400 kW氢燃料电池供电保障发电车结构与功能设计

王存平, 李洪涛, 王兴越, 姜秀丽, 王 鑫

(1.国网北京市电力公司 电力科学研究院, 北京100075; 2.北京华商三优新能源科技有限公司, 北京101106)

随着经济社会发展,重要用户、重大活动对不间断供电的要求以及抢险救灾等特殊情况对应急发电的需求不断增加,车载电源在供电保障中发挥着重要作用。目前常见的不间断供电保障车为不间断电源(uninterrupted power supply,UPS)电源车[1-2],应急发电车以柴油发电车为主。UPS电源车响应速度快,能够在电网电压异常时为重要负荷提供不间断电源支撑[3],但由于其不具有发电装置,UPS电池容量有限,不能为用户提供长时间的应急供电。柴油发电车具有容量大、持续供电时间长的特点,但其响应速度慢、低温起动难度大[4],无法实现不间断供电,同时空气污染严重、噪声大,不满足低碳环保的要求。实际保电中常将UPS不间断电源与柴油发电车搭配使用。

大力发展清洁能源是当今世界潮流,氢燃料电池技术受到广泛关注。日韩、欧洲的氢燃料电池技术相对成熟,已成功应用于小型电动汽车、公共交通等领域[5]。我国近年来也在大力发展氢燃料电池技术,在电池效率提升[6]、并网控制[7]等技术研究方面取得一定突破,目前已实施多个示范项目[8-11]。2019年6月,我国首部《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》发布[12],要求加快实现氢能与燃料电池技术创新,实现氢能及燃料电池技术在动力电源、移动电源、分布式电站等领域的示范与应用。

在移动应急电源应用方面,丰田和日本电友公司联合研发了20 kW的小功率氢燃料电池发电车。广东电网公司于2018年研制了国内首台100 kW氢燃料电池移动应急电源车,并在抗击台风应急供电中发挥了重要作用,这也是当时亚洲单体功率最大的氢燃料电池应急电源[13]。目前尚没有基于多组电池模块并联的更大功率氢燃料电池供电保障发电车的研发及应用案例。

本文基于氢燃料电池及现有供电保障发电车的相关技术,设计多个氢燃料电池模块并联、多种发储系统共存的氢燃料电池发电车的系统结构,研究提出整车控制策略及工作模式,支撑研发了国内外首台400 kW大功率氢燃料电池发电车。

1 氢燃料电池原理及特点

氢燃料电池是一种将氢气(燃料)和氧气(空气)通过电化学反应直接转化为电能的发电装置[14]。与普通电池不同,氢燃料电池兼具电池和发电机的特点,只要有燃料和空气不断输入,就能源源不断地产生电能。

常用的氢燃料电池按其电解质不同,可以分为质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)、碱性燃料电池(alkaline fuel cell,AFC)和磷酸燃料电池(phosphoric acid fuel cell,PAFC)。其中PEMFC效率高、能量密度高、启动速度快、环保性能好[15],在零排放交通动力和小型发电应用方面具有广阔前景。因此基于PEMFC的氢燃料电池发电车进行研究。

相比传统的柴油发电机组,氢燃料电池具有体积小、效率高、无污染、噪声低、安全性好等优势。国产某品牌氢燃料电池与传统的柴油发电机组的体积对比见表1。

表1 氢燃料电池与柴油发电机组的体积对比

2 氢燃料电池发电车系统结构设计

基于UPS发电车系统结构,设计由多个氢燃料电池模块并联、多种发储系统共存的400 kW氢燃料电池供电保障发电车系统结构,主要由氢燃料电池系统、DC/DC变换器、UPS系统、储能系统、储氢系统及监控系统等部分组成,如图1所示。氢燃料电池系统与储能系统一起并联,与UPS系统的直流母线相连接。

图1 氢燃料电池发电车系统结构示意图

2.1 氢燃料电池系统

目前国内外氢燃料电池单体电堆功率普遍不超过100 kW。本文采用模块化设计,便于安装维护与散热,由4组额定功率为100 kW的PEMFC氢燃料电池模块并联组成,燃料电池输出直流电压范围为240～360 V。每个电池模块均配置一个DC/DC直流变换器。氢燃料电池系统结构如图2所示。

图2 氢燃料电池系统结构示意图

2.2 DC/DC直流变换器

将燃料电池产生的可变电压变换至与UPS直流母线电压相匹配。其额定输出电压为540 V,且可根据负载情况灵活调整:当负载需要的电流大于DC/DC变换器输出电流时,DC/DC变换器输出电压会自动跌到与UPS电池(飞轮)相同,让飞轮也输出一部分电流以满足负载的需要;当DC/DC变换器输出电流满足负载要求时,DC/DC变换器输出电压会恢复到额定值,同时飞轮不对外输出电流。

2.3 储能系统

氢燃料电池启动需要10～20 s,在市电中断后、氢燃料电池启动之前,通过连接于UPS直流母线的储能系统为负载供电。目前常用的储能装置有化学电池、超级电容和飞轮。3种储能装置的主要性能对比见表2。

表2 3种储能装置的主要性能对比

氢燃料电池启动前需要储能系统供电时间不长,但需要在短时间内提供较大功率。这正是飞轮的优势所在。因此选择飞轮作为市电与氢燃料电池的短暂过渡电源。飞轮充放电速度快,可以快速响应市电电压及负荷波动,可减少冲击性负荷对氢燃料电池的影响,延长电池寿命。

另外,发电车选用纯电动底盘车,配有蓄电池储能系统。在“应急发电”时,利用蓄电池储能系统启动氢燃料电池,无须再单独配置启动电源,充分利用了发电车自身资源,节省了整车成本和空间。同时发电车可随时为底盘车电池充电,增加发电车行程灵活性,也实现了整车的清洁环保。

2.4 储氢系统

用于储存氢燃料电池所需要的氢气,由14个35 MPa、140 L的高压碳纤维气瓶、安装框架、管路等组成,安装于发电车的顶部。供氢系统设置单向电磁阀、压力传感器等。

2.5 监控系统

采用标准Modbus规约通信,用于实现对整车各部分的信号采集、三遥、保护、告警等功能。主要包括氢燃料电池发电系统启停机控制、飞轮启停控制、DC/DC变压器及UPS系统的输出控制、各种工作模式的切换控制等。

氢燃料电池发电车系统主要参数见表3。

表3 氢燃料电池发电车系统主要参数

3 氢燃料电池发电车功能设计

3.1 整车供电策略

氢燃料电池发电车具有氢燃料电池、飞轮、底盘车蓄电池3种发电及储能系统,利用多源互补特性[16],设计了氢燃料电池发电车多源协同运行控制策略以及氢燃料电池模块均流调整控制策略[17]。

3.1.1 多源协同运行控制策略

应用底盘车蓄电池为氢燃料电池系统提供应急启动电源,采用飞轮储能系统响应市电异常及快速的负荷波动,保障发电车的不间断输出与稳定运行。

当检测到市电中断或电压暂降时,控制系统立即启动氢燃料电池发电系统,同时控制飞轮储能系统为负载进行不间断供电,若飞轮储能系统能量不足(乘余电量SoC<30%),则控制底盘车蓄电池为负载供电。

当氢燃料电池模块正常启动、输出电压达到250 V时,控制DC/DC变换器输出至额定电压540 V,此时转由氢燃料电池发电系统为负载供电。控制流程如图3所示。

图3 氢燃料电池发电车多源协同运行控制流程

氢燃料电池与飞轮储能系统的协同运行控制原理如图4所示。

图4 协同运行控制原理示意图

3.1.2 氢燃料电池模块均流调整控制策略

氢燃料电池发电系统由4个氢燃料电池模块并联构成,每个电池模块的功率是100 W。控制系统根据实际负载大小,决定投入运行的电池模块数量。为保证各并联电池模块工作性能的稳定,进一步提出了多个氢燃料电池模块的均流调整控制策略。当实际投运的氢燃料电池模块在两个以上时,实时检测各电池模块配套DC/DC变换器的输出电流,并计算平均输出电流,据此控制各电池模块的输出电流,使各模块输出电流保持一致。控制策略流程如图5所示。

图5 多个氢燃料电池模块均流调整控制策略流程

3.2 发电车的4种工作模式

基于上述供电策略,氢燃料电池发电车具体有以下4种工作模式:

1)优化市电。市电正常时,市电经过发电车的UPS整流逆变系统,为负载提供优质电能。当市电受到干扰波形失真时,其通过氢燃料电池发电车的整流逆变系统转化成可靠、稳定、纯净的优质电供给负载,同时为储能系统充电。

2)不间断供电。市电中断或电压暂降时,储能系统放电,保证负载正常运行,同时启动氢燃料电池发电系统。氢燃料电池发电系统启动后,接替储能系统为负载供电,实现用户不间断用电,并为储能系统充电。

3)应急发电。无法依靠电网送电或作为冷备用的情况下,通过底盘车蓄电池启动氢燃料电池发电系统。氢燃料电池发电系统启动后,为负载供电,同时为飞轮储能系统和底盘车电池充电。

4)不停电检修。当市电供电时,若发电车UPS系统(或逆变器)出现故障(如输出过压、过流),转换为旁路供电模式,由市电直接为负载供电,对发电车进行检修。

4 试验与应用

研制的氢燃料电池发电车实物照片如图6所示,其与其他发电车的技术指标对比见表4。

图6 氢燃料电池发电车照片

表4 发电车技术指标对比

4.1 试验验证

对氢燃料电池发电车的不间断供电功能进行测试。市电取自车间内380 V三相电源,负载接60 kW电暖气阻性负载。开始时,市电经氢燃料电池发电车的UPS系统为负载供电,UPS逆变器跟踪市电的频率与相位,同时市电经UPS整流器为飞轮充电储能。

在41 s左右时切断市电,207 s左右时恢复市电,观察记录氢燃料电池发电车在市电中断情况下的输出性能,以验证其不间断供电功能。另外,在氢燃料电池发电过程中,在192 s左右时,人工控制断开氢燃料电池输出回路,观察记录飞轮的输出电流,以验证在氢燃料电池意外故障情况下飞轮的响应速度及运行性能。

采用功率分析仪分别记录市电电压u1、输出电压(负载电压)u2、直流母线电压u3的有效值曲线,如图7(a)所示;记录市电电流i1、输出电流(负载电流)i2、飞轮电流idc1、氢燃料电池电流idc2的有效值曲线,如图7(b)所示。

图7 电压、电流试验曲线

由图7可见,在41 s市电断电时,飞轮瞬间释能放电,经逆变器转换成交流电供给负载,使得输出电压有效值Urms2维持在230 V(单相),电流有效值Irms2维持在90 A,同时启动氢燃料电池。经过约15 s的时间,氢燃料电池完全启动,飞轮停止放电,此时氢燃料电池输出电流,向负载供电,维持Urms2和Irms2保持不变,同时向飞轮充电储能。在192 s的时候,断开氢燃料电池输出回路,此时飞轮亦能够瞬间释能放电,维持负载电压电流Urms2和Irms2保持不变。在207 s市电恢复供电后,飞轮停止放电,此时由市电为负载供电并向飞轮充电储能,维持Urms2和Irms2保持不变。

试验结果显示,在市电断电及恢复供电时,氢燃料发电车均能够维持输出电压与电流稳定,实现对负载(重要用户)的不间断供电。飞轮储能系统响应迅速,在市电断电及氢燃料电池意外掉电情况下,均能够迅速输出电流,保证不间断供电并为氢燃料电池发电系统启动提供保障。

4.2 现场应用

目前,该氢燃料电池发电车已成功应用于北京延庆冬奥赛区及国家速滑馆的应急供电保障中,实现了场馆负荷的绿色应急供电。

人民日报、北京日报等多家媒体对此进行报道。2021年9月30日人民日报海外版报道[18]:9月29日,国网北京市电力公司在国家速滑馆举行冬奥测试赛供电保障应急演练,由该公司自主研发的国内首台大容量在线并网式氢燃料电池发电车亮相。这种发电车具备不间断供电和应急发电功能,可在场馆临时供电设备出现故障时提供优质可靠的绿色电源。氢能源发电车可在-40～50 ℃的环境中运行,满载后可发电2 h,同时支持在线加氢。

图8为氢燃料电池发电车在北京冬奥会期间,为国家速滑馆临电设施供电保障的照片。

图8 氢燃料电池发电车现场应用照片

5 结语

将氢燃料电池应用于供电保障发电车中,提出了氢燃料电池发电车的结构及功能设计方法。亮点及创新点如下:

1)氢燃料电池发电车主要由氢燃料电池系统、UPS系统、飞轮储能系统、监控系统及纯电动底盘车等部分组成,实现了整车节能环保。

2)氢燃料电池系统由4个100 kW的电池模块并联组成,提出了多个电池模块的均流调整控制策略,并提出了发电车多源协同运行控制策略,实现了发电车的功率提升与不间断输出。

3)运用本文的方法支撑研制了国内外首套400 kW的大功率氢燃料电池发电车,测试及应用结果表明氢燃料电池发电车输出性能稳定。

氢燃料电池发电车可作为“柴油发电车+UPS电池车”模式的替代产品,能够为重要负荷提供长时间的不间断供电,具有重大意义与社会价值,应用前景非常广阔。