《變電站用質(zhì)子交換膜燃料電池供電系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)解析

／機械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟研究所 陳 晨／

一、概述

變電站是指電力系統(tǒng)中對電壓和電流進(jìn)行變換，接受電能及分配電能的場所。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運維工作的重要和責(zé)任的重大不言而喻。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展，變電站基本上實現(xiàn)了無人看守的管理模式。為進(jìn)一步加強變電站的可靠性，每個變電站都配備相應(yīng)的儲能單元，用于在電網(wǎng)突然斷電時，為應(yīng)急照明裝置、測控裝置和遠(yuǎn)程通訊設(shè)備等提供直流電源?，F(xiàn)階段，變電站中普遍使用鉛酸蓄電池組作為直流備用電源，設(shè)計依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為：DL/T 5044《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》。然而，鉛酸蓄電池組存在諸多問題，如體積龐大、移動不變、備電時間和壽命短，以對環(huán)境溫度要求苛刻等。因此，亟需一種替代產(chǎn)品，解決目前鉛酸蓄電池組性能不足。

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，“PEMFC”）具有啟動速度較快、輸出電能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)能力強、電化學(xué)反應(yīng)唯一產(chǎn)物是水等優(yōu)點，用其替代傳統(tǒng)的鉛酸電池組作為變電站停電時的后備電源，使用超級電容器或者少量的鉛酸電池等儲能單位元作為系統(tǒng)啟動過程中的支撐，完全避免了鉛、硫酸以及其他污染物的排放，減少了對環(huán)境的污染。此外，隨著PEMFC技術(shù)的發(fā)展，不僅性能大幅度提升，其具備的氫氣泄漏檢測、壓力檢測等使其安全性和可靠性也進(jìn)一步加強，可滿足電力系統(tǒng)的要

本文介紹了《變電站用質(zhì)子交換膜燃料電池供電系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)編制的背景，并對標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)子交換膜燃料電池供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的解析，通過與現(xiàn)有前段蓄電池性能及其他指標(biāo)的對比和分析，顯示質(zhì)子交換膜燃料電池在變電站中具有廣闊的應(yīng)用前景。求。PEMFC作為備用電源在變電站領(lǐng)域已有示范運行，然而由于該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的缺失，限制了其規(guī)模化的發(fā)展。

全國燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 342，簡稱“燃料電池標(biāo)委會”）聯(lián)合全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、燃料電池相關(guān)企業(yè)等完成了《變電站用質(zhì)子交換膜燃料電池供電系統(tǒng)》（計劃號：20151724-T-604）國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，將解決目前電力系統(tǒng)中變電站引入燃料電池作為直流備用電源的標(biāo)準(zhǔn)缺失問題。下面將對本項標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容進(jìn)行解析。

二、變電站用PEMFC供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站用PEMFC供電系統(tǒng)主要由燃料處理系統(tǒng)、氧化劑處理系統(tǒng)、燃料電池模塊、電能變換單元、控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、水熱綜合管理單元及輔助儲能模塊等組成，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖 變電站用PEMFC供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中各個組成部分的功能，包括但不限于以下描述。

燃料處理系統(tǒng)：燃料電池供電系統(tǒng)所需要的、準(zhǔn)備燃料及必要時對其加壓的、由化學(xué)和/或物理處理設(shè)備以及相關(guān)的熱交換器和控制器所組成的系統(tǒng)。

氧化劑處理系統(tǒng)：用來計量、調(diào)控、處理并可能對輸入的氧化劑進(jìn)行加壓以便供燃料電池供電系統(tǒng)使用的系統(tǒng)。

通風(fēng)系統(tǒng)：通過機械的方法，向燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的機柜內(nèi)提供空氣。

自動控制系統(tǒng)：由傳感器、制動器、閥門、開關(guān)和邏輯元件組成的系統(tǒng)，用以使燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在無需人工干預(yù)時，參數(shù)能保持在制造商給定的限值范圍內(nèi)。

燃料電池模塊：一個或多個燃料電池堆和其他主要及適當(dāng)?shù)母郊硬考募审w，通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能。

熱管理系統(tǒng)：提供冷卻和散熱功能以保持燃料電池發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的熱平衡，還可以回收余熱以及在啟動過程中協(xié)助加熱動力傳動系統(tǒng)。

電能變換單元：控制或轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電能，可在制造商設(shè)計范圍內(nèi)滿足用電需求的系統(tǒng)。

輔助儲能模塊：系統(tǒng)內(nèi)部所帶的儲能裝置，用于幫助或補充燃料電池模塊向內(nèi)部或外部負(fù)載供電。

變電站用PEMFC系統(tǒng)函二次電池，但是不含儲氫系統(tǒng)，對于氫氣的來源不做要求，可以是使用氣瓶，也可以采用現(xiàn)場制氫等方式。

三、標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)要求解析

標(biāo)準(zhǔn)在起草的過程中，參考了目前電力系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19826《電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求》，并對變電站展開了實際的調(diào)研工作，了解了PEMFC作為變電站直流供電系統(tǒng)所需滿足的主要技術(shù)要求。標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的主要技術(shù)內(nèi)容包括：

（1）使用條件

相對于鉛酸蓄電池對環(huán)境溫度的嚴(yán)格要求，PEMFC相對寬松，工作環(huán)境溫度在-10～40℃；相對濕度為（10%～95%）RH，不凝露；PEMFC所使用的氧化劑為空氣，高海拔空氣中氧含量的降低會對燃料電池性能產(chǎn)生較大的影響，因此本標(biāo)準(zhǔn)限于海拔不超過2000米的條件下進(jìn)行使用。

（2）安全和安裝要求

這兩部分的內(nèi)容依據(jù)現(xiàn)有的GB/T 27748.1《固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 第1部分：安全》和GB/T 27748.3《固定式燃料電池發(fā)電系統(tǒng) 第3部分：安裝》等2項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)容執(zhí)行。

（3）直流供電能力

按照GB/T 19826《電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求》中的規(guī)定，PEMFC系統(tǒng)需滿足直流母線電壓最大變化范圍為直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的90%～110%。因此，PEMFC系統(tǒng)在承受電網(wǎng)突然斷電產(chǎn)生的負(fù)荷和沖擊時，也需保證直流母線上的電壓不得低于直流標(biāo)稱電壓的90%。

變電站的負(fù)荷分為三種，經(jīng)常性負(fù)荷、事故性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷。據(jù)調(diào)查，以220 kV變電站為例，設(shè)計的經(jīng)常性負(fù)荷為52.7A，沖擊負(fù)荷為82.7A，沖擊時間為3s；實際的經(jīng)常性負(fù)荷是30A，沖擊負(fù)荷大約為經(jīng)常性負(fù)荷的3倍，要求在發(fā)生故障沖擊60ms內(nèi)切斷所有動作?，F(xiàn)階段對變電站備用電源啟動期間內(nèi)的負(fù)荷曲線沒有監(jiān)測和記錄，沖擊性負(fù)荷與變電站的規(guī)模有關(guān)。GB/T 19826《電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求》中的規(guī)定，蓄電池沖擊試驗中放電電流根據(jù)蓄電池放電狀態(tài)、放點終止電壓和蓄電池組的個數(shù)進(jìn)行選擇；燃料電池本身不存儲能量，而是一臺發(fā)電設(shè)備，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是功率，沖擊試驗實際上是對與燃料電池相匹配的儲能單元的抗沖擊能力，跟燃料電池本身的性能無關(guān)。因此，現(xiàn)階段雖然蓄電池用于變電站備用電源有很多經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，但并不適用于燃料電池，尤其是沖擊要求，需要進(jìn)行實際測試。經(jīng)過征求電網(wǎng)系統(tǒng)的意見，現(xiàn)階段制定的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PEMFC系統(tǒng)應(yīng)能夠承受8倍的沖擊電流，持續(xù)時間500 ms。待標(biāo)準(zhǔn)實施后，根據(jù)實際使用過程中數(shù)據(jù)的積累，將進(jìn)一步完善該部分的內(nèi)容。

（4）PEMFC系統(tǒng)的主要性能要求

連續(xù)供電能力：變電站要求備用電源的備電時間為：有人值班1小時，無人值班2小時。燃料電池工作時間，可以通過保證足夠的燃料來得以實現(xiàn)?？紤]到變電站的實際需求和氫瓶放置數(shù)量，在制定的國家標(biāo)準(zhǔn)中，明確要求額定功率下，PEMFC系統(tǒng)的連續(xù)運行時間不少于10個小時。

功耗和過載能力：為了確保燃料電池在變電站備用電源領(lǐng)域的優(yōu)勢，國家標(biāo)準(zhǔn)中提出PEMFC系統(tǒng)待機功耗應(yīng)不大于系統(tǒng)額定輸出功率的1%（不含燃料電池電加熱部分功耗）。系統(tǒng)輸出為額定功率110%時，應(yīng)能夠正常運行10min。

效率：為了保證提供PEMFC系統(tǒng)的品質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)階段國內(nèi)燃料電池的技術(shù)水平，制定的國家標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置了一定的門檻，要求PEMFC系統(tǒng)輸出額定功率時，初始發(fā)電效率應(yīng)不低于35%。

壽命：現(xiàn)階段變電站發(fā)生故障的頻率非常低，每隔5～8年檢修一次,備用電源基本上處于空載狀態(tài)。很多情況下，蓄電池從使用到壽命終止，一次都沒有被使用。目前變電站使用鉛酸蓄電池的設(shè)計壽命為10年，然而，大部分的蓄電池實際使用壽命為3～5年，甚至更低。在制定的標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定PEMFC系統(tǒng)壽命不低于1500小時，即使每年使用150小時，也能夠確保燃料電池發(fā)系統(tǒng)使用10年，充分凸顯出燃料電池的優(yōu)勢。從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，220kV變電站需要配備2組110V、500Ah的鉛酸蓄電池（單個電壓為2V），成本＝2.5元／Ah×500Ah×110×2=27.5萬（3～5年左右）；如果改為燃料電池，成本大概在44萬左右，10年的使用壽命也使得燃料電池占據(jù)成本的優(yōu)勢。

燃料電池作為變電站備用電源的瓶頸不是成本，而是安全性和可靠性方面。氫氣的存儲形式、放置位置以及對于氫氣泄露的監(jiān)測和應(yīng)對措施需要重點考慮。

（5）防火、防爆要求

對于變電站用直流供電系統(tǒng)，性能和成本的考慮是一方面，更重要的是安全性和可靠性的要求。

依據(jù)GB 50229《火力發(fā)電廠與變電所涉及防火規(guī)范》。對于鉛酸蓄電池，300Ah以上的容量要求有單獨的電池室，電池室是防爆的，并安裝有空調(diào)。燃料電池作為變電站備用電源，更多的問題源自氫氣使用的安全要求，因此，在制定的標(biāo)準(zhǔn)中，對于氫氣泄漏的檢測、保護(hù)與報警功能、以及后續(xù)采取的保護(hù)性措施做出了嚴(yán)格的規(guī)定。特別規(guī)定，PEMFC系統(tǒng)中易發(fā)生氫氣泄漏或氫氣積聚的部位（危險區(qū)域，0 區(qū)和1 區(qū)的稀釋范圍內(nèi)），如儲氫瓶、燃料電池堆上方等，應(yīng)當(dāng)安裝氫氣濃度傳感器，并應(yīng)有相應(yīng)的安全聯(lián)鎖裝置。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)中有氫氣漏，氫氣積聚濃度達(dá)到 25%LFL 時，控制系統(tǒng)應(yīng)能通過顯示屏或聲音或燈光等方式警示操作者；當(dāng)氫積聚濃度達(dá)到 50%LFL時，應(yīng)自動切斷氫氣供應(yīng)源并自動關(guān)機。

（6）其他要求

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定PEMFC系統(tǒng)的絕緣電阻、介質(zhì)強度、耐濕熱性能、電磁兼容等要求，均需符合GB/T 19826－2014《電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求》中的規(guī)定。此外，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了，PEMFC系統(tǒng)正常運行時，噪音不應(yīng)大于65 dB，防護(hù)等級不應(yīng)低于IP 20。

四、展望

PEMFC系統(tǒng)作為變電站用備用電源在壽命和生命周期整體的成本等方面均優(yōu)于現(xiàn)有的鉛酸電池，本項標(biāo)準(zhǔn)的制定對于推動PEMFC在變電站備用電源領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的意義。

除了解決上述技術(shù)性問題，是否能夠被民眾所夠接受也是需要考慮的因素。氫氣是易燃易爆危險化學(xué)品，一直以來大眾都是談“氫”色變，因此，今后一段時期即使將燃料電池引入變電站，遠(yuǎn)離市區(qū)的變電站將是我們的首選目標(biāo)。此外，還應(yīng)開展燃料電池科普宣傳活動，讓燃料電池更能被大眾所接受。