CN100416972C - 用于提供保证的功率给临界负载的系统 - Google Patents

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Abstract

包含燃料电池电源设备的第一AC电源(18)和通常是电网的第二电源(10)，正常情况下是通过高速隔离开关装置(19)连接，以提供足够的AC电源给临界负载(14)。

Description

用于提供保证的功率给临界负载的系统
技术领域
本发明通常涉及电源系统，并且更具体地，涉及用于提供保证的或不间断的电功率供应给一个或更多的临界负载。仍是更具体地，本发明涉及这种电源系统，采用燃料电池作为电源。
背景技术
迄今为止，对各种负载而言，最常见的电源，是通过由各种电厂提供的大量电网。关于对已制定的电压、频率、相位等标准的连续和遵守，在市电电网上可得到的电功率通常是相当可靠。但是，有时，不连续和/或脱离那些标准的情况确实发生。如果那些情况是短暂的或不多的，相对而言，大多数负载不受它们影响。另一方面，负载的数量有所增长，相对而言，不能容许由市电电网供应的功率的即使是短暂的偏差，主要的例子有，计算机、数字控制/控制器和各种电子数据处理设备。即使是市电电网符合标准的电功率供应的短暂间断，也可能引起计算机或控制失灵，带来有时是损失惨重的，并且总是引起麻烦的后果。
就这种情况，信息技术产业协会(ITI)，原来是计算机商业设备制造协会(CBEMA)，开发了一组功率允许曲线，制定了用于确定将保证那些类型的负载的连续操作的功率定额的标准，或至少是提供了指导。在那方面，已经采用了一种标准，指出计算机能容许半个周期或8.3ms的供电中断，该标准最近由ITI改为约20ms。另一方面，一些多相数字电子设备的应用，如电机控制等，可能不能容许大于约8.3ms的中断。在市电电网上可得到的功率，目前不能在基本连续的基础上满足这种要求。因此，提供附加的电源已经是或者现在是必需的，如果保证临界负载有基本连续的或不间断电功率供应是重要的。为这种应用起见，中断或转换持续时间不大于8.3ms的电力供应，可被认为是“无缝的”、“基本连续的”或“基本不间断的”。
参考图1，说明了一种现有形式(通常称作“在线”或“双转换”类型)的不间断电源(UPS)，用于在当市电电网供应中断、或者是在规定极限以外的那些情况下供电给临界负载。市电电网电源正常情况下出现在导线110上，并且，通过三极转换开关112的常闭触点，传送到整流器120。该整流器120通过逆变器122供电给临界负载114。但是，为在当市电电网电源不在规定极限之内的那些时间间隔里和期间提供连续的功率，备用电池116被提供，以立即供应有限时间的功率，并且，然后，应急发电机118连接到转换开关112的另一触点，以继续更长时间的暂时供电。为在负载114依赖AC电源的系统中配合使用电池116，必需提供整流器120以对电池116充电，并且，提供逆变器122以转换电池中的DC供电为对负载必需的AC供电。连接在转换开关112和负载114之间高速开关124作为旁路开关操作，以便在逆变器122或整流器120必须被检护时提供暂时的功率。因为电网和负载正常情况下不直接连接，但更确切地说，到负载的功率需要借助UPS电池经过一对转换器，UPS的这种类型被称为“在线”或“双转换”类型。这种方案，尽管有效，但需要若干昂贵的部件，它们只在当市电电网电源不能解决问题的时间间隔使用。
另一种用于提供基本不间断功率给临界负载的电源系统在关于“电源系统”的PCT申请的US99/10833中描述，于1999年11月25日作为WO 99/60687公布，并且，对应于2001年9月11日发布的U.S.专利6,288,456。参考本应用的图2，在那个PCT申请/U.S.专利中描述的本发明的相关部分，以非常简化的、概括的形式表示，给元件标号，使得它们的最后两位数字和图1中与它们功能相当的对应元件是一样的。临界负载214从不间断电源系统模块231内部的电动机-发电机230接收基本不间断功率，该模块还包含转换开关、整流器和逆变器。几种可选的电源被提供，以使电动机-发电机230的连续供电达到最大。这样一种电源可以是市电电网210。另一种源可以是燃料电池发电电源设备218。转换开关装置212使能市电电网210和燃料电池218中的一个或另一个，以在正常情况下提供功率来驱动电动机-发电机230。这种不间断电源也是“在线”或“双转换”类型，因为电网不直接连接到负载214，但是经过整流器和逆变器转换器和飞轮和/或燃料电池，以供给电动机-发电机230能量，接着，电动机-发电机230提供不间断功率。实际上，为了系统经济，燃料电池218配置为以电网连接(G/C)模式和市电电网210一起操作，所以，在电网连接的模式中，电网和燃料电池供电给转换开关的“电网”端子。如果电网供电210故障，燃料电池218用来作为电动机-发电机230的持续电源。但是，在这种情况下，燃料电池218必需从“电网连接”(G/C)模式重新配置为“电网独立”(G/I)模式。燃料电池218的功率调节系统(PCS)部分包括关联的逆变器、开关晶体管和断路器(未示出)，它们实现DC电源到AC电源的转换，并且，管理燃料电池基本的G/C和G/I操作模式。那种模式转换(从G/C到G/I)，通常需要燃料电池218和转换开关212中断发电长至5秒。这种中断不是“无缝的”，并且对于临界计算机负载214是不可接受的持续时间。因此，至少在这种模式转换期间，备用飞轮电源216立即提供有限时间的功率(与图1中的电池电源116类似)给电动机-发电机230。那种备用电源216是飞轮236驱动双向AC/DC转换器238。转换器238使飞轮在正常操作期间保持旋转，并且在备用操作期间使飞轮236放电。用于转换开关装置212中和不间断电源系统模块231中的各种转换开关，可以是机电式的、静态的或其组合，并且，用来实现多种电源转换功能。
尽管，上面提到的PCT申请申请/U.S.专利的电源系统可提供基本不间断电源给各种临界负载，并且可有利地采用燃料电池作为主要电源的一种，但是，它需要使用相当多复杂且昂贵的附加设备。例如，单独的电动机-发电机230和包括飞轮236/转换器238组合的备用电源216，代表了为保证寻求的电源连续程度必需的但昂贵的部件。
另一种UPS是“备用”类型，其中，电网直接连接到负载，并且，备用UPS即使连接到负载仍保持空闲，直到开关断开电网到负载的连接。这种系统的例子在U.S.专利6,011,324中公布。燃料电池和关联的逆变器正常情况下连接到负载，但是，是空闲备用模式，而电网直接供电到负载。当电网故障时，燃料电池快速达到最大输出功率，并且，固态开关切断电网。这里，也是有若干昂贵的部件，包括燃料电池，只在市电电网电源不能解决问题的时间间隔使用。
有时，甚至是在采用电网电源和基于燃料电池的电源、以在正常情况下供电给临界负载的电源系统中，将有这种情况，其中，燃料电池可能由于维修原因等不可用的。如果那种电源系统基于燃料电池的部分只有一个燃料电池，或者，即使有多个燃料电池，那么由于它们集体的不可用或没能力，不可能满足满负载需要，临界负载会面临在上面讨论的关于“只有电网”型的电源系统的功率限制/异常。此外，即使当燃料电池和电网都是可用的，电网可能是电压电涌的来源，为防止它，希望增强对负载的保护。
发明内容
根据本发明，提供了一种相对经济且可靠的电源系统，用于提供基本不间断电源给一个或更多的临界负载。第一电源至少包含一个并且可能是多个燃料电池电源设备，正常情况下提供足够的功率以至少供电给临界负载。第二电源，例如市电电网，也提供足够的功率以供电给临界负载。燃料电池电源设备适于正常情况下基本连续地连接到临界负载，并且正常情况下是基本连续地提供相当大的功率至少给临界负载。高速隔离开关或静态开关操作，以用于快速无缝地连接和断开市电电网到临界负载且到燃料电池电源设备的连接，用于经济连续使用燃料电池电源设备。通过使基本连续操作的燃料电池正常情况下基本连续地连接到负载，并且正常情况下还连接到电网，实现了相当大的节约。这样，正常情况下，燃料电池可连续地发送它们的额定功率，必需的部分到达临界负载，并且，任何剩余功率发送到非临界负载和/或电网。静态开关可以是一个或更多的可控硅整流器(SCR)，或半导体闸流管。固态开关控制操作，在4ms或更少时间内快速切换静态开关，以进行第一和第二电源之间的无缝转换。这种开关速度比用半导体闸流管常规的线路交换获得的速度快的多。另外的控制电子装置提供了和每个燃料电池电源设备相关联的功率调节系统(PCS)逆变器的操作模式中的高速转换(少于大约4ms)。这保证了燃料电池的模式转换(在此之前，正常情况下是缓慢的)是以比得上静态开关的速度进行的，以便提供第一和第二电源的及其之间的基本无缝电源转换。这就允许燃料电池电源设备的连续多产操作。
为进一步保证连续的(即，不间断的)并且均匀的(即，良好调整的)电力供应给临界负载，例如，在燃料电池因维护而暂时禁止的情况下，和/或可能由于短时间的电网偏差(存在于静态开关打开期间)引起的电网瞬变的情况下，提供一个或更多的功率保证措施或装置，至少与电网和燃料电池电源设备中的一个相关联。一种这样的功率保证措施包括电网供电中的线路滤波器，以阻止当静态开关打开时在临界负载出现电压突增。另一种这样的功率保证措施是，通过整流器将电网连接重定向到燃料电池电源设备逆变器，如果特定的燃料电池不能用，这保证了冗余电源的负载，并且，还在电网和负载之间增加了一定的隔离。而另一种这样的功率保证措施是，把储能设备连接到逆变器，以在特定的燃料电池不能用时或在只有燃料电池操作时渡过暂时的电网中断，以便当负载经历暂时超出燃料电池的容量的瞬间增加，并且因此引起电压的暂时下降时，暂时补充燃料电池的功率输出。这些功率保证措施可单个或以各种组合使用，全部使用带来最大的利益。
通过下面对附图中所示的本发明的示范实施例的详细说明，本发明以上的特点和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是一种根据先有技术的不间断电源的简化示意方框图；
图2是一种根据先有技术的采用燃料电池电源设备的不间断电源的简化示意方框图；
图3是根据本发明采用燃料电池电源设备和电网互连以保证不间断的功率给临界负载的电源系统示意方框图；以及
图4是更详细说明静态开关的示意方框图；以及
图5是一张和燃料电池相关联的燃料电池断路器的操作模式状态及整流器操作状态的表格。
具体实施方式
参考附图，图1和图2表示了如先前在背景技术中所述的先有类型的不间断电源系统。
参考图3，部分详细地表示了根据本发明电源系统8的示意方框图。电源系统8连接到市电电网总线10，并且，在现场，采用了一个或更多的燃料电池电源设备18，用于基本连续地供应3相功率到负载接触器(未示出)并经过负载接触器到达负载14，通常也在该现场。为简单起见，这里用“一条线”的图或表示法，来表示3相供电线，以及它们包括的开关等等。电网10、燃料电池电源设备18和负载14通过现场管理系统(SMS)互连和控制，通常由虚线框11或编组11表示。负载14通常包括若干单独的用户负载，其中至少有一些需要基本连续的电力供应，并且因此被视为“临界负载”。临界负载14通常是计算机、采用计算机的控制设备，和/或电子数据处理设备。为了方便说明和看出区别，示意图中传送相对较高的电压/电流/功率到达负载14的部分，和较低电压形成对比，是系统8中加粗的控制部分。
正常情况下，市电电网总线10通过导线或总线15提供480Vac和60Hz的电源，燃料电池电源设备18也是。开关装置，通常在12标明，用于使燃料电池18、负载14和市电电网10互相连接。这样，燃料电池电源设备18是可用的，并且连接用于在全部时间的基础上供应电功率给负载14和/或市电电网10，用于经济使用燃料电池。开关装置12包括高速隔离开关，例如静态开关模块17，用于选择地连接及断开连接市电电网总线10到负载14和到燃料电池电源设备18，这将被描述。静态开关模块17包括三极电操作的静态开关19，额定2000安培并且能够在大约1/4周期(大约4ms)内进行功率的无缝开关转换。开关装置12还包括几个互连或断路器开关21、21A、23、23A和隔离开关25，用于进一步选择地连接及断开连接互相相关的燃料电池电源设备18、负载14、市电电网总线10和静态开关模块17，主要是为了隔离静态开关19用于维护，并且继续提供功率给负载14。第二个目的是，使得大的故障电流流经断路器23A而不是静态开关19，如果这种故障会发生在负载14中。
虽然本发明在具有多个燃料电池电源18的电源系统中也是有用的，并且适用于这样的系统，它的最大相对价值还是在具有单个电源设备的电源系统8中，如本实施例所示。燃料电池电源设备18被连接以提供功率给负载14和/或给市电电网10。在示范实施例中，每个燃料电池电源设备18可以是200kw的UTC燃料电池PC25TMC电源设备，用于提供达200千瓦的功率。除了燃料处理器没有单独示出，燃料电池电源设备18包括，燃料电池装置60和功率调节系统(PCS)62，功率调节系统包含固态逆变器64，它把DC电源转换为想要的电压和频率的AC电源。PCS及通过PCS的控制还允许燃料电池电源设备18的操作模式从G/C转变到G/I，并且反之亦然，这将更详细地描述。当用于G/C模式时，由PCS 62控制的变量是提供的功率(有功的和无功的)。当用于G/I模式时，受控的变量是输出电压和频率，并且，如果涉及多个电源设备18，则还有相位。可控电路断路器80连接到逆变器64的输出，并且当燃料电池60操作时是常闭的，以提供从各自的电源设备18输出的功率。燃料电池电源设备18的输出连接到总线15，总线15经过三角-星型变换器27和总线15’连接到开关装置12。变换器27为负载14提供单独引出的中性/地系统，并且还提供了燃料电池PCS和负载14和/或市电电网总线10之间的隔离。
现场监控(SSC)29为系统8提供了操作员接口，并且，可负责系统的控制，通常在上层。SSC 29允许操作员发布上层命令，例如“开始”、“停止”，等等。SSC 29可包括一个或更多的可编程逻辑控制器、数据处理器、计算机、传感器等等，以实现对系统8各种组件和功能的控制。操作员控制台32为SSC 29提供了一种显示和输入的能力。SSC 29还可提供对开关装置12的一些系统控制，如通过链路52，对那个开关装置的主要的本地控制通过静态开关19自动发生。此外，根据本发明，如果任何/上述燃料电池60对于发电和各自的电源设备18的电路断路器80的控制是不可用的，SSC 29可作为控制媒介用于控制静态开关19，这将被描述。
还提供了现场管理控制(SMC)31，用于提供对燃料电池电源设备18的PCS 62的直接控制，作为对静态开关模块17和下面所述的电网电压参考信号10’的响应。SMC 31还可由计算机和相关联的传感器以及控制电子线路组成。SMC 31可被看作和被认为是SMS 11包括的部分。控制总线33交换SMC 31和燃料电池电源设备18的PCS62之间的控制信号。控制信号还通过控制总线35在SSC 29和燃料电池电源设备18中的燃料电池60以及包括电路断路器80的PCS 62之间交换。控制信号通过控制总线40在SMC 31和静态开关模块17之间交换。电压或电势变换器37检测480Vac的电网电压并且通过总线10’传送下降的120Vac值到SMC 31和静态开关模块17，以提供指示电网电压、相位和频率的控制信号。变换器37所示的位置和数量主要是象征的，并且，应该理解，这种变换器可以，可选地，被结合成为提供控制信号的控制电路或模块的一部分。电流变换器41检测连到负载14的电源总线路径39中的负载电流，并通过总线43把该值传送到静态开关模块17。相似地，电流变换器42检测电网电流，并通过总线44把该值传送到静态开关模块17，并且，电压变换器46检测负载电压，并通过总线48把它发送到静态开关模块17。
为进一步考虑开关装置12，附加参考图4，来自燃料电池电源设备18的电源总线15’通过断路器21连接到静态开关19的一极。电源总线路径39从静态开关19的上述一极经过常闭隔离开关25延伸至负载14。市电电网电源总线10经过断路器23延伸至静态开关19的另一极。断路器开关21和23在正常操作期间确定为闭合的，这样来自燃料电池电源设备18和/或市电电网10的功率可供应到负载14，假定静态开关19是闭合的。相似地，假定由燃料电池电源设备18发送到临界负载14的功率低于电池全部的功率输出，燃料电池功率电源设备18超出的功率可经过静态开关19传送到市电电网，或至少到位于静态开关19的电网一侧的用户非临界负载(未示出)。实际上，这是优选的经济的操作模式，因为它使得燃料电池电源设备18的使用最大化，并且，使得对电网10功率的需要和花费最小化。旁路断路器开关21A，从电源总线15’连接到在负载14和隔离
开关25之间的电源总线路径39，并且正常情况下是打开的，当闭合时，为了维护或隔离，提供断路器开关21的旁路。相似地，旁路断路器开关23A，从市电电网总线10连接到在负载14和隔离开关25之间的电源总线路径39，并且正常情况下是打开的，当闭合时，如果静态开关失效，或在维护期间，或在负载故障大到足够超出静态开关的额定值期间，提供断路器开关23和静态开关19的旁路，以供应电网功率给负载14。断路器21、23和23A是电操作的，并且是由静态开关19自动控制，以进行在5个或6个周期，例如，大约80-100ms内的转换。断路器开关21A和隔离开关25是手动的。开关21、23和23A还能由SSC 29手动控制。21、21A、23、23A和25中的每个开关额定2000安培，并且，电路断路器有故障中断额定值：65kaic。开关装置12和SSC 29之间的通常通信链路52用作，为静态开关19和几个断路器21、23、23A等等传送其间适当的状态信号和手动控制信号。和静态开关模块17相关联的控制逻辑49，并且具体地，开关装置控制逻辑部分49B，用作控制这几个断路器和开关21、21A、23和23A，如延伸到它们的虚线控制路径21’、21A’、23’和23A’所示。控制逻辑49通常包含高速逻辑部分49A，用于快速控制静态开关19，和相对较低速度的部分49B，用于控制开关装置12的剩余部分。
仍然进一步参考图4，静态开关模块17被更详细的表示出来。虽然，静态开关19实际上是三对SCR(半导体闸流管)，每对以并联对置连接，用于如果各自的控制栅极19G是使能的，在任一方向都能导通，那些SCR中只有一个表示在该视图中。这三对SCR各自用于三相电源的每一相。正常情况下，控制栅极19G共同连接且一致受控。市电电网总线10上的功率和/或燃料电池总线15/15’上的功率可以，当控制栅极19G使能时，流经SCR的19，因此，允许任一源向负载14提供功率，并且，允许燃料电池电源设备18还提供超出的功率给电网10。
正常的模式是G/C，其中，市电电网10和燃料电池18是连接的。模块17包括电子线路45，用于检测来自市电电网总线10的功率何时超过界限。通常，这些界限包括关于标准值或额定值的电压和电流范围，并且，检测电子线路45提供导线47上的信号到控制逻辑49，并且具体地，静态开关控制逻辑49A，以指出电网何时在那些界限外。检测或检测电子线路45是快速作用的，在大约2ms之内提供响应。虽然没有示出，单独的快速作用频率检测器可监视电网频率，并且提供“在界限内”或“在界限外”信号给静态开关控制逻辑49A。“在界限外”电网信号值包括，例如：a)瞬间的电网电压幅度，在任何相位，在480V-15％到480V+8％的范围的外面；b)瞬间的过电流，在任何相，大于2000安培；c)偏离额定值60Hz的频率偏差大于0.5秒；以及其它。控制逻辑49A作用，对电网到达界限之外响应，以提供信号给SCR栅极19G，使它们失效。SCR的19将快速停止整流，因此断开市电电网总线10与负载14的直接连接，但是，根据本发明，可维护与燃料电池电源设备18的PCS 62交替的首选的连接，这将被说明。电流传感器42’检测经过SCR的电流，并且，向控制逻辑49A提供经过SCR的电流为零的事件指示。该信息由逻辑49A利用，以使得SCR整流进行得更快。该全部动作通常在大约1/4周期(4ms)之内发生，因此为电网10和燃料电池电源设备18一起或仅有燃料电池电源设备18直接连接到负载14的电源的无缝转换提供了便利，燃料电池电源设备快速地重新配置。这比8ms快的多，或者对利用常规的线路整流整流SCR更是必需的。检测电子线路45使得，当超出界限的电网情况被检测时，静态开关19快速打开，并且，当确定电网电源返回到可接受的界限之内时，快速地使它重新导电。
控制逻辑49B还使用电压和电流传感器37、41、42和46，在各种电网、负载和燃料电池超出界限或故障的情况下，来操作开关装置设备21、23和23A。例如，如果负载过电流情况存在，这样静态开关19的电流额定值可能被超过，开关23A闭合以传导故障电流到负载14，绕过静态开关。作为另外的例子，燃料电池故障可通过观察低负载电压和可能是高电网电流但没有负载过电流，来间接检测。在这种情况下，开关21打开，以使负载14不受燃料电池故障的影响。控制逻辑49A还提供某些模式信号，作为控制信号总线40的一部分。为了从SSC 29手动控制，G/I状态信号由控制逻辑49在导线403上提供，并且，SW 19使能信号在导线404上接收。导线403和404的信号可通过通信链路52传递。
在需要更详细地描述通过SMC 31在PCS 62中进行的模式控制这方面来说，可参考已经许可的U.S.专利申请序列号09/782,402，题为用于提供保证的功率给临界负载的系统。那个申请(序列No.09/78,402)是本申请的“根源”，被指定给本应用的受让人，并且通过引用结合在此，达到和它相一致的程度。出于本发明的目的，只要说，控制包括静态开关19的开关装置12和PCS 62，以提供电网10快速的从它通过静态开关19与临界负载14的直接连接断开，并且在电网电力质量发生不可接受的改变的情况下，燃料电池电源设备18的工作模式从G/C到G/I快速改变，这就够了。正常情况下，燃料电池电源设备18将连续操作，并且连接到临界负载14，并且模式转变足够快，以至于因为电网损耗引起的任何功率中断少于约8ms，大约是4ms，这样，给临界负载14的功率是基本不间断的。
正常的操作预期电网10和电源设备18的燃料电池60满意的操作，以至少提供功率给临界负载14，并且还可能由燃料电池电源设备给电网，并且用于燃料电池电源设备在电网偏差时无缝地提供功率给负载14。但是，有时，对于燃料电池60，由于维护等，离线是或可能是必需的。已经确定，单独的燃料电池60的全部发电利用率通常是约97％，但是，那表明燃料电池60在一些短暂的时间间隔不可用的潜在可能性。如果其它燃料电池和/或电网10足够满足负载14的需要，这可能不是严重的问题。但是，在任何另外的燃料电池60的容量不足以满足临界负载14需要的情况下，尤其是在电源系统8中只有一个燃料电池电源设备18的时候的情况，本发明为保证均匀连续的功率给负载14而提供。在本发明的一个或更多方面，这种均匀连续的功率保证还延伸到某些电网瞬变的情况，不管燃料电池60是否操作，并且，甚至可延伸到当燃料电池60操作时给负载14的功率的某些显著的瞬时增加，尤其是在燃料电池60的电源容量被超出的情况下，这对于单一的燃料电池和/或有限容量的燃料电池阵列可能发生。
回到图3，并且，根据本发明的一个方面，线路滤波器65在电源系统8中连接在电网10的输入。实际上，线路滤波器65是3个滤波器，三相系统中的三条线路中每条线路一个。线路滤波器65具有电感值，足够削弱瞬变或电压尖峰，那可能当静态开关在短时间(即，子周期)的电网偏差期间打开的同时发生。这样，这种瞬变在它们应用到通常是电子线路尤其是负载14之前被削弱。线路滤波器最好有足够的电感容量，以容纳最可能的电涌范围。因此，线路滤波器65作为缓冲器，以保护用户负载14不受瞬变的影响，该瞬变可能在电网10上发生，不管燃料电池60是否正常操作。
根据本发明的另一方面，在诸如关联的燃料电池60可能不能用的时间间隔，电网10通过和燃料电池电源设备18中的PCS 62相关联的逆变器64，提供功率给负载14。电网10的支路10”，通过诸如在PCS 62中的功率整流器66的单向导电设备，延伸到燃料电池电源设备18的PCS 62的逆变器64。电网支路10”先于静态开关19连接到电网10，最好在线路滤波器65(如果存在)与静态开关19之间，以获得滤波器65的优点。常闭安全开关68，可能是手动的，和整流器66串联连接，以在整流器正被维护时隔离那条支路。相应地，燃料电池60的D.C.输出通过另一个诸如功率整流器70的单向导电设备连接到逆变器64。相似地，常闭安全开关72，可能是手动的，和整流器70串联连接，以在整流器70、燃料电池60和/或整流器66被维护时隔离那条支路。
逆变器64是DC到AC功率转换器，并且，在正常的燃料电池操作下，来自燃料电池60的DC电源直接流经整流器70到达逆变器64，在那里，它被转化，以通过电路断路器80提供AC电源到总线15，并且最终到达负载14。在燃料电池60可用的正常操作期间，来自电网10、10”的AC电源被整流器66整流，并且在逆变器64的输入作为DC电源可得，以补充来自燃料电池60的功率。因为燃料电池60和电网10、10”是，或可能是，作为输入有效并行地连接到逆变器64的输入，两个整流器70和66的出现，用作阻止从一个电源到另一个电源的“反馈”路径或“潜”通路。
但是，通过从电网10、10”经过燃料电池电源设备18的逆变器64传送功率到达负载，在燃料电池60因为维护“停机”并且不可用的时间间隔，上述的方案在保证良好调整的功率的连续传送是有用的。此外，这种从电网10、10”通过整流器66和逆变器64提供功率给负载14的模式，用作提供电网电压从AC到DC并且然后回到AC电源的双转换，这在电网10和负载之间提供了附加隔离度。在燃料电池60不能用的这种时候，静态开关模块17的逻辑使得静态开关19打开。这由SSC29通过链路35监视燃料电池60的状态完成，以确定它是否产生额定功率，如果不是，通过线路52提供信号给静态开关控制逻辑49，指示静态开关19到“打开”，或变为“关掉”。这终止了电网10到负载14的直接连接，但是，现在，通过线路10”穿越整流器66和逆变器64的新的电网功率路径，通过总线15提供良好调整的AC电源给负载14。静态开关19的速度和从电网10经过整流器66和逆变器64连接的存在保证了用于为负载14提供功率的电源的无缝转换，并且，在此过程中，提供了双转换系统隔离的好处。
重要地，虽然电路断路80在此打开，以当燃料电池60不操作时从总线15上断开电源设备18，根据本发明，如果燃料电池60不操作但是逆变器64通过支路10”和整流器66连接到电网10，保证那个电路断路器80保持闭合是现在必需的。电路断路器80的这种确定和控制，由SSC 29通过它与燃料电池60和PCS 62的连接35进行，并且，可涉及与此相关联的传感器和/或逻辑。虽然这种传感器和实现电子线路未详细示出，参考图5的模式状态表格将理解，燃料电池60、整流器66甚至逆变器64操作状态的“开/关”确定，由适当的传感器进行，并且，然后，SSC 29中的逻辑提供适当的命令信号给断路器80，以提供适当的断路器状态。该例行程序的例外是这种情况，其中，逆变器64可能经历故障，这种情况下它的故障检测器对打开断路器80直接有效。在这后一种情况下，任何从SSC 29到断路器80的命令都是无效的或“无意义的”，并且，在表格中被标记为“无关的”。
根据本发明的另一个方面，燃料电池电源设备18，最好和其PCS62，包括储能设备74，这里表示为电容器75，操作上连接到逆变器64。储能设备74提供现成的存储电能的供应，用于“渡过”或“平滑”可能发生的任何短暂的中断或瞬变，要么在燃料电池60不能用时的电网供电10、10”中，要么当只有燃料电池60操作时，在瞬间的负载增加期间，该瞬间的负载增加使得功率需求瞬间增加和伴随的由燃料电池60提供给逆变器64的电压下降。在每种情况下，在逆变器64的输入，低于可接受的电平或阈值的DC电压的下降，将导致储能设备74释放一些它的能量以渡过电压衰减。应该理解，储能设备74可采用除了电容器75的形式，例如电池等。电容器75有这样的优点，它相对便宜，并且，通过它到分别来自燃料电池60和电网10”的整流器70和66的节点的连接，像电池一样，被充电(和被维护)。
本发明以上三个方面的每一方面，对持续地从基于组合的燃料电池和常规电力电网源提供连续且均匀的电功率流到达临界负载，是各自有利的，尤其是在燃料电池不能用的短暂的时间间隔。相应地，通过包括那些描述的方面的组合、或最好是全部，增加那些好处。
虽然本发明已经关于其示范实施例进行了描述和说明，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和保护范围的前提下，可以做出前面的和各种其它的改变、省略和增加。例如，组合的电源系统中进一步的可靠性，可通过如下方法获得，例如系统零件的冗余，以及为保证足够可用的满意的燃料用于燃料电池和同类设备的燃料资源管理。

Claims (11)

1. 一种电源系统(8)，用于提供不间断AC电功率给临界负载(14)，包含：
第一电源，包含至少一个燃料电池电源设备(18)，所述第一电源正常情况下提供功率以供电给所述临界负载(14)，并且正常情况下连续地连接并且提供功率给所述临界负载(14)；
第二电源(10)，正常情况下提供功率，以供电给所述临界负载(14)；
高速隔离开关装置(19)，用于选择地连接及断开连接所述第二电源(10)到所述第一电源和到所述临界负载(14)；
所述至少一个燃料电池电源设备(18)包含燃料电池(60)和含有逆变器(64)的功率调节系统(62)，所述燃料电池(60)正常情况下是连接的，以供应DC电源给所述逆变器(64)用于转换成AC电源，以供电给所述临界负载(14)；以及
功率保证装置，连接到所述第一电源和第二电源(10)中至少一个，用于增强对所述临界负载(14)的稳定和连续AC电源供应。
2. 如权利要求1所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置连接到所述燃料电池电源设备(18)的功率调节系统(62)的逆变器(64)，以提供稳定和连续的电源供应给所述临界负载(14)。
3. 如权利要求1所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置至少包含电涌抑制装置(65)，用于削弱所述第二电源(10)在传送功率到所述负载(14)过程中的瞬变电涌。
4. 如权利要求2所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置至少包含电涌抑制装置(65)，用于削弱所述第二电源(10)在传送功率到所述负载(14)过程中的瞬变电涌。
5. 如权利要求4所述的电源系统(8)，其中，所述电涌抑制装置(65)包含和所述第二电源(10)串联连接的线路滤波器，以缓冲所述负载(14)，防备所述第二电源(10)中的电涌。
6. 如权利要求2所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置至少包含二次转换功率连接装置(10”、66、64、70)，连接在所述第二电源(10)和所述负载(14)之间，以保证从所述第二电源(10)到所述负载(14)的功率传送，
其中，所述二次转换功率连接装置(10”、66、64、70)包含第一整流器(66)，从所述第二电源(10)串联连接到所述逆变器(64)，用于从所述第二电源(10)提供二次转换的功率给所述负载(14)。
7. 如权利要求6所述的电源系统(8)，其中，所述二次转换功率连接装置(10”、66、64、70)还包括第二整流器(70)，所述第二整流器与所述燃料电池(60)串联并且与所述第一整流器(66)和第二电源(10)并联连接，以阻止所述第二电源(10)和所述第一电源的燃料电池(60)之间的功率反馈。
8. 如权利要求2所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置至少包含储能装置(74)，所述储能装置被连接成在至少从所述第二电源(10)给所述逆变器(64)的电压下降期间、在暂时的时间间隔向所述逆变器(64)提供电能。
9. 如权利要求6所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置至少包含储能装置(74)，被连接成在从所述第二电源(10)和所述第一电源的所述燃料电池(60)给所述逆变器(64)的电压下降期间、在暂时的时间间隔向所述逆变器(64)提供电能。
10. 如权利要求9所述的电源系统(8)，其中，所述储能装置(74)包含电容器(75)，所述电容器的一端连接到所述逆变器(64)并经由第一整流器(66)连接到所述第二电源(10)，所述电容器的另一端连接到地。
11. 如权利要求6所述的电源系统(8)，其中，所述功率保证装置还包括：电容器(75)，所述电容器的一端连接到所述逆变器(64)并经由第一整流器(66)连接到所述第二电源(10)，所述电容器的另一端连接到地，以提供第三电源(74)，用于暂时提供电能给所述逆变器(64)和所述负载(14)；以及线路滤波器(65)，和所述第二电源(10)串联连接，以抑制和削弱在所述第二电源中的瞬变电涌，从而保护所述负载(14)。
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