DCDC 變換器直流耦合光伏制氫方法探討

谷雨

(陽(yáng)光電源(上海)有限公司,上海201203)

中國(guó)是世界最大的碳排放國(guó),中國(guó)政府在溫室氣體減排方面面臨巨大壓力,因此中國(guó)官方向世界正式承諾了“3060 目標(biāo)”,3060 目標(biāo)的達(dá)成,需要能源、交通、化工、冶金等各個(gè)行業(yè)的脫碳和減碳。隨著中國(guó)十幾年大力發(fā)展光伏、風(fēng)電等可再生能源,在很多地區(qū)光伏發(fā)電的成本已經(jīng)與當(dāng)?shù)孛摿蛎弘妰r(jià)持平、甚至低于煤電價(jià)格,但是光伏等可再生能源存在波動(dòng)性、不易長(zhǎng)期存儲(chǔ)的缺點(diǎn),并且光伏發(fā)電只能幫助電力、交通等較少的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)減碳,無(wú)法惠及化工、冶金等難以脫碳的行業(yè)。

氫廣泛應(yīng)用于石油精煉、合成氨等行業(yè),可以代替焦炭應(yīng)用于金屬冶煉,是重要的工業(yè)原料；同時(shí)氫氣可以依托燃料電池或內(nèi)燃機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電力或交通領(lǐng)域,是能量長(zhǎng)期存儲(chǔ)的重要手段,是一種重要的二次能源[1-2]。傳統(tǒng)的制氫方式是化石能源蒸汽重整,會(huì)產(chǎn)能巨量的CO2,不利于碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

光伏制氫可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模氫氣生產(chǎn)且沒(méi)有CO2排放,是當(dāng)前較為可行的綠氫生產(chǎn)方式。光伏發(fā)出的電能是直流電,制氫電解槽需要的電能也是直流電,因此光伏陣列與電解槽直流耦合是效率較高的一種制氫方式。直流耦合制氫分為兩種形式:

(1)光伏陣列和電解槽直接耦合[3]；

(2)光伏板和電解槽通過(guò)DC/DC 變換器進(jìn)行耦合。

在直接耦合形式中,因?yàn)楣夥嚵性诖蟛糠謺r(shí)刻只有一個(gè)MPPT 點(diǎn),因此光伏陣列的I-V 曲線必須要和電解槽的I-V 曲線完全匹配才能實(shí)現(xiàn)光伏能量的最大化利用,不能應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景。本文重點(diǎn)探討基于DC/DC 變換器耦合的光伏制氫系統(tǒng),其中DC/DC 變換器的輸入接光伏陣列實(shí)現(xiàn)MPPT 功能,DC/DC的輸出連接電解槽實(shí)現(xiàn)制氫能量的供給；在正常工況下的MPPT 跟蹤外,DC/DC 還設(shè)計(jì)了限功率功能,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 制氫系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)原理圖

DC/DC 變換器耦合的光伏制氫系統(tǒng)如圖1 所示,包含光伏電池、DC/DC 變換器和水電解制氫槽。DC/DC 變換器的輸入和光伏電池連接并實(shí)現(xiàn)MPPT 功能,DC/DC 變換器的輸出和電解槽連接為電解槽制氫提供電能。

圖1 DC/DC 變換器耦合的光伏制氫系統(tǒng)

1.2 光伏電池

理想的光伏電池可以看成光生伏特效應(yīng)形成的電流源,光生電流和入射功率成正比關(guān)系,光生電流可簡(jiǎn)單表達(dá)為式(1),式中φs是輻照強(qiáng)度,Iph是電池短路電流,q 為電子的電荷量,η 為量子效率,h 為普朗克常量,v 為入射光頻率。

但是實(shí)際的光伏電池的模型共包含4 個(gè)部分[4-5]:光生伏特效應(yīng)的電流源、二極管、并聯(lián)電阻及串聯(lián)電阻,光伏電池的等效模型如圖2 所示,等效數(shù)學(xué)模型見式(2)；并聯(lián)電阻Rsh是因?yàn)殡姵仄闹圃烊毕菰斐?在工藝成熟的情況下Rsh近似開路；串聯(lián)電阻Rs是電池間的連接電阻,單個(gè)電池片的串聯(lián)電阻在百微歐姆級(jí)別；式(2)中A 為二極管影響因子,K 為玻爾茲曼常數(shù),T為熱力學(xué)溫度,q 為電子的電荷量,IO為電池片反向飽和電流,U為電池電壓,I 為電池輸出電流。圖3(a)示出了不同輻照輕度下光伏電池的理想I-V 曲線,根據(jù)式(1)輻照強(qiáng)度的變化會(huì)直接影響光伏電池輸出電流的大小,進(jìn)而造成輸出能量的波動(dòng),光伏電池輸出I-V 曲線也會(huì)表現(xiàn)出波動(dòng)性,如圖3(b)所示,也因此光伏能量的波動(dòng)性是光伏制氫需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

圖2 光伏電池等效模型

圖3 光伏I-V 曲線

考慮到商業(yè)化的光伏電站基本采用1000V 和1500V 光伏發(fā)電系統(tǒng),本文中的光伏電池是光伏組件經(jīng)過(guò)串并聯(lián)組成的光伏陣列,光伏陣列的模型和單個(gè)電池板模型表達(dá)式一致。

1.3電解槽

根據(jù)電化學(xué)原理,電解小室的電壓包含可逆電位Vrev、歐姆損耗電位Vohm、活化電位Vact和濃差極化過(guò)電位Vcon[6-7],其數(shù)學(xué)表達(dá)式見公式(3)。其中Vrev=1.23V,其它電位根據(jù)電解槽結(jié)構(gòu)容量的不同而不同,并且和電解槽內(nèi)部溫度和壓力相關(guān)；根據(jù)堿性電解槽的經(jīng)驗(yàn)值并忽略壓力、溫度等影響,可以繪出電解槽的I-V 曲線如圖4 所示。根據(jù)圖4,電解槽模型等效為一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)及內(nèi)阻壓降的。

圖4 電解槽I-V 曲線

目前商業(yè)化的電解槽主要是堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽,堿性電解槽單槽容量大、價(jià)格相對(duì)便宜。一般大型商業(yè)化的堿性電解槽由多片小室串聯(lián)組成,每個(gè)小室的工作電壓在2V左右,根據(jù)產(chǎn)氣量不同,其電壓范圍在200-650V 不等。實(shí)際的制氫成套設(shè)備,除了制氫槽外還包含氣液分離、堿液循環(huán)等部分。

1.4DC/DC 變換器

光伏陣列的輸出電壓在1000V 左右,大大高于電解槽需要的電壓,因此需要降壓型DC/DC 變換器做電壓匹配；考慮到本文中論述的光伏制氫系統(tǒng)中降壓比較大,需要插入一級(jí)高頻變壓器隔離平衡各開關(guān)管和磁性元器件的熱；由于制氫設(shè)備在起動(dòng)、響應(yīng)光伏功率變化的過(guò)程中,需要控制為電壓源、電流源及限功率等多種輸出模式,因此DC/DC 變換器采用數(shù)字控制處理器實(shí)現(xiàn)核心控制算法和開關(guān)機(jī)、保護(hù)等邏輯控制功能,DC/DC變換器拓?fù)浼跋嚓P(guān)控框圖如圖5 所示。

圖5 DC/DC 變換器及控制框圖

DC/DC 變換器同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)的MPPT 功能,以最大化的吸收光伏能量。如果把光伏電池和DC/DC 變換器看成一個(gè)整體,在DC/DC 運(yùn)行在最大功率點(diǎn)的工況下,這個(gè)整體輸出的最大功率可以表現(xiàn)為一簇最大功率曲線,圖6 虛線部分顯示了不同輻照強(qiáng)度下的最大功率軌跡。

圖6 光伏I-V 曲線及MPPT 曲線

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 阻抗匹配

設(shè)計(jì)直流耦合的光伏制氫系統(tǒng),首先要匹配DC/DC 變換器的輸出I-V 曲線和電解槽的輸入I-V 曲線。由于DC/DC 變換器的存在,在不同輻照強(qiáng)度下,光伏陣列和DC/DC 變換器的輸出都能與電解槽I-V 曲線的MPPT 部分有交點(diǎn),如圖7 所示,光伏陣列和電解槽的匹配范圍得到了很大程度的擴(kuò)展,抑制了光伏功率波動(dòng)的影響,保證了電解槽最大化的利用光伏發(fā)電的能量。在正常工況下,DC/DC 輸入側(cè)進(jìn)行MPPT 控制,輸出側(cè)和電解槽阻抗匹配,對(duì)制氫端功率不做調(diào)節(jié),從制氫系統(tǒng)的角度是開環(huán)控制,該系統(tǒng)在穩(wěn)定工作的同時(shí),可以保證產(chǎn)氣量實(shí)時(shí)跟蹤光伏功率的變化。

圖7 I-V 曲線匹配

2.2 控制設(shè)計(jì)

在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗匹配完成后,為保證實(shí)際系統(tǒng)的安全運(yùn)行,還需要考慮過(guò)壓過(guò)流等邊界條件,設(shè)計(jì)光伏制氫系統(tǒng)起動(dòng)、工作和停車的邏輯流程。圖8 示出了光伏制氫系統(tǒng)的基本運(yùn)行邏輯,光伏制氫系統(tǒng)的開機(jī)指令由上位機(jī)下發(fā),然后設(shè)備判斷有無(wú)壓力、電源故障燈聯(lián)鎖停車信號(hào),在制氫設(shè)備滿足起機(jī)條件后開始啟動(dòng)制氫輔助設(shè)備,經(jīng)過(guò)一定的延遲后下發(fā)指令啟動(dòng)DC/DC 變換器。

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行邏輯圖

DC/DC 變換器首先判斷是否有過(guò)壓、過(guò)流等故障,無(wú)故障的情況下開始啟動(dòng)電源,在起動(dòng)和啟動(dòng)后的工作過(guò)程成,DC/DC數(shù)字控制器會(huì)對(duì)實(shí)際的輸出電壓和電流進(jìn)行判斷,以確定制氫電源工作在限流模式、限壓模式及MPPT 運(yùn)行模式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于每小時(shí)100 立方產(chǎn)氣速率的堿性水電解制氫槽、500kW DC/DC 變換器,搭建了制氫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在采用實(shí)際的光伏陣列供電之前,需要先驗(yàn)證DC/DC 變換器與制氫設(shè)備配合的動(dòng)態(tài)性能；考慮到光伏功率變化的隨機(jī)性,首先采用光伏模擬器代替實(shí)際的光伏陣列連接制氫設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。圖9示出了DC/DC 變換器在10%-70%額定負(fù)載下切換的波形,變換器的輸入電壓電流可以在百毫秒的時(shí)間內(nèi)完成電壓和電流的變換,驗(yàn)證了變換器和制氫設(shè)備配合的動(dòng)態(tài)性能。

圖9 10%-70%額定功率切換DC/DC 變換器輸入波形

采用650kW 的實(shí)際光伏陣列給制氫系統(tǒng)供電,進(jìn)行產(chǎn)氫試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。

圖10 實(shí)際光照下電解槽電壓、電流曲線

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)討論了光伏DC/DC 變換器直流耦合制氫系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)方法,對(duì)變換器設(shè)計(jì)、變換器和電解槽的阻抗匹配進(jìn)行了深入探討,最后根據(jù)設(shè)計(jì)搭建了500kW 的光伏制氫系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,DC/DC 變換器直流耦合的光伏制氫系統(tǒng)的產(chǎn)氣量可以實(shí)時(shí)跟蹤光伏功率的變化,在過(guò)載等特殊情況下,系統(tǒng)可以退出MPPT 運(yùn)行進(jìn)入限功率模式。

光伏制氫系統(tǒng)的變功率運(yùn)行,抑制了光伏能量波動(dòng)對(duì)能量利用率的不利影響,減少了為穩(wěn)定電能所配置的儲(chǔ)能及電網(wǎng)設(shè)施,可以使光伏制氫系統(tǒng)最大化利用光伏的便宜電力,可以大大降低終端氫氣成本,具有很大的推廣意義。