400 kW氫燃料電池供電保障發(fā)電車結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

王存平, 李洪濤, 王興越, 姜秀麗, 王 鑫

(1.國網(wǎng)北京市電力公司 電力科學(xué)研究院, 北京100075; 2.北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司, 北京101106)

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,重要用戶、重大活動對不間斷供電的要求以及搶險救災(zāi)等特殊情況對應(yīng)急發(fā)電的需求不斷增加,車載電源在供電保障中發(fā)揮著重要作用。目前常見的不間斷供電保障車為不間斷電源(uninterrupted power supply,UPS)電源車[1-2],應(yīng)急發(fā)電車以柴油發(fā)電車為主。UPS電源車響應(yīng)速度快,能夠在電網(wǎng)電壓異常時為重要負(fù)荷提供不間斷電源支撐[3],但由于其不具有發(fā)電裝置,UPS電池容量有限,不能為用戶提供長時間的應(yīng)急供電。柴油發(fā)電車具有容量大、持續(xù)供電時間長的特點,但其響應(yīng)速度慢、低溫起動難度大[4],無法實現(xiàn)不間斷供電,同時空氣污染嚴(yán)重、噪聲大,不滿足低碳環(huán)保的要求。實際保電中常將UPS不間斷電源與柴油發(fā)電車搭配使用。

大力發(fā)展清潔能源是當(dāng)今世界潮流,氫燃料電池技術(shù)受到廣泛關(guān)注。日韓、歐洲的氫燃料電池技術(shù)相對成熟,已成功應(yīng)用于小型電動汽車、公共交通等領(lǐng)域[5]。我國近年來也在大力發(fā)展氫燃料電池技術(shù),在電池效率提升[6]、并網(wǎng)控制[7]等技術(shù)研究方面取得一定突破,目前已實施多個示范項目[8-11]。2019年6月,我國首部《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》發(fā)布[12],要求加快實現(xiàn)氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新,實現(xiàn)氫能及燃料電池技術(shù)在動力電源、移動電源、分布式電站等領(lǐng)域的示范與應(yīng)用。

在移動應(yīng)急電源應(yīng)用方面,豐田和日本電友公司聯(lián)合研發(fā)了20 kW的小功率氫燃料電池發(fā)電車。廣東電網(wǎng)公司于2018年研制了國內(nèi)首臺100 kW氫燃料電池移動應(yīng)急電源車,并在抗擊臺風(fēng)應(yīng)急供電中發(fā)揮了重要作用,這也是當(dāng)時亞洲單體功率最大的氫燃料電池應(yīng)急電源[13]。目前尚沒有基于多組電池模塊并聯(lián)的更大功率氫燃料電池供電保障發(fā)電車的研發(fā)及應(yīng)用案例。

本文基于氫燃料電池及現(xiàn)有供電保障發(fā)電車的相關(guān)技術(shù),設(shè)計多個氫燃料電池模塊并聯(lián)、多種發(fā)儲系統(tǒng)共存的氫燃料電池發(fā)電車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),研究提出整車控制策略及工作模式,支撐研發(fā)了國內(nèi)外首臺400 kW大功率氫燃料電池發(fā)電車。

1 氫燃料電池原理及特點

氫燃料電池是一種將氫氣(燃料)和氧氣(空氣)通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[14]。與普通電池不同,氫燃料電池兼具電池和發(fā)電機(jī)的特點,只要有燃料和空氣不斷輸入,就能源源不斷地產(chǎn)生電能。

常用的氫燃料電池按其電解質(zhì)不同,可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)、堿性燃料電池(alkaline fuel cell,AFC)和磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell,PAFC)。其中PEMFC效率高、能量密度高、啟動速度快、環(huán)保性能好[15],在零排放交通動力和小型發(fā)電應(yīng)用方面具有廣闊前景。因此基于PEMFC的氫燃料電池發(fā)電車進(jìn)行研究。

相比傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組,氫燃料電池具有體積小、效率高、無污染、噪聲低、安全性好等優(yōu)勢。國產(chǎn)某品牌氫燃料電池與傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)組的體積對比見表1。

表1 氫燃料電池與柴油發(fā)電機(jī)組的體積對比

2 氫燃料電池發(fā)電車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于UPS發(fā)電車系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計由多個氫燃料電池模塊并聯(lián)、多種發(fā)儲系統(tǒng)共存的400 kW氫燃料電池供電保障發(fā)電車系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主要由氫燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、UPS系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成,如圖1所示。氫燃料電池系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)一起并聯(lián),與UPS系統(tǒng)的直流母線相連接。

圖1 氫燃料電池發(fā)電車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 氫燃料電池系統(tǒng)

目前國內(nèi)外氫燃料電池單體電堆功率普遍不超過100 kW。本文采用模塊化設(shè)計,便于安裝維護(hù)與散熱,由4組額定功率為100 kW的PEMFC氫燃料電池模塊并聯(lián)組成,燃料電池輸出直流電壓范圍為240～360 V。每個電池模塊均配置一個DC/DC直流變換器。氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 DC/DC直流變換器

將燃料電池產(chǎn)生的可變電壓變換至與UPS直流母線電壓相匹配。其額定輸出電壓為540 V,且可根據(jù)負(fù)載情況靈活調(diào)整:當(dāng)負(fù)載需要的電流大于DC/DC變換器輸出電流時,DC/DC變換器輸出電壓會自動跌到與UPS電池(飛輪)相同,讓飛輪也輸出一部分電流以滿足負(fù)載的需要;當(dāng)DC/DC變換器輸出電流滿足負(fù)載要求時,DC/DC變換器輸出電壓會恢復(fù)到額定值,同時飛輪不對外輸出電流。

2.3 儲能系統(tǒng)

氫燃料電池啟動需要10～20 s,在市電中斷后、氫燃料電池啟動之前,通過連接于UPS直流母線的儲能系統(tǒng)為負(fù)載供電。目前常用的儲能裝置有化學(xué)電池、超級電容和飛輪。3種儲能裝置的主要性能對比見表2。

表2 3種儲能裝置的主要性能對比

氫燃料電池啟動前需要儲能系統(tǒng)供電時間不長,但需要在短時間內(nèi)提供較大功率。這正是飛輪的優(yōu)勢所在。因此選擇飛輪作為市電與氫燃料電池的短暫過渡電源。飛輪充放電速度快,可以快速響應(yīng)市電電壓及負(fù)荷波動,可減少沖擊性負(fù)荷對氫燃料電池的影響,延長電池壽命。

另外,發(fā)電車選用純電動底盤車,配有蓄電池儲能系統(tǒng)。在“應(yīng)急發(fā)電”時,利用蓄電池儲能系統(tǒng)啟動氫燃料電池,無須再單獨配置啟動電源,充分利用了發(fā)電車自身資源,節(jié)省了整車成本和空間。同時發(fā)電車可隨時為底盤車電池充電,增加發(fā)電車行程靈活性,也實現(xiàn)了整車的清潔環(huán)保。

2.4 儲氫系統(tǒng)

用于儲存氫燃料電池所需要的氫氣,由14個35 MPa、140 L的高壓碳纖維氣瓶、安裝框架、管路等組成,安裝于發(fā)電車的頂部。供氫系統(tǒng)設(shè)置單向電磁閥、壓力傳感器等。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)

采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus規(guī)約通信,用于實現(xiàn)對整車各部分的信號采集、三遙、保護(hù)、告警等功能。主要包括氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟停機(jī)控制、飛輪啟停控制、DC/DC變壓器及UPS系統(tǒng)的輸出控制、各種工作模式的切換控制等。

氫燃料電池發(fā)電車系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。

表3 氫燃料電池發(fā)電車系統(tǒng)主要參數(shù)

3 氫燃料電池發(fā)電車功能設(shè)計

3.1 整車供電策略

氫燃料電池發(fā)電車具有氫燃料電池、飛輪、底盤車蓄電池3種發(fā)電及儲能系統(tǒng),利用多源互補(bǔ)特性[16],設(shè)計了氫燃料電池發(fā)電車多源協(xié)同運行控制策略以及氫燃料電池模塊均流調(diào)整控制策略[17]。

3.1.1 多源協(xié)同運行控制策略

應(yīng)用底盤車蓄電池為氫燃料電池系統(tǒng)提供應(yīng)急啟動電源,采用飛輪儲能系統(tǒng)響應(yīng)市電異常及快速的負(fù)荷波動,保障發(fā)電車的不間斷輸出與穩(wěn)定運行。

當(dāng)檢測到市電中斷或電壓暫降時,控制系統(tǒng)立即啟動氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng),同時控制飛輪儲能系統(tǒng)為負(fù)載進(jìn)行不間斷供電,若飛輪儲能系統(tǒng)能量不足(乘余電量SoC<30%),則控制底盤車蓄電池為負(fù)載供電。

當(dāng)氫燃料電池模塊正常啟動、輸出電壓達(dá)到250 V時,控制DC/DC變換器輸出至額定電壓540 V,此時轉(zhuǎn)由氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為負(fù)載供電?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

圖3 氫燃料電池發(fā)電車多源協(xié)同運行控制流程

氫燃料電池與飛輪儲能系統(tǒng)的協(xié)同運行控制原理如圖4所示。

圖4 協(xié)同運行控制原理示意圖

3.1.2 氫燃料電池模塊均流調(diào)整控制策略

氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由4個氫燃料電池模塊并聯(lián)構(gòu)成,每個電池模塊的功率是100 W?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)實際負(fù)載大小,決定投入運行的電池模塊數(shù)量。為保證各并聯(lián)電池模塊工作性能的穩(wěn)定,進(jìn)一步提出了多個氫燃料電池模塊的均流調(diào)整控制策略。當(dāng)實際投運的氫燃料電池模塊在兩個以上時,實時檢測各電池模塊配套DC/DC變換器的輸出電流,并計算平均輸出電流,據(jù)此控制各電池模塊的輸出電流,使各模塊輸出電流保持一致?？刂撇呗粤鞒倘鐖D5所示。

圖5 多個氫燃料電池模塊均流調(diào)整控制策略流程

3.2 發(fā)電車的4種工作模式

基于上述供電策略,氫燃料電池發(fā)電車具體有以下4種工作模式:

1)優(yōu)化市電。市電正常時,市電經(jīng)過發(fā)電車的UPS整流逆變系統(tǒng),為負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電能。當(dāng)市電受到干擾波形失真時,其通過氫燃料電池發(fā)電車的整流逆變系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成可靠、穩(wěn)定、純凈的優(yōu)質(zhì)電供給負(fù)載,同時為儲能系統(tǒng)充電。

2)不間斷供電。市電中斷或電壓暫降時,儲能系統(tǒng)放電,保證負(fù)載正常運行,同時啟動氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動后,接替儲能系統(tǒng)為負(fù)載供電,實現(xiàn)用戶不間斷用電,并為儲能系統(tǒng)充電。

3)應(yīng)急發(fā)電。無法依靠電網(wǎng)送電或作為冷備用的情況下,通過底盤車蓄電池啟動氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動后,為負(fù)載供電,同時為飛輪儲能系統(tǒng)和底盤車電池充電。

4)不停電檢修。當(dāng)市電供電時,若發(fā)電車UPS系統(tǒng)(或逆變器)出現(xiàn)故障(如輸出過壓、過流),轉(zhuǎn)換為旁路供電模式,由市電直接為負(fù)載供電,對發(fā)電車進(jìn)行檢修。

4 試驗與應(yīng)用

研制的氫燃料電池發(fā)電車實物照片如圖6所示,其與其他發(fā)電車的技術(shù)指標(biāo)對比見表4。

圖6 氫燃料電池發(fā)電車照片

表4 發(fā)電車技術(shù)指標(biāo)對比

4.1 試驗驗證

對氫燃料電池發(fā)電車的不間斷供電功能進(jìn)行測試。市電取自車間內(nèi)380 V三相電源,負(fù)載接60 kW電暖氣阻性負(fù)載。開始時,市電經(jīng)氫燃料電池發(fā)電車的UPS系統(tǒng)為負(fù)載供電,UPS逆變器跟蹤市電的頻率與相位,同時市電經(jīng)UPS整流器為飛輪充電儲能。

在41 s左右時切斷市電,207 s左右時恢復(fù)市電,觀察記錄氫燃料電池發(fā)電車在市電中斷情況下的輸出性能,以驗證其不間斷供電功能。另外,在氫燃料電池發(fā)電過程中,在192 s左右時,人工控制斷開氫燃料電池輸出回路,觀察記錄飛輪的輸出電流,以驗證在氫燃料電池意外故障情況下飛輪的響應(yīng)速度及運行性能。

采用功率分析儀分別記錄市電電壓u1、輸出電壓(負(fù)載電壓)u2、直流母線電壓u3的有效值曲線,如圖7(a)所示;記錄市電電流i1、輸出電流(負(fù)載電流)i2、飛輪電流idc1、氫燃料電池電流idc2的有效值曲線,如圖7(b)所示。

圖7 電壓、電流試驗曲線

由圖7可見,在41 s市電斷電時,飛輪瞬間釋能放電,經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載,使得輸出電壓有效值Urms2維持在230 V(單相),電流有效值Irms2維持在90 A,同時啟動氫燃料電池。經(jīng)過約15 s的時間,氫燃料電池完全啟動,飛輪停止放電,此時氫燃料電池輸出電流,向負(fù)載供電,維持Urms2和Irms2保持不變,同時向飛輪充電儲能。在192 s的時候,斷開氫燃料電池輸出回路,此時飛輪亦能夠瞬間釋能放電,維持負(fù)載電壓電流Urms2和Irms2保持不變。在207 s市電恢復(fù)供電后,飛輪停止放電,此時由市電為負(fù)載供電并向飛輪充電儲能,維持Urms2和Irms2保持不變。

試驗結(jié)果顯示,在市電斷電及恢復(fù)供電時,氫燃料發(fā)電車均能夠維持輸出電壓與電流穩(wěn)定,實現(xiàn)對負(fù)載(重要用戶)的不間斷供電。飛輪儲能系統(tǒng)響應(yīng)迅速,在市電斷電及氫燃料電池意外掉電情況下,均能夠迅速輸出電流,保證不間斷供電并為氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動提供保障。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

目前,該氫燃料電池發(fā)電車已成功應(yīng)用于北京延慶冬奧賽區(qū)及國家速滑館的應(yīng)急供電保障中,實現(xiàn)了場館負(fù)荷的綠色應(yīng)急供電。

人民日報、北京日報等多家媒體對此進(jìn)行報道。2021年9月30日人民日報海外版報道[18]:9月29日,國網(wǎng)北京市電力公司在國家速滑館舉行冬奧測試賽供電保障應(yīng)急演練,由該公司自主研發(fā)的國內(nèi)首臺大容量在線并網(wǎng)式氫燃料電池發(fā)電車亮相。這種發(fā)電車具備不間斷供電和應(yīng)急發(fā)電功能,可在場館臨時供電設(shè)備出現(xiàn)故障時提供優(yōu)質(zhì)可靠的綠色電源。氫能源發(fā)電車可在-40～50 ℃的環(huán)境中運行,滿載后可發(fā)電2 h,同時支持在線加氫。

圖8為氫燃料電池發(fā)電車在北京冬奧會期間,為國家速滑館臨電設(shè)施供電保障的照片。

圖8 氫燃料電池發(fā)電車現(xiàn)場應(yīng)用照片

5 結(jié)語

將氫燃料電池應(yīng)用于供電保障發(fā)電車中,提出了氫燃料電池發(fā)電車的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計方法。亮點及創(chuàng)新點如下:

1)氫燃料電池發(fā)電車主要由氫燃料電池系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及純電動底盤車等部分組成,實現(xiàn)了整車節(jié)能環(huán)保。

2)氫燃料電池系統(tǒng)由4個100 kW的電池模塊并聯(lián)組成,提出了多個電池模塊的均流調(diào)整控制策略,并提出了發(fā)電車多源協(xié)同運行控制策略,實現(xiàn)了發(fā)電車的功率提升與不間斷輸出。

3)運用本文的方法支撐研制了國內(nèi)外首套400 kW的大功率氫燃料電池發(fā)電車,測試及應(yīng)用結(jié)果表明氫燃料電池發(fā)電車輸出性能穩(wěn)定。

氫燃料電池發(fā)電車可作為“柴油發(fā)電車+UPS電池車”模式的替代產(chǎn)品,能夠為重要負(fù)荷提供長時間的不間斷供電,具有重大意義與社會價值,應(yīng)用前景非常廣闊。