风电制氢-燃料电池微网实验系统的设计

张建良， 吴 越， 齐冬莲

(浙江大学 电气工程学院， 杭州 310027)

风电制氢-燃料电池微网实验系统的设计

张建良， 吴 越， 齐冬莲

(浙江大学 电气工程学院， 杭州 310027)

针对间歇性、波动性风能的高效综合利用，开发了一种全新的风电制氢耦合燃料电池微网实验系统。基于PLC设计了电解制氢系统的整流器控制、温度控制、压力控制和液位控制等控制器的协调和优化；通过PLC采集储氢瓶的压力和温度信息，实现压缩储氢系统充气和供气两种过程的控制；通过对DC/AC逆变器目标功率的控制，实现燃料电池系统输出功率的调节。设计了微网实验系统的协调运行控制技术，实现了风电制储氢系统和燃料电池发电系统的独立运行，以及微网全系统运行3种运行模式。应用实践表明，该微网实验平台不仅保证各个子系统的安全稳定运行，而且根据具体运行条件实现运行模式之间的协调及切换，达到对弃风风电综合利用的目的。

风电制氢系统； 燃料电池发电系统； 微网； 协同控制

0 引 言

近年来，积极开发利用以风能、氢能等为代表的清洁能源已成为我国能源发展的重要方面，这对于优化能源结构和保障国民经济可持续发展具有重大战略意义。包含风、氢、燃料电池等清洁能源的微网系统研究，为各种能源的优化整合和高效利用提供了技术保证和实现基础。在微网理论研究及工程实践方面，国内外科研机构开展了一系列的探索研究[1-5]。

本文针对因风能的间歇性、波动性以及输电容量限制等因素导致的大规模弃风问题[3-5]，通过开发风电制氢-燃料电池微网实验系统平台，对风机发电系统、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池系统和可变负荷系统的运行特性和控制机理进行了研究[6-9]，提出了风电制氢耦合燃料电池微网系统的协调控制技术，根据环境条件和系统实际工况，实现微网系统在多种运行模式下的柔性可靠运行[10-11]。

通过构建风电制氢-燃料电池微网实验系统，不但可以为电气工程类专业学生提供一个在分布式发电、微网等前沿技术开展探索性实验的平台，同时为电气类工程师的培养提供了工程实训的可能性[12-16]。

1 微网实验系统的组成

风电制氢-燃料电池微网系统由风力发电系统、电解制氢系统、压缩储氢系统、燃料电池系统、可变负荷系统以及相关的协调控制单元组成。整个微网实验系统的体系架构如图1所示，可以看到，该微网系统是一个包括控制流、电力流和氢气流在内的典型非线性复杂信息处理系统。微网系统的设计目标和运行规则为：通过风电场调度系统控制所有风机出力大小及是否停机，并通过通信网络与中央协调控制系统进行数据交换和逻辑判断，确认弃风量大小及是否可以开始制备和存储氢气；根据风电并网的容量和质量，以及本地负荷的实际需求和储氢系统的运行状况等，协调控制系统决定燃料电池系统与其他系统之间的工序协作。

图1 微网实验系统体系架构

1.1 电解制氢系统

电解制氢系统是整个微网系统中的核心部分，制氢系统的控制是实现本微网系统协调控制的必要前提之一[6-9]。考虑到风能的波动性以及储氢系统的运行状态，制氢系统面临着在变化的运行工况环境下，对包括整流器控制、温度控制、压力控制和液位控制在内的多个控制器的协调和优化。电解制氢系统变工况控制主要基于PLC程序实现，控制框图如图2所示。系统运行流程为：

图2 制氢系统变工况运行控制简图

(1)输入端高压电经变压器和整流柜整定出供电解槽电解的直流电，然而，由于风电的波动性带来输入电压、电流的变化，为了实现制氢系统的可靠和稳定运行，保证制氢的连续性和质量保证，需要通过控制柜控制整流柜输出电压，实现制氢系统运行功率在0%～100%可调。

(2)电解槽出口产生的氢气碱液混合物和氧气碱液混合物进入气液处理器中，在分离器中进行分离后，碱液经过滤后回流至电解槽，氢气氧气分别经分离洗涤后含碱量≤1 mg/m3，含水量≤4 g/m3，其中氢气纯度达到99.8%，氧气纯度达到99.2%，可直接储存或进入气体纯化系统。电解槽为PEM型压滤式双极性结构，是制氢装置中的核心设备，工作压力可达3.2 MPa，实验系统所用的电解槽如图3所示。

图3 电解槽原理图(左)与实物图(右)

(3)氢气纯化系统能够去除氢气中的氧气和水分杂质(氧气纯化系统去除氧气中的氢气和水分杂质)，以满足对氢气(氧气)纯度和含水量的较高要求。纯化后，气体露点≤-70 ℃，氢气含氧量≤1×10-6，氧气含氢量≤5×10-6。纯化后的氢气(氧气)可直接进入储罐进行储存。

(4)水碱补给系统为水电解制氢的配套附属设备，包括水箱、碱箱、加水泵及配套阀门等，用于电解槽碱液配制以及设备运行时的纯水补给和碱液补给。

(5)闭式循环水设备为水电解制氢系统的常用配套设备，包括水箱、循环泵、板式换热器等装置。通过利用外部的工业冷却水给内部冷却水降温，为运行系统提供水质稳定的闭式循环冷却水，有助于提高水电解设备电解温度的稳定性及冷却水管道及换热器的使用寿命。

1.2 压缩储氢系统

压缩储氢系统包含缓冲罐、压缩机、储氢瓶组以及氢气管道等配套设施。制氢系统中纯化后的氢气首先经过缓冲罐缓冲，然后通过压缩机高压压缩后，以高压方式存储于储氢瓶组内，既可以为工业或民用场合提供氢气，也可以供给燃料电池发电系统运行。储氢瓶组含12个容积为128 L钢瓶，单个储罐存储压力可达3.5 MPa，存储温度要求不超过85 ℃。压缩储氢系统的控制包括两部分：

(1) 充气过程控制策略。

①P1是缓冲瓶的压力传感器。当p1达到某一设定范围值时，PLC程序控制接通压缩机供电电源，压缩机启动工作(p1≥2.0 MPa，启动；p1<2.0 MPa，停机)。

②P2是高压储氢瓶组的高压压力传感器。当p2达到某一设定范围值时，PLC程序控制中断压缩机供电电源，压缩机停止工作(p2≥34 MPa，压缩机、储氢瓶均停止；反之，启动)。

③T1是高压储氢瓶组内的温度传感器，当t1高于某一设定范围值时，PLC程序控制中断压缩机供电电源，压缩机停止工作(t1≥85℃，停止)。

④HL是储供系统中的氢气泄漏传感器。当氢气浓度高于某一设定值时，系统报警，并需要压缩机停止工作，高压储氢瓶组主电磁阀关闭(HL≥1 000×10-6，停止)。

(2) 供气过程(燃料电池发电)控制策略。

①燃料电池发电系统启动时，首先要给高压储氢系统发送信号，12 V主电磁阀供电，打开瓶阀。此时压缩机一直处于停机状态。

②P3是高压储氢瓶组的一级减压器后的低压压力传感器，当p3高于最大设定值时(减压器故障)，PLC程序控制中断高压储氢系统主电磁阀供电电源，停止供气，进行检修(p3≥2.5 MPa，停止)。

上述压缩储氢系统储、供氢过程控制如图4所示。

图4 压缩储氢系统储供氢控制示意图

1.3 燃料电池发电系统

微网系统采用30 kW燃料电池发电系统，具有工作温度低、启动速度较快、结构简单等优点，具体包括辅助系统、散热系统和主机系统3部分，系统组成如图5所示。

图5 燃料电池发电系统结构图

燃料电池额定输出功率为30 kW；电压输出范围300～550 V；额定工况下的效率不低于40%；室温下可在6 s内完成启动；工作环境温度2～40 ℃；环境相对湿度10%～90%；空气质量不低于三级污染水平；工作地点海拔高度不高于1 km；氢气中CO浓度不高于10×10-6，H2S浓度不高于0.1×10-6。

试验中，燃料电池系统的控制过程为：在收到控制系统的开机命令后，燃料电池辅件系统在外供电直流24 V和交流380 V的支持下，启动并自检；自检成功后，反馈燃料电池系统的最大输出能力和最大加载能力；控制系统通过对DC/AC逆变器目标功率的控制，控制燃料电池系统的输出功率。

燃料电池系统和控制系统之间的交互信号包括：①系统的状态标志位：启动、自检、停机等；②燃料电池系统正常工作与否的表征参数，燃料电池系统与控制系统之间的通讯正常与否的表征参数；③系统最大输出能力和最大加载能力；④系统目标功率值(通过控制逆变器DC/AC系统的输出功率间接实现)；⑤系统故障代码等。

2 微网实验系统的运行模式

根据系统规模和运行工况要求，建立微网实验系统的三种运行模式，如图6所示，蓝色虚线框内为模式1；红色虚线框内为模式2；黑色虚线框内为模式3。

(1)模式1(风电制储氢模式)。系统主要工作模式。该模式的目的是当电网无法消纳过多风电时，将剩余风电转换为氢气存储；该模式必须保证风电质量既能满足并网要求，也能满足电解池运行要求；该模式以电解池的运行为依据，输入的功率不能超过其额定功率。

(2)模式2(燃料电池独立运行模式)。氢能发电利用模式。当负荷需要供电或风电场输出电能质量无法满足调度要求时，启动燃料电池发电系统，将储氢系统的氢能转化为电能，供给微网内负荷或馈入电网。

(3)模式3(全系统运行模式)。风电系统同时向电解池和电网供电，同时燃料电池向电网输出高质量电能。当风电质量较差或调度要求弃风时，启动制氢和储氢系统，该模式的目的是将质量较差的风电转换为氢气存储，然后利用燃料电池将存储的氢气转化为高品质电能馈送至电网。

图6 微网实验系统运行模式图

3 微网实验系统的协调控制

将上述三种模式下的微网综合控制策略以流程简图形式给出，如图7所示。分割线上下分别为模式1、2，全图即模式3控制逻辑。图中T为储氢装置内部温度，p1为压缩储氢单元内部缓冲罐压力，p2为储氢装置内部压力。

该控制逻辑流程综合了时序控制与条件控制，充分考虑了前文所述各子系统的工程特性及运作原理与流程，满足了各子系统运行所需要的相互制约，避免了子系统间有可能出现的相互影响。结合本地控制层控制策略可以完整地实现微网的整体控制，保证微网在各种工况下稳定、安全、高效运行。

4 微网实验系统的应用研究及成果

构建风电制氢-燃料电池微电网实验平台，进行多种清洁能源耦合条件下的系统控制技术和试验研究，不但可以给电气专业学生学习分布式发电控制策略和微电网运行控制技术等智能电网新技术提供平台支撑，而且试验平台的运行经验和数据积累，可以更好服务电气学院师生的科研活动。以此平台为基础，为电气学院在新能源发电、微网控制技术领域的科研项目申请和工程实施方面，提供了理论储备及实验室实践经验。

4.1 实验教学应用

考虑到电气学院专业设置背景和社会需求，在电气大类本科生培养中，尤其是电气工程专业学位研究生的培养过程中，非常有必要开展分布式发电和微网技术相关实验课程。依托于该微网实验平台的建成和应用，不但可以将传统电力系统和分布式发电方面的数值仿真实验进行改进和提升，从而开展更加接近实际工程背景的实物仿真和半实物仿真实验；而且有利于根据不同的专业、年级、知识水平和接受兴趣，开展有针对性的微网和新能源领域的实验项目：针对低年级电气类专业本科生，开展一些新能源领域的基础性实验设计，比如风力发电系统组成结构展示实验、风机控制系统实验、燃料电池发电系统结构实验等；针对高年级本科生，开展相应的分布式发电原理性实验，比如风力发电系统运行实验、电解制氢系统运行控制实验及燃料电池系统运行原理等；针对学有余力的大四学生和微网研究领域的电气工程专业研究生，以组织兴趣实验小组的形式，实行教师指导下的高年级学长负责制，开展一系列探究性和创新性实验，比如风能-氢能耦合系统运行实验、风-氢-燃料电池系统协调控制实验，以及智能微电网优化运行实验等。

图7 微网协调控制逻辑流程图

4.2 科研辅助

我校拥有电气工程国家重点一级学科，先后被列入国家“211”和“985”工程重点建设项目。在电力系统分析与控制、新能源开发利用领域研究历史悠久，研发实力雄厚。同时在多项国家科技支撑计划、863计划、国家自然科学基金、省部级重大项目等支持下，对新能源开发利用和微电网等实验平台的建设进行了理论到实践的深入研究，这些研究成果为该实验平台的建立提供了技术支持和实践经验。

同时，实验平台的建设也促进了学院在微网和新能源领域的科研实践活动，尤其是科研项目的申请和工程实施。比如，该实验平台有力支撑了学院相关科研团队承担国家十二五“863”项目“风电耦合制储氢燃料电池发电柔性微网系统开发及示范(2014AA052501)”“以可再生能源为主的冷热电联供微网系统关键技术研究”(2015AA0501374)等国家级项目，基于微网实验系统的建设和运行经验，成功研制一套基于风电耦合制储氢及燃料电池发电的柔性微网示范系统，该系统风机装机容量≥0.5 MW，产氢量≥20 m3/h，燃料电池发电系统≥30 kW，储氢容量≥400 m3，储氢压力可达35 MPa，在弃风现象严重的张北地区代表性风电场累计示范运行时间≥500 h，系统消纳弃风比例≥85%，本微网实验系统为相关项目申请和实施阶段的顺利开展提供了可靠保障。

该实验平台不但孵育了多项科研项目，而且收获了丰硕的科研成果，尤其是在新能源微网相关研究领域，学院科研团队近年来承担包括国家973、863计划、国家自然科学基金、浙江省科技计划重大项目等省部级以上项目52项，获得国家级科技奖励3项、省级科技奖励11项，发表相关SCI和EI收录论文535篇，研究成果在国内外重要期刊获得发表。

5 结 语

风电制氢-燃料电池微网实验系统平台的开发拓展了风电与氢能的互补利用新途径，突破大规模风电并网瓶颈，为风能资源的有效利用提供技术参考和相应工程示范。该实验系统的构建，为电气工程类专业学生提供了一个在分布式发电、微网等领域开展各种探索性实验的平台，为电气类工程师的培养提供了工程实训的可能性。同时，该实验平台的开发和应用，为学院科研人员在开展新能源和微网科研实验方面，以及申请和完成新能源领域省部级和国家级科研项目，提供了有力的技术支撑和理论储备。

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·名人名言·

知识是一座宝库,而实践则是开启宝库的钥匙。

——托马斯·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

国家自然科学基金项目(61371095)；国家高技术研究发展计划(863)项目(2014AA052501, 2015AA0501374)；浙江省自然科学基金项目(LY15E070001)；浙江省教育厅科研项目(Y201533326)；浙江大学实验技术研究重点项目(SZD201501)；浙江大学本科实验教学自制仪器设备项目(2016046)；浙江大学电气工程学院探究性实验项目；国网公司科技项目资助

张建良(1984-)，男，河南新野人，博士，讲师，现主要研究方向为复杂工业系统的分析与控制。

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

TM 727

A

1006-7167(2017)01-0054-05