基于大容量燃料电池的氢综合利用站现场测试方法及内容研究

徐晨 滕越 须琳 王缔

摘要：我国正面临能源结构调整和生态环境问题的挑战，加快氢能产业发展和应用，发展氢能产业势在必行，大容量氢燃料电池的开发与应用可以有效解决新能源消纳、用能优化、削峰填谷等能源利用问题。目前，大容量燃料电池的现场测试内容及方法还没有相关标准来进行规范，因此有必要针对大容量燃料电池现场测试内容及方法展开深入的研究，本文主要针对电解水制氢及氢燃料电池系统介绍相关测试内容及方法。

关键词：大容量燃料电池，氢综合利用系统，电解水制氢，现场测试，内容及方法

近年来，随着全球应对气候变化压力的持续增加，氢气作为一种能量载体越来越受到人们的关注。根据国际氢能委员会预测，到2050年，氢能源预计将占全球能源需求量的18%，有望推动全球每年减少60亿CO排放。美国、欧洲、日本等国家和地区将发展氢能和燃料电池技术提升到了国家战略层面，制定了发展规划和路线图，开发关键技术，推动示范应用。

我国十分重视氢能与燃料电池技术和产业发展。2016年以来，我国多项政策和规划中，明确提出要发展氢能和燃料电池产业。《国家创新驱动发展战略纲要》和《氢能技术革命创新行动计划（2016-2030）》强调要开发氢能、燃料电池等新一代能源技术。利用光伏、风电、水电来制氢储能，再利用氢能解决电网用能优化、削峰填谷等能源利用问题，既可以实现低碳低成本制氢，也可以有效解决国内弃风、弃光、弃水现象。

本文依托于六安兆瓦级氢能综合利用站科技示范项目，开展针对大容量燃料电池现场测试内容及方法的研究。该项目设计总输出功率为1.3MW，额定功率1MW，年运行小时数在4000左右，具有电网调峰填谷作用，定位为地区小型储能电站，可在用电低谷时电解水制氢，在用电高峰时利用氢燃料发电。

1 氢综合利用站

1.1 设备及系统概述

1.1.1 电解水制氢系统

电解水制氢系统主要包括PEM纯水电解槽及一套制氢辅助系统。制氢装置为组装单元式箱式结构，制氢装置由下述部件组成：氢分离洗涤器、气体分离器、循环水冷却器、循环泵、氢气纯化与干燥器、管路、阀门及一次仪表等构成。

1.1.2燃料电池系统

燃料电池电堆模块采用箱式结构，可快速定位及简便拆装。燃料电池发电电站采用燃料电池模块组合而成。燃料电池模块由以下部件组成：燃料电池电堆、氢气比例阀、空气比例阀、分水器、单向阀、回流泵、排放阀、各个工艺流体接口、传感器及燃料电池模块控制器等。

1.1.3 站用电电源系统

站用电可供电源系统情况如下：

高压站用电：10kV，单母线，中性点不接地。

低压站用电：380V/220V，单母线，中性点直接接地。

2 标准与依据

目前对氢综合利用站接入电网调试及检测暂无技术规定，为保障工程整体的安全、质量、进度，我们依据《火力发电建设工程机组调试技术规范》（DL/T 5294-2013）、《电化学储能系统接入电网技术规定》（GB/T 36547-2018）、《电化学储能系统接入电网测试规范》（GB/T 36548-2018）等标准为基础，开展针对氢综合利用站测试内容及方法的研究。

3 测试原则

（1）氢综合利用站建设工程的测试工作应由具有相应资质能力的单位承担。

（2）工程建设单位在确定工程施工单位的同时，应确定承担测试的单位，工程建设单位宜邀请调试专家参与初步设计审查、设备招投标等与工程建设有关的前期工作，对系统设计、设备选型、机组启动调试设施的合理性提出意见和建议，以确保工程建设和测试工作的顺利进行。

（3）多单位参与测试的工程，建设单位应明确一个主体测试单位。主体测试单位应对测试进度进行总体安排和协调，并对结合部位的系统完整性、安全可靠性进行检查。

4 测试的主要任务

（1）机组测试工作，应按照国家和行业现行的相关标准、规程、规范、导则、规定以及设计和设备技术文件要求进行。

（2）工程安装施工阶段，建设单位应提供给测试单位一套设计及设备制造厂家的图紙和资料、以及建设单位编制的工程一级网络计划、工程建设各种管理制度等相关文件测试单位应依据这些图纸、资料和相关文件，完成测试计划、测试方案等各种文件的编写、审核、批准工作;做好各种传动验收记录表、系统试运条件检查确认表、以及测试需用仪器的准备工作。并深入现场，熟悉设备和系统，对发现的问题以联络单的方式提出建议。

（3）氢综合利用站分部试运阶段，测试单位应参加单机试运条件检查、单机试运及验收，完成设备或系统联锁保护逻辑传动;负责分系统测试措施交底，并做好调试措施交底记录，组织分系统试运条件检查，负责分系统试运技术指导和设备系统试运记录，填写分系统测试质量验收，对试运中出现的问题提出解决方案或建议。

（4）氢综合利用站整套启动试运阶段，测试单位应出任试运指挥部整套试运组组长，全面主持整套启动试运指挥工作，主持试运调度会，组织整套启动试运条件检查确认，负责整套启动和各项试验前调试、试验措施交底，并做好交底记录，组织完成各项试验项目，全面检查试运机组各系统的合理性和完整性，参加试运值班，监督和指导运行操作，做好试运记录，对试运中出现的重大技术问题提出解决方案或建议。

（5）氢综合利用站移交生产后，测试单位应在规定的时间内完成各项测试报告的编写、审核、批准及印刷出版，按时移交存档资料。在生产单位的安排下，继续完成合同中未完成的测试项目，进行调试质量回访。

5 测试内容

测试对象包括制氢系统设备测试及发电系统设备测试，主要内容应包括分系统测试及整套启动并网测试。

5.1 分系统测试

5.1.1 制氢系统设备测试

（1）制氢辅助系统单体设备测试

a）纯水系统测试;

b）外部冷却循环水系统测试;

c）制氢内部冷却水系统测试。

（2）制氢系统测试

a）制氢控制系统测试;

b）制氢整流系统测试;

c）系统氮气置换测试;

d）制氢系统进行氢气置换工作测试。

5.1.2 发电系统设备测试

（1）发电辅助系统单体设备测试;

a）空气供给系统;

b）外部冷却水循环系统;

c）内部冷却水循环系统;

d）热量回收系统;

e）水回收系统。

（2）发电系统测试

a）发电控制系统测试;

b）发电逆变系统测试;

c）发电模块启动流程测试;

d）发电模块运行流程测试;

e）发电模块停车流程测试。

5.2 制氢及发电系统并网测试

（1）有功功率测试;

（2）无功功率测试;

（3）过载能力测试;

（4）响应时间测试;

（5）调节时间测试;

（6）电能质量测试;

（7）额定制氢能力测试;

（8）制氢效率测试;

（9）额定功率能量转换效率测试。

6 测试方法及步骤

6.1 制氢及发电分系统测试

6.1.1 制氢系统设备测试

制氢系统首先调试辅控系统，其次为制氢系统。当辅控系统调试完毕后，逐次调节制氢系统。

6.1.1.1 制氢辅助系统单体设备调试

（1）纯水系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）厂商检查各管道连接是否连接正常。

c）设备是否需要打压测试。

d）做好好设备上电之前的检查工作，检查无误，上电。

e）观察一级、二级渗透电导率是否正常。

f）观察EDI模块是是否正常，流量是否正常。

g）加药泵调节工作时间，记录相应数据。

h）反冲洗装置是否按预定时间工作。

i）纯水水质是否正常，按设计方案达到技术指标要求。

j）测试原料水箱与纯水机之间设备连锁工作，自动停机是否正常。

k）单体开机运行24小时测试设备运转稳定性，若出现设备异常，返回第一步重新检查执行，直至设备调试合格。

l）做好设备运行数据记录。

（2）外部冷却循环水系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）检查各管道连接是否连接正常。

c）设备管道打压测试结束。

d）做好好设备上电之前的检查、校核工作，检查无误，上电。

e）系统开机。

f）清理冷却水池杂物，冲洗干净。

g）打开自来水工业水管道，冷却水池补水，加注合适液位。

h）上位机系统下达开机指令，（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试）。

i）测试冷却塔风机工作状况，检查风机运转方向，风机工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

j）外部冷却系统阀门处于开路状态，45KW冷冻机、120KW冷水机、燃电部分外部冷却水管路处于开路状态。

k）控制系统下达开机指令，外部冷水循环泵按设定频率运行。检查循环水泵运转方向、压力、工作电流是否正常。

l）外部冷去循环系统开机正常运行后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

（3）制氢内部冷却水系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）检查各管道连接是否连接正确。

c）设备管道打压测试结束，管道吹扫满足工艺要求。

d）做好好設备上电之前的检查、校核工作，检查无误，上电。

e）将原料水手动补充至冷冻机循环水箱。

f）开启外部冷却水系统，相应阀门处于开路状态。

g）制氢系统循环水路处于开路状态。

h）系统开机，上位机系统下达开机指令，（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试）。

i）测试冷冷冻机工作状况，检查电机运转方向，风机工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

j）根据工艺要求设定冷水机工作参数，运行设备状态。

k）设备连续运行，记录保运状态。

l）内部冷去循环系统开机正常运行后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

6.1.1.2制氢系统调试

（1）控制系统

a）核对各仪表点位，接线是否正常。

b）循环水泵等接线正确，各仪表等接地无误。

c）控制系统上电，检测各点位仪表数据读取状况。

d）上位系统下达指令，检查阀门动作情况。

e）检查各系统通讯状态。

f）数据读取异常，经处理正常后再继续进行调试工作。

（2）整流系统

a）整流系统动力电缆接到电源的正和负的DC输出端子上。在制氢设备内，连接正DC电缆到正极端压板上，连接负DC电缆到负极端压板上。

b）确保DC动力电缆连接到正确的正和负接线头上，接反极性将会造成非常危险的后果。制氢设备和电源必须接地至提供的接地板上。

c）进行开机测试。

d）检查信号传输是否正常。

e）电流电压给定有无异常。

（3）系统氮气置换

a）进行高压瓶组、中间缓冲罐、压缩机氮气置换。

b）高压瓶组排空瓶内保压气体，冲入氮气，使其压力上升至0.4mpa，压力升到0.4mpa后放空，保留与余压至0.1mpa。循环执行3-4次。氢气中间缓冲罐、氢气压缩机系统依次执行。

c）从氢气中间缓冲罐冲入氮气，维持工作状态。开启氢气压缩机，将氮气通过系统打入高压瓶组，实施过程中需有压缩机厂家在场进行配合，另需提供设备打压方案。

d）高压瓶组达到工作压力，停机。关闭相应阀门，进行保压测试。管道、设备无压降，实验结束。实验结束后将压力降至0.2mpa。

e）进行制氢系统氮气置换。

f）制氢系统打入氮气至设备运行最高压力，做设备严密性试验（保压12小时）。严密性试验不合格，不得进行下一步操作，试验合格将压力降至0.1mpa。

g）制氢设备补水至设定液位，进行内部内循环清洗工作，清洗工作结束，检查各部位过滤器并清洗。重复第f）条工作，继续进行严密性实验。

h）根据工艺要求设定参数，各系统再次确认无误后，准备开机。

i）上位机下达指令，各冷却系统正常工作。运行制氢设备，设备自动进行3次氮气置换，氮气置换结束后，按照预设参数自动开机。

（4）制氢系统进行氢气置换工作。

a）制氢机经分离、纯化系统进入氢气中间缓冲罐。

b）缓冲罐压力达到工作要求。开启氢气压缩机，将氢气压缩至高压瓶组。

c）高压瓶组压力上升至0.5mpa，制氢机开启放空系统，氢压机停机。氢气中间缓冲罐、高压瓶组泄压，将压力至0.1map。重复执行直至高压瓶组放空、取样气体纯度达到99.999%。

d）以上工作完成制氢系统正常运行。

6.1.2 发电系统设备调试

发电系统首先调试辅助系统，其次调试6套燃料电池發电模块。当辅助系统调试完毕后，逐次调节6套燃料电池发电模块。

6.1.2.1 辅助系统单体设备调试

（1）空气供给系统

a）空压机房环境，必须通风良好，防雨防暴晒;

b）空压机摆放平整，对齐，维修空间足够;

c）检查空压机是否有运输及安装中的损伤;

d）检查空压机电源接线是否符合要求;

e）检查空压机出口连接管路是否规范;

f）检查储气罐的压力表，安全阀，排污阀等附件是否齐全;

g）检查冷却器管路连接是否负荷要求;

h）空气供给系统开机，检查空压机面板是否正常显示;

i）空压机通电后，会自动测试电源相序，若相序错误会提醒显示并保护，按电气操作规定断电更换相序后再次申请送电;

j）在空压机操作面板中检查各项参数;

k）按实际使用压力要求对空压机进行设定;

l）检查空压机系统中各阀门，并关闭储气罐后的截止阀;

m）空压机开机，观察空压机气压达到设定压力上限后是否自动卸载;

n）检测空压机连接管路是否有泄漏，如有则及时整改;

o）将储气罐下端的排污阀打开放气，观察压力降到设定下限后空压机是否自动启动加载;

p）做好设备运行数据记录。

（2）外部冷却水循环系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）检查各管道连接是否连接正常。

c）设备管道打压测试结束。

d）做好好设备上电之前的检查、校核工作，检查无误，上电。

e）系统开机。

f）清理冷却水池杂物，冲洗干净。

g）打开自来水工业水管道，冷却水池补水，加注合适液位。

h）上位机系统下达开机指令，（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试，）

i）测试冷却塔风机工作状况，检查风机运转方向，风机工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

j）外部冷却系统阀门处于开路状态，45KW冷冻机、120KW冷水机、燃电部分外部冷却水管路处于开路状态。

k）控制系统下达开机指令，外部冷水循环泵按设定频率运行。检查循环水泵运转方向、压力、工作电流是否正常。

l）外部冷去循环系统开机正常运行后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

（3）内部冷却水循环系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）厂商检查各管道连接是否连接正常。

c）设备管道打压测试结束。

d）做好设备上电之前的检查、校核工作，检查无误，上电。

e）系统开机，打开补水用管道，上位机系统下达补水指令。

f）测试补水水泵工作状况，检查电机运转方向，工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

g）中间水箱加注至合适液位。

h）上位机系统下达开机指令（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试）。

i）测试冷却水泵工作状况，检查电机运转方向，工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

j）内部冷却系统阀门处于开路状态。

k）控制系统下达开机指令，内部冷水循环泵按设定频率运行。检查循环水泵运转方向、压力、工作电流是否正常。

l）内部冷去循环系统开机正常运行后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

（4）热量回收系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）检查各管道连接是否连接正确。

c）设备管道打压测试结束，管道吹扫满足工艺要求。

d）做好好设备上电之前的检查、校核工作，检查无误，上电。

e）系统开机，打开补水用管道，储热水箱补水，加注合适液位。

f）热量回收系统阀门处于开路状态。

g）上位机系统下达热水循环泵开机指令（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试）。

h）测试热水循环泵工作状况，检查电机运转方向，工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

i）供热系统阀门处于开路状态。

j）上位机系统下达热水循环泵开机指令，（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试，）。

k）测试供热水泵工作状况，检查电机运转方向，工作电流。出现任何异响及故障及时停机检查。

l）热量回收系统开机正常运行后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

（5）水回收系统

a）检查外部给水管道是是否满足要求，管路连接是否正确。

b）检查各管道连接是否连接正确。

c）设备管道打压测试结束，管道吹扫满足工艺要求。

d）做好好设备上电之前的检查、校核工作，检查无误，上电。

e）系统开机，储水箱A补水，加注合适液位。

f）水回收系统阀门处于开路状态。

g）上位机系统下达排水泵开机指令（测试之前解除负载，当指令下达无误，合并负载开车测试）。

h）测试排水泵工作状况，检查电机运转方向，工作电流。出现任何异响及故障及时停机检修。

i）水回收系统开机正常运行后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

6.1.2.2 发电系统

（1）控制系统

a）核对各仪表点位，接线是否正常。

b）循環水泵等接线正确，各仪表等接地无误。

c）控制系统上电，检测各点位仪表数据读取状况。

d）上位系统下达指令，检查阀门动作情况。

e）检查各系统通讯状态。

f）数据读取异常，不在进行下一步。

（2）逆变系统

a）发电模块正极端子通过动力电缆连接至逆变器组正的DC输入端子上，发电模块负极端子通过动力电缆连接至逆变器组负的DC输入端子上。

b）确保DC动力电缆连接到正确的正和负接线头上，接反极性将会造成非常危险的后果。

c）进行开机测试，检查信号传输是否正常。

d）并网功率给定有无异常。

（3）发电模块启动流程

a）检查各管道连接是否连接正确。

b）检查氢气、氮气及空气管道气源压力是否满足需求。

c）检查发电模块电路是否连接正确。

d）发电模块气路、水路手动阀门处于开路状态。

e）上位机系统下达发电模块启动指令。

f）测试各阀门动作顺序是否符合要求，出现任何异响及故障及时停机检查。

g）发电模块启动后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

（4）发电模块运行流程

a）启动无异常，上位机系统下达发电模块运行指令。

b）到达工作温度后，进行发电模块加载，各点稳定运行10min。

c）加载到额定功率后持续稳定运行60min。

d）测试各阀门动作顺序是否符合要求，出现任何异响及故障及时停机检查。

e）发电模块运行中，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

f）记录发电模块运行中，电压、电流及压力测点等数据。

（5）发电模块停车流程

a）上位机系统下达发电模块停车指令。

b）测试各阀门动作顺序是否符合要求，出现任何异响及故障及时停机检查。

c）发电模块停车后，检查各系统压力管路有误滴漏跑帽现象，出现问题及时停机检修。

d）发电模块气路、水路手动阀门处于关闭状态。

e）以上工作完成发电模块调试。

6.2 制氢及发电系统并网测试

6.2.1 有功功率测试

6.2.1.1 升功率测试

将氢能综合利用站接入电网运行，所有参数调至正常工作条件，进行有功功率调节能力升功率测试PN，各个功率点保持至少30s，在燃料电池发电系统并网点测量时序功率，以每0.2s有功功率平均值为一点，记录实测数据，步骤如下：

（1）设置燃料电池发电系统有功功率为0;

（2）逐级调节有功功率至0.25PN、0.5PN、0.75PN、PN，各个功率点保持至少30s，在燃料电池发电系统并网点测量时序功率，以每0.2s有功功率平均值为一点，记录实测数据;

（3）以每次有功功率变化后的第二个15s计算15s有功功率平均值;

计算步骤（4）各点有功功率的控制精度、响应时间和调节时间。

6.2.1.2 降功率测试

将氢能综合利用站接入电网运行，所有参数调至正常工作条件，进行有功功率调节能力降功率测试，步骤如下：

（1）设置燃料电池发电系统有功功率为PN;

（2）逐级调节有功功率至PN、0.75PN、0.5PN、0.25PN、0，各个功率点保持至少30s，在燃料电池发电系统并网点测量时序功率，以每0.2s有功功率平均值为一点，记录实测数据;

（3）以每次有功功率变化后的第二个15s计算15s有功功率平均值;

（4）计算步骤（2）各点有功功率的控制精度、响应时间和调节时间。

6.2.2 无功功率测试

6.2.2.1 无功功率调节能力测试

将燃料电池发电系统与公共电网相连，所有参数调至正常工作条件，进行无功功率调节能力放电模式测试，步骤如下：

（1）设置燃料电池发电系统放电有功功率为PN;

（2）调节燃料电池发电系统运行在输出最大感性无功功率工作模式;

（3）在燃料电池发电系统并网点测量时序功率，至少记录30s有功功率和无功功率，以每0.2s功率平均值为一点，计算第二个15s内有功功率和无功功率的平均值;

（4）分别调节燃料电池发电系统放电有功功率为0.9PN、0.8PN、0.7PN、0.6PN、0.5PN、0.4PN、0.3PN、0.2PN、0.1PN、0，重复步骤（2）～（3）;

调节燃料电池发电系统运行在输出最大容性无功功率工作模式，重复步骤（3）～（4）;

以有功功率为横坐标，无功功率为纵坐标，绘制燃料电池发电系统功率包络图。

6.2.2.2 无功功率控制测试

将氢能综合利用站接入电网运行，所有参数调至正常工作条件，进行无功功率控制测试，步骤如下：

（1）设置燃料电池发电系统有功功率为0;

（2）设定QL和QC为此功率下燃料电池发电系统无功功率输出跳变限值，调节燃料电池发电系统运行在输出最大感性无功功率和最大容性无功功率;

按照下图的设定曲线控制燃料电池发电系统的无功功率，在燃料电池发电系统并网点测量时序无功功率，以每0.2s无功功率平均值为一点，记录实测曲线;

（3）计算无功功率调节精度和响应时间;

（4）分别调节燃料电池发电系统放电有功功率为0.5PN、PN，重复步骤（2）～（4）。

6.2.2.3 功率因数调节能力测试

将氢能综合利用站接入电网运行，所有参数调至正常工作条件，进行功率因数调节能力测试，步骤如下：

（1）将燃料电池发电系统放电有功功率分别调至0.25PN、0.5PN、0.75PN、PN四个点;

（2）调节燃料电池发电系统功率因数从超前0.95开始，连续调节至滞后0.95，调节幅度不大于0.01，测量并记录燃料电池发电系统实际输出的功率因数;

6.2.3 过载能力测试

在氢储能系统制氢和燃料电池发电两种状态下分别进行过载能力测试。

6.2.3.1 电解水制氢状态过载能力测试

（1）设置PEM电解槽工作电流至1.1IN，连续运行10min，在输入电源柜处测量工作电流，记录实测曲线，测试出氢纯度、出氢量;

（2）设置PEM电解槽工作电流至1.2IN，连续运行10min，在输入电源柜处测量工作电流，記录实测曲线，测试出氢纯度、出氢量。

6.2.3.2 燃料电池发电状态过载能力测试

（1）设置燃料电池发电系统有功功率设定值至1.1PN，连续运行10min，在并网点测量时序功率，以每0.2s有功功率平均值为一点，记录实测曲线;

（2）设置燃料电池发电系统有功功率设定值至1.2PN，连续运行10min，在并网点测量时序功率，以每0.2s有功功率平均值为一点，记录实测曲线。

6.2.4 响应时间测试

在氢储能系统制氢和燃料电池发电两种状态下分别进行响应时间测试。

6.2.4.1 电解水制氢系统响应时间测试

（1）热启动

a）在额定功率制氢条件下，将制氢调整至热备用状态，测试制氢启动时间。测试步骤如下：

b）记录电解水制氢系统热备用状态下收到控制信号的时刻，记为tc1;

c）记录电解水制氢系统制氢能力首次达到90%额定功率的时刻，记为tc2;

d）按照RTc1=tc2-tc1计算电解水制氢系统热启动时间;

e）重复（a）、（b）两次，电解水制氢系统热启动时间取3次测试结果的最大值。

（2）冷启动

a）在额定功率制氢条件下，将制氢系统设置为冷备用状态，测试制氢启动时间。测试步骤如下：

b）记录电解水制氢系统冷备用状态下收到控制信号的时刻，记为tc3;

c）记录电解水制氢系统制氢能力首次达到90%额定功率的时刻，记为tc4;

d）按照RTc2=tc4-tc3计算电解水制氢系统冷启动时间;

e）重复（a）、（b）两次，电解水制氢系统冷启动时间取3次测试结果的最大值。

6.2.4.2 燃料电池发电系统响应时间测试

（1）热启动

在额定功率发电条件下，将氢燃料电池系统调整至热备用状态，测试氢燃料电池系统发电响应时间。测试步骤如下：

a）记录氢燃料电池发电系统热备用状态下收到控制信号的时刻，记为tr1;

b）记录氢燃料电池系统发电功率首次达到90%额定功率的时刻，记为tr2;

c）按照RTr1=tr2-tr1计算氢燃料电池发电系统响应时间;

d）重复（a）、（b）两次，氢燃料电池发电系统热启动时间取3次测试结果的最大值。

（2）冷启动

在额定功率发电条件下，将氢燃料电池系统调整至冷备用状态，测试氢燃料电池系统发电响应时间。测试步骤如下：

a）记录氢燃料电池发电系统冷备用状态下收到控制信号的时刻，记为tr3;

b）记录氢燃料电池发电系统功率首次达到90%额定功率的时刻，记为tr4;

c）按照RTr2=tr4-tr3计算氢燃料电池系统发电响应时间;

d）重复（a）、（b）两次，氢燃料电池发电系统冷启动时间取3次测试结果的最大值。

6.2.5 调节时间测试

在电解水制氢系统制氢和燃料电池发电两种状态下分别进行调节时间测试。

6.2.5.1 电解水制氢系统调节时间测试

在额定功率制氢条件下，将电解水制氢系统调整至热备用状态，测试电解水制氢系统调节时间。测试步骤如下：

a）记录电解水制氢系统收到控制信号的时刻，记为tn1;

b）记录电解水制氢系统出氢量的偏差维持在额定出氢量±2%以内的起始时刻，记为tn2;

c）按照ΔTn=tn2-tn1计算电解水制氢系统调节时间;

d）重复（a）、（b）两次，电解水制氢系统制氢调节时间取3次测试结果的最大值。

5.2.5.2燃料电池发电系统调节时间测试

在额定功率发电条件下，将燃料电池系统调整至热备用状态，测试燃料电池系统发电调节时间。测试步骤如下：

a）记錄燃料电池系统收到控制信号的时刻，记为tn3;

b）记录燃料电池系统发电电功率的偏差维持在额定功率的±2%以内的起始时刻，记为tn4;

c）按照ΔTn=tn4-tn3计算燃料电池系统发电调节时间;

d）重复（a）、（b）两次，燃料电池系统发电响应时间取3次测试结果的最大值。

6.2.6 电能质量测试

6.2.6.1 谐波、闪边、不平衡等测试

将燃料电池发电系统连接站内母线，所有参数调至正常工作条件，进行电能质量测试，步骤如下：

将测试仪器连接在燃料电池发电系统出口侧PT、CT端，实时录取数据，测试仪器每隔3秒自动存储一次数据记录。仪器在每个记录存储的间隔内连续测量，并取连续测量的平均值作为该存储间隔内的数据记录。测试参数包括：

测试时段内三相电压有效值;

测试时段内三相电流有效值;

测试时段内电压基波有效值、2-50次电压谐波分量、电压波形总畸变率和95%概率统计值;

测试时段内电流基波有效值、2-25次电流谐波分量、波形总畸变率和95%概率统计值;

测试时段内测点三相电压不平衡度;

测试时段内测点电压长时间闪变值;

测试时段内测点视在功率、有功功率、无功功率和功率因数;

数据处理：最终测试结果取测试时段内所有数据记录的95%概率大值（电压闪变值除外），对于三相系统，则取最大相为最终测试结果。

6.2.6.2 直流分量测试

将燃料电池发电系统功率因数调为1，输入电流至额定电流的33%，保持1min;

测量燃料电池发电系统输出端各相电压，电流有效值和电流的直流分量（频率小于1Hz即为直流），在同样的速率和时间窗下测试5min;

当各相电压有效值的平均值与额定电压的误差小于5%，且各相电流有效值的平均值与测试电流设定值的偏差小于5%时，采用各测量点的绝对值计算各相电流直流分量幅值的平均值;

调节燃料电池发电系统输入电流分别至额定输出电流的66%和100%，保持1min，重复步骤（2）～（3）。

6.2.7 额定制氢能力测试

启动电解水制氢系统，在运行参数稳定后，按下述工况运行：工作电流从0A开始增加至额定工作电流，以150A/3min增幅增大工作电流，同样方法降低至0A，记录电解槽产气量。

6.2.8 制氢效率测试

测试工作在制氢系统的额定工况下进行。制氢系统单位能耗等于单位直流能耗和单位交流能耗之和。

单位直流能耗计算：根据测得的直流电压值，电解槽的小室数，依据标准《水电解制氢系统能效限定值及能效等级》（GB 32311-2015），计算出电解槽平均小室电压及单位直流能耗。单位直流能耗测试次数不宜少于6次，间隔10min，取平均值。

单位交流能耗计算：根据测得碱液泵、补水泵及控制用电功率及制氢系统的单位交流能耗，单位直流能耗与单位交流能耗相加得到制氢系统单位能耗，计算得到制氢效率。

6.2.9 氢燃料电池发电系统额定功率能量转换效率测试

在氢燃料电池发电系统额定功率发电条件下，测试整站的额定功率能量转换效率。测试步骤如下：

（1）以额定功率发电至发电终止条件时停止发电;

（2）以额定功率制氢至制氢终止条件时停止制氢，记录本次制氢过程中制氢系统消耗的能量EC和辅助能耗WC;

（3）以额定功率发电至发电终止条件时停止发电，记录本次发电过程中氢储能系统发电的能量En和辅助能耗Wn;

重复（2）、（3）步骤两次，记录每次制氢/发电能量EC、En和辅助能耗WC、Wn;按照计算能量转换效率。

7结论

本文从测试标准与依据、测试原则、测试的主要任务、测试内容、测试方法及步骤等方面细致介绍了基于大容量燃料电池的氢能综合利用站现场测试内容，通过进行以上检测项目，可详细分析出制氢系统及燃料电池发电系统的工作特性和电气参数，对于深入研究及开发燃料电池的大容量并网控制策略及氢能综合利用站接入电网有较强的指导意义。

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作者简介：徐晨（1990-），女，陕西华县人，工程师，本科，工作方向：发电机组及变电站调试。