風電制氫-燃料電池微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的設(shè)計

張建良， 吳 越， 齊冬蓮

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

風電制氫-燃料電池微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的設(shè)計

張建良， 吳 越， 齊冬蓮

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

針對間歇性、波動性風能的高效綜合利用，開發(fā)了一種全新的風電制氫耦合燃料電池微網(wǎng)實驗系統(tǒng)?；赑LC設(shè)計了電解制氫系統(tǒng)的整流器控制、溫度控制、壓力控制和液位控制等控制器的協(xié)調(diào)和優(yōu)化；通過PLC采集儲氫瓶的壓力和溫度信息，實現(xiàn)壓縮儲氫系統(tǒng)充氣和供氣兩種過程的控制；通過對DC/AC逆變器目標功率的控制，實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)輸出功率的調(diào)節(jié)。設(shè)計了微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行控制技術(shù)，實現(xiàn)了風電制儲氫系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的獨立運行，以及微網(wǎng)全系統(tǒng)運行3種運行模式。應(yīng)用實踐表明，該微網(wǎng)實驗平臺不僅保證各個子系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，而且根據(jù)具體運行條件實現(xiàn)運行模式之間的協(xié)調(diào)及切換，達到對棄風風電綜合利用的目的。

風電制氫系統(tǒng)； 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)； 微網(wǎng)； 協(xié)同控制

0 引 言

近年來，積極開發(fā)利用以風能、氫能等為代表的清潔能源已成為我國能源發(fā)展的重要方面，這對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和保障國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。包含風、氫、燃料電池等清潔能源的微網(wǎng)系統(tǒng)研究，為各種能源的優(yōu)化整合和高效利用提供了技術(shù)保證和實現(xiàn)基礎(chǔ)。在微網(wǎng)理論研究及工程實踐方面，國內(nèi)外科研機構(gòu)開展了一系列的探索研究[1-5]。

本文針對因風能的間歇性、波動性以及輸電容量限制等因素導(dǎo)致的大規(guī)模棄風問題[3-5]，通過開發(fā)風電制氫-燃料電池微網(wǎng)實驗系統(tǒng)平臺，對風機發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫系統(tǒng)、壓縮儲氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和可變負荷系統(tǒng)的運行特性和控制機理進行了研究[6-9]，提出了風電制氫耦合燃料電池微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，根據(jù)環(huán)境條件和系統(tǒng)實際工況，實現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)在多種運行模式下的柔性可靠運行[10-11]。

通過構(gòu)建風電制氫-燃料電池微網(wǎng)實驗系統(tǒng)，不但可以為電氣工程類專業(yè)學(xué)生提供一個在分布式發(fā)電、微網(wǎng)等前沿技術(shù)開展探索性實驗的平臺，同時為電氣類工程師的培養(yǎng)提供了工程實訓(xùn)的可能性[12-16]。

1 微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的組成

風電制氫-燃料電池微網(wǎng)系統(tǒng)由風力發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫系統(tǒng)、壓縮儲氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、可變負荷系統(tǒng)以及相關(guān)的協(xié)調(diào)控制單元組成。整個微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1所示，可以看到，該微網(wǎng)系統(tǒng)是一個包括控制流、電力流和氫氣流在內(nèi)的典型非線性復(fù)雜信息處理系統(tǒng)。微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計目標和運行規(guī)則為：通過風電場調(diào)度系統(tǒng)控制所有風機出力大小及是否停機，并通過通信網(wǎng)絡(luò)與中央?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換和邏輯判斷，確認棄風量大小及是否可以開始制備和存儲氫氣；根據(jù)風電并網(wǎng)的容量和質(zhì)量，以及本地負荷的實際需求和儲氫系統(tǒng)的運行狀況等，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)決定燃料電池系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的工序協(xié)作。

圖1 微網(wǎng)實驗系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.1 電解制氫系統(tǒng)

電解制氫系統(tǒng)是整個微網(wǎng)系統(tǒng)中的核心部分，制氫系統(tǒng)的控制是實現(xiàn)本微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的必要前提之一[6-9]。考慮到風能的波動性以及儲氫系統(tǒng)的運行狀態(tài)，制氫系統(tǒng)面臨著在變化的運行工況環(huán)境下，對包括整流器控制、溫度控制、壓力控制和液位控制在內(nèi)的多個控制器的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。電解制氫系統(tǒng)變工況控制主要基于PLC程序?qū)崿F(xiàn)，控制框圖如圖2所示。系統(tǒng)運行流程為：

圖2 制氫系統(tǒng)變工況運行控制簡圖

(1)輸入端高壓電經(jīng)變壓器和整流柜整定出供電解槽電解的直流電，然而，由于風電的波動性帶來輸入電壓、電流的變化，為了實現(xiàn)制氫系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運行，保證制氫的連續(xù)性和質(zhì)量保證，需要通過控制柜控制整流柜輸出電壓，實現(xiàn)制氫系統(tǒng)運行功率在0%～100%可調(diào)。

(2)電解槽出口產(chǎn)生的氫氣堿液混合物和氧氣堿液混合物進入氣液處理器中，在分離器中進行分離后，堿液經(jīng)過濾后回流至電解槽，氫氣氧氣分別經(jīng)分離洗滌后含堿量≤1 mg/m3，含水量≤4 g/m3，其中氫氣純度達到99.8%，氧氣純度達到99.2%，可直接儲存或進入氣體純化系統(tǒng)。電解槽為PEM型壓濾式雙極性結(jié)構(gòu)，是制氫裝置中的核心設(shè)備，工作壓力可達3.2 MPa，實驗系統(tǒng)所用的電解槽如圖3所示。

圖3 電解槽原理圖(左)與實物圖(右)

(3)氫氣純化系統(tǒng)能夠去除氫氣中的氧氣和水分雜質(zhì)(氧氣純化系統(tǒng)去除氧氣中的氫氣和水分雜質(zhì))，以滿足對氫氣(氧氣)純度和含水量的較高要求。純化后，氣體露點≤-70 ℃，氫氣含氧量≤1×10-6，氧氣含氫量≤5×10-6。純化后的氫氣(氧氣)可直接進入儲罐進行儲存。

(4)水堿補給系統(tǒng)為水電解制氫的配套附屬設(shè)備，包括水箱、堿箱、加水泵及配套閥門等，用于電解槽堿液配制以及設(shè)備運行時的純水補給和堿液補給。

(5)閉式循環(huán)水設(shè)備為水電解制氫系統(tǒng)的常用配套設(shè)備，包括水箱、循環(huán)泵、板式換熱器等裝置。通過利用外部的工業(yè)冷卻水給內(nèi)部冷卻水降溫，為運行系統(tǒng)提供水質(zhì)穩(wěn)定的閉式循環(huán)冷卻水，有助于提高水電解設(shè)備電解溫度的穩(wěn)定性及冷卻水管道及換熱器的使用壽命。

1.2 壓縮儲氫系統(tǒng)

壓縮儲氫系統(tǒng)包含緩沖罐、壓縮機、儲氫瓶組以及氫氣管道等配套設(shè)施。制氫系統(tǒng)中純化后的氫氣首先經(jīng)過緩沖罐緩沖，然后通過壓縮機高壓壓縮后，以高壓方式存儲于儲氫瓶組內(nèi)，既可以為工業(yè)或民用場合提供氫氣，也可以供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運行。儲氫瓶組含12個容積為128 L鋼瓶，單個儲罐存儲壓力可達3.5 MPa，存儲溫度要求不超過85 ℃。壓縮儲氫系統(tǒng)的控制包括兩部分：

(1) 充氣過程控制策略。

①P1是緩沖瓶的壓力傳感器。當p1達到某一設(shè)定范圍值時，PLC程序控制接通壓縮機供電電源，壓縮機啟動工作(p1≥2.0 MPa，啟動；p1<2.0 MPa，停機)。

②P2是高壓儲氫瓶組的高壓壓力傳感器。當p2達到某一設(shè)定范圍值時，PLC程序控制中斷壓縮機供電電源，壓縮機停止工作(p2≥34 MPa，壓縮機、儲氫瓶均停止；反之，啟動)。

③T1是高壓儲氫瓶組內(nèi)的溫度傳感器，當t1高于某一設(shè)定范圍值時，PLC程序控制中斷壓縮機供電電源，壓縮機停止工作(t1≥85℃，停止)。

④HL是儲供系統(tǒng)中的氫氣泄漏傳感器。當氫氣濃度高于某一設(shè)定值時，系統(tǒng)報警，并需要壓縮機停止工作，高壓儲氫瓶組主電磁閥關(guān)閉(HL≥1 000×10-6，停止)。

(2) 供氣過程(燃料電池發(fā)電)控制策略。

①燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動時，首先要給高壓儲氫系統(tǒng)發(fā)送信號，12 V主電磁閥供電，打開瓶閥。此時壓縮機一直處于停機狀態(tài)。

②P3是高壓儲氫瓶組的一級減壓器后的低壓壓力傳感器，當p3高于最大設(shè)定值時(減壓器故障)，PLC程序控制中斷高壓儲氫系統(tǒng)主電磁閥供電電源，停止供氣，進行檢修(p3≥2.5 MPa，停止)。

上述壓縮儲氫系統(tǒng)儲、供氫過程控制如圖4所示。

圖4 壓縮儲氫系統(tǒng)儲供氫控制示意圖

1.3 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)采用30 kW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，具有工作溫度低、啟動速度較快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，具體包括輔助系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和主機系統(tǒng)3部分，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燃料電池額定輸出功率為30 kW；電壓輸出范圍300～550 V；額定工況下的效率不低于40%；室溫下可在6 s內(nèi)完成啟動；工作環(huán)境溫度2～40 ℃；環(huán)境相對濕度10%～90%；空氣質(zhì)量不低于三級污染水平；工作地點海拔高度不高于1 km；氫氣中CO濃度不高于10×10-6，H2S濃度不高于0.1×10-6。

試驗中，燃料電池系統(tǒng)的控制過程為：在收到控制系統(tǒng)的開機命令后，燃料電池輔件系統(tǒng)在外供電直流24 V和交流380 V的支持下，啟動并自檢；自檢成功后，反饋燃料電池系統(tǒng)的最大輸出能力和最大加載能力；控制系統(tǒng)通過對DC/AC逆變器目標功率的控制，控制燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。

燃料電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的交互信號包括：①系統(tǒng)的狀態(tài)標志位：啟動、自檢、停機等；②燃料電池系統(tǒng)正常工作與否的表征參數(shù)，燃料電池系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通訊正常與否的表征參數(shù)；③系統(tǒng)最大輸出能力和最大加載能力；④系統(tǒng)目標功率值(通過控制逆變器DC/AC系統(tǒng)的輸出功率間接實現(xiàn))；⑤系統(tǒng)故障代碼等。

2 微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的運行模式

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和運行工況要求，建立微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的三種運行模式，如圖6所示，藍色虛線框內(nèi)為模式1；紅色虛線框內(nèi)為模式2；黑色虛線框內(nèi)為模式3。

(1)模式1(風電制儲氫模式)。系統(tǒng)主要工作模式。該模式的目的是當電網(wǎng)無法消納過多風電時，將剩余風電轉(zhuǎn)換為氫氣存儲；該模式必須保證風電質(zhì)量既能滿足并網(wǎng)要求，也能滿足電解池運行要求；該模式以電解池的運行為依據(jù)，輸入的功率不能超過其額定功率。

(2)模式2(燃料電池獨立運行模式)。氫能發(fā)電利用模式。當負荷需要供電或風電場輸出電能質(zhì)量無法滿足調(diào)度要求時，啟動燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，將儲氫系統(tǒng)的氫能轉(zhuǎn)化為電能，供給微網(wǎng)內(nèi)負荷或饋入電網(wǎng)。

(3)模式3(全系統(tǒng)運行模式)。風電系統(tǒng)同時向電解池和電網(wǎng)供電，同時燃料電池向電網(wǎng)輸出高質(zhì)量電能。當風電質(zhì)量較差或調(diào)度要求棄風時，啟動制氫和儲氫系統(tǒng)，該模式的目的是將質(zhì)量較差的風電轉(zhuǎn)換為氫氣存儲，然后利用燃料電池將存儲的氫氣轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能饋送至電網(wǎng)。

圖6 微網(wǎng)實驗系統(tǒng)運行模式圖

3 微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

將上述三種模式下的微網(wǎng)綜合控制策略以流程簡圖形式給出，如圖7所示。分割線上下分別為模式1、2，全圖即模式3控制邏輯。圖中T為儲氫裝置內(nèi)部溫度，p1為壓縮儲氫單元內(nèi)部緩沖罐壓力，p2為儲氫裝置內(nèi)部壓力。

該控制邏輯流程綜合了時序控制與條件控制，充分考慮了前文所述各子系統(tǒng)的工程特性及運作原理與流程，滿足了各子系統(tǒng)運行所需要的相互制約，避免了子系統(tǒng)間有可能出現(xiàn)的相互影響。結(jié)合本地控制層控制策略可以完整地實現(xiàn)微網(wǎng)的整體控制，保證微網(wǎng)在各種工況下穩(wěn)定、安全、高效運行。

4 微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的應(yīng)用研究及成果

構(gòu)建風電制氫-燃料電池微電網(wǎng)實驗平臺，進行多種清潔能源耦合條件下的系統(tǒng)控制技術(shù)和試驗研究，不但可以給電氣專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)分布式發(fā)電控制策略和微電網(wǎng)運行控制技術(shù)等智能電網(wǎng)新技術(shù)提供平臺支撐，而且試驗平臺的運行經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，可以更好服務(wù)電氣學(xué)院師生的科研活動。以此平臺為基礎(chǔ)，為電氣學(xué)院在新能源發(fā)電、微網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域的科研項目申請和工程實施方面，提供了理論儲備及實驗室實踐經(jīng)驗。

4.1 實驗教學(xué)應(yīng)用

考慮到電氣學(xué)院專業(yè)設(shè)置背景和社會需求，在電氣大類本科生培養(yǎng)中，尤其是電氣工程專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)過程中，非常有必要開展分布式發(fā)電和微網(wǎng)技術(shù)相關(guān)實驗課程。依托于該微網(wǎng)實驗平臺的建成和應(yīng)用，不但可以將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和分布式發(fā)電方面的數(shù)值仿真實驗進行改進和提升，從而開展更加接近實際工程背景的實物仿真和半實物仿真實驗；而且有利于根據(jù)不同的專業(yè)、年級、知識水平和接受興趣，開展有針對性的微網(wǎng)和新能源領(lǐng)域的實驗項目：針對低年級電氣類專業(yè)本科生，開展一些新能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)性實驗設(shè)計，比如風力發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)展示實驗、風機控制系統(tǒng)實驗、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗等；針對高年級本科生，開展相應(yīng)的分布式發(fā)電原理性實驗，比如風力發(fā)電系統(tǒng)運行實驗、電解制氫系統(tǒng)運行控制實驗及燃料電池系統(tǒng)運行原理等；針對學(xué)有余力的大四學(xué)生和微網(wǎng)研究領(lǐng)域的電氣工程專業(yè)研究生，以組織興趣實驗小組的形式，實行教師指導(dǎo)下的高年級學(xué)長負責制，開展一系列探究性和創(chuàng)新性實驗，比如風能-氫能耦合系統(tǒng)運行實驗、風-氫-燃料電池系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制實驗，以及智能微電網(wǎng)優(yōu)化運行實驗等。

圖7 微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制邏輯流程圖

4.2 科研輔助

我校擁有電氣工程國家重點一級學(xué)科，先后被列入國家“211”和“985”工程重點建設(shè)項目。在電力系統(tǒng)分析與控制、新能源開發(fā)利用領(lǐng)域研究歷史悠久，研發(fā)實力雄厚。同時在多項國家科技支撐計劃、863計劃、國家自然科學(xué)基金、省部級重大項目等支持下，對新能源開發(fā)利用和微電網(wǎng)等實驗平臺的建設(shè)進行了理論到實踐的深入研究，這些研究成果為該實驗平臺的建立提供了技術(shù)支持和實踐經(jīng)驗。

同時，實驗平臺的建設(shè)也促進了學(xué)院在微網(wǎng)和新能源領(lǐng)域的科研實踐活動，尤其是科研項目的申請和工程實施。比如，該實驗平臺有力支撐了學(xué)院相關(guān)科研團隊承擔國家十二五“863”項目“風電耦合制儲氫燃料電池發(fā)電柔性微網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)及示范(2014AA052501)”“以可再生能源為主的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2015AA0501374)等國家級項目，基于微網(wǎng)實驗系統(tǒng)的建設(shè)和運行經(jīng)驗，成功研制一套基于風電耦合制儲氫及燃料電池發(fā)電的柔性微網(wǎng)示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)風機裝機容量≥0.5 MW，產(chǎn)氫量≥20 m3/h，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)≥30 kW，儲氫容量≥400 m3，儲氫壓力可達35 MPa，在棄風現(xiàn)象嚴重的張北地區(qū)代表性風電場累計示范運行時間≥500 h，系統(tǒng)消納棄風比例≥85%，本微網(wǎng)實驗系統(tǒng)為相關(guān)項目申請和實施階段的順利開展提供了可靠保障。

該實驗平臺不但孵育了多項科研項目，而且收獲了豐碩的科研成果，尤其是在新能源微網(wǎng)相關(guān)研究領(lǐng)域，學(xué)院科研團隊近年來承擔包括國家973、863計劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省科技計劃重大項目等省部級以上項目52項，獲得國家級科技獎勵3項、省級科技獎勵11項，發(fā)表相關(guān)SCI和EI收錄論文535篇，研究成果在國內(nèi)外重要期刊獲得發(fā)表。

5 結(jié) 語

風電制氫-燃料電池微網(wǎng)實驗系統(tǒng)平臺的開發(fā)拓展了風電與氫能的互補利用新途徑，突破大規(guī)模風電并網(wǎng)瓶頸，為風能資源的有效利用提供技術(shù)參考和相應(yīng)工程示范。該實驗系統(tǒng)的構(gòu)建，為電氣工程類專業(yè)學(xué)生提供了一個在分布式發(fā)電、微網(wǎng)等領(lǐng)域開展各種探索性實驗的平臺，為電氣類工程師的培養(yǎng)提供了工程實訓(xùn)的可能性。同時，該實驗平臺的開發(fā)和應(yīng)用，為學(xué)院科研人員在開展新能源和微網(wǎng)科研實驗方面，以及申請和完成新能源領(lǐng)域省部級和國家級科研項目，提供了有力的技術(shù)支撐和理論儲備。

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·名人名言·

知識是一座寶庫,而實踐則是開啟寶庫的鑰匙。

——托馬斯·富勒

Design of Wind Power Hydrogen Coupled with Fuel Cell Microgrid Experimental System

ZHANGJian-liang,WUYue,QIDong-lian

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In order to implement efficient utilization of intermittent and variable wind energy, a new wind power hydrogen coupled with fuel cell microgrid experimental system is designed. Specifically, by using PLC the design and optimization of multiple controllers for rectifier, temperature, pressure and level in electrolytic hydrogen production system are completed. Also the pressure and temperature information of hydrogen storage bottles, compressing process control and hydrogen supplying process control are provided based on PLC. And the DC/AC inverter power control is implemented to control the output power of the fuel cell system. Furthermore, the coordinated control of the microgrid system is proposed to implement three different operating modes, including the independent operation of both wind power hydrogen subsystem and fuel cell power generation subsystem, as well as the system-wide operation of whole microgrid. Practical application shows that the microgrid system can not only achieve stable and secure operation of the subsystems, but also enable the switch of the corresponding operation mode depending on the system operating conditions.

wind power hydrogen production system; fuel cell power system; microgrid; cooperative control

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金項目(61371095)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2014AA052501, 2015AA0501374)；浙江省自然科學(xué)基金項目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項目(Y201533326)；浙江大學(xué)實驗技術(shù)研究重點項目(SZD201501)；浙江大學(xué)本科實驗教學(xué)自制儀器設(shè)備項目(2016046)；浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院探究性實驗項目；國網(wǎng)公司科技項目資助

張建良(1984-)，男，河南新野人，博士，講師，現(xiàn)主要研究方向為復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的分析與控制。

Tel.:0571-87952707；E-mail: jlzhang@zju.edu.cn

TM 727

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1006-7167(2017)01-0054-05