或方法动作的实施例，但是应当理解，权利要求不必限于所描述的特定特征或动作。更确切地说，这些具体特征和动作仅仅是说明性的一些实施例，这些实施例落入本技术的权利要求书的范围内。