王存平, 李洪濤, 王興越, 姜秀麗, 王 鑫

(1.國(guó)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(huì)發(fā)展,重要用戶、重大活動(dòng)對(duì)不間斷供電的要求以及搶險(xiǎn)救災(zāi)等特殊情況對(duì)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(jiàn)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(shí)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(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)急供電。柴油發(fā)電車具有容量大、持續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),但其響應(yīng)速度慢、低溫起動(dòng)難度大[4],無(wú)法實(shí)現(xiàn)不間斷供電,同時(shí)空氣污染嚴(yán)重、噪聲大,不滿足低碳環(huán)保的要求。實(shí)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(duì)成熟,已成功應(yīng)用于小型電動(dòng)汽車、公共交通等領(lǐng)域[5]。我國(guó)近年來(lái)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(shí)施多個(gè)示范項(xiàng)目[8-11]。2019年6月,我國(guó)首部《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》發(fā)布[12],要求加快實(shí)現(xiàn)氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)氫能及燃料電池技術(shù)在動(dòng)力電源、移動(dòng)電源、分布式電站等領(lǐng)域的示范與應(yīng)用。

在移動(dòng)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(guó)內(nèi)首臺(tái)100 kW氫燃料電池移動(dòng)應(yīng)急電源車,并在抗擊臺(tái)風(fēng)應(yīng)急供電中發(fā)揮了重要作用,這也是當(dāng)時(shí)亞洲單體功率最大的氫燃料電池應(yīng)急電源[13]。目前尚沒(méi)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(jì)多個(gè)氫燃料電池模塊并聯(lián)、多種發(fā)儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外首臺(tái)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(diǎn)

氫燃料電池是一種將氫氣(燃料)和氧氣(空氣)通過(guò)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(diǎn),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(dòng)速度快、環(huán)保性能好[15],在零排放交通動(dòng)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(wú)污染、噪聲低、安全性好等優(yōu)勢(shì)。國(guó)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(duì)比見(jiàn)表1。

表1 氫燃料電池與柴油發(fā)電機(jī)組的體積對(duì)比

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

基于UPS發(fā)電車系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)由多個(gè)氫燃料電池模塊并聯(lián)、多種發(fā)儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)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(chǔ)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(guó)內(nèi)外氫燃料電池單體電堆功率普遍不超過(guò)100 kW。本文采用模塊化設(shè)計(jì),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(gè)電池模塊均配置一個(gè)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(shí),DC/DC變換器輸出電壓會(huì)自動(dòng)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(shí),DC/DC變換器輸出電壓會(huì)恢復(fù)到額定值,同時(shí)飛輪不對(duì)外輸出電流。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)

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

表2 3種儲(chǔ)能裝置的主要性能對(duì)比

氫燃料電池啟動(dòng)前需要儲(chǔ)能系統(tǒng)供電時(shí)間不長(zhǎng),但需要在短時(shí)間內(nèi)提供較大功率。這正是飛輪的優(yōu)勢(shì)所在。因此選擇飛輪作為市電與氫燃料電池的短暫過(guò)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(dòng),可減少?zèng)_擊性負(fù)荷對(duì)氫燃料電池的影響,延長(zhǎng)電池壽命。

另外,發(fā)電車選用純電動(dòng)底盤車,配有蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。在“應(yīng)急發(fā)電”時(shí),利用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)氫燃料電池,無(wú)須再單獨(dú)配置啟動(dòng)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(shí)發(fā)電車可隨時(shí)為底盤車電池充電,增加發(fā)電車行程靈活性,也實(shí)現(xiàn)了整車的清潔環(huán)保。

2.4 儲(chǔ)氫系統(tǒng)

用于儲(chǔ)存氫燃料電池所需要的氫氣,由14個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)整車各部分的信號(hào)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?？刂啤C/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(jiàn)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(jì)

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(chǔ)能系統(tǒng),利用多源互補(bǔ)特性[16],設(shè)計(jì)了氫燃料電池發(fā)電車多源協(xié)同運(yùn)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(yùn)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(dòng)電源,采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)市電異常及快速的負(fù)荷波動(dòng),保障發(fā)電車的不間斷輸出與穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)檢測(cè)到市電中斷或電壓暫降時(shí),控制系統(tǒng)立即啟動(dòng)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng),同時(shí)控制飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為負(fù)載進(jìn)行不間斷供電,若飛輪儲(chǔ)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(dòng)、輸出電壓達(dá)到250 V時(shí),控制DC/DC變換器輸出至額定電壓540 V,此時(shí)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(yùn)行控制流程

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

圖4 協(xié)同運(yùn)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(gè)氫燃料電池模塊并聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)電池模塊的功率是100 W。控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載大小,決定投入運(yùn)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(gè)氫燃料電池模塊的均流調(diào)整控制策略。當(dāng)實(shí)際投運(yùn)的氫燃料電池模塊在兩個(gè)以上時(shí),實(shí)時(shí)檢測(cè)各電池模塊配套DC/DC變換器的輸出電流,并計(jì)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。控制策略流程如圖5所示。

圖5 多個(gè)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(shí),市電經(jīng)過(guò)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(shí),其通過(guò)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(shí)為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

2)不間斷供電。市電中斷或電壓暫降時(shí),儲(chǔ)能系統(tǒng)放電,保證負(fù)載正常運(yùn)行,同時(shí)啟動(dòng)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)后,接替儲(chǔ)能系統(tǒng)為負(fù)載供電,實(shí)現(xiàn)用戶不間斷用電,并為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

3)應(yīng)急發(fā)電。無(wú)法依靠電網(wǎng)送電或作為冷備用的情況下,通過(guò)底盤車蓄電池啟動(dòng)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)后,為負(fù)載供電,同時(shí)為飛輪儲(chǔ)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(shí),若發(fā)電車UPS系統(tǒng)(或逆變器)出現(xiàn)故障(如輸出過(guò)壓、過(guò)流),轉(zhuǎn)換為旁路供電模式,由市電直接為負(fù)載供電,對(duì)發(fā)電車進(jìn)行檢修。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

研制的氫燃料電池發(fā)電車實(shí)物照片如圖6所示,其與其他發(fā)電車的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)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(duì)比

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)氫燃料電池發(fā)電車的不間斷供電功能進(jìn)行測(cè)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(kāi)始時(shí),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(shí)市電經(jīng)UPS整流器為飛輪充電儲(chǔ)能。

在41 s左右時(shí)切斷市電,207 s左右時(shí)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(yàn)證其不間斷供電功能。另外,在氫燃料電池發(fā)電過(guò)程中,在192 s左右時(shí),人工控制斷開(kāi)氫燃料電池輸出回路,觀察記錄飛輪的輸出電流,以驗(yàn)證在氫燃料電池意外故障情況下飛輪的響應(yīng)速度及運(yùn)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(yàn)曲線

由圖7可見(jiàn),在41 s市電斷電時(shí),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(shí)啟動(dòng)氫燃料電池。經(jīng)過(guò)約15 s的時(shí)間,氫燃料電池完全啟動(dòng),飛輪停止放電,此時(shí)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(shí)向飛輪充電儲(chǔ)能。在192 s的時(shí)候,斷開(kāi)氫燃料電池輸出回路,此時(shí)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(shí)由市電為負(fù)載供電并向飛輪充電儲(chǔ)能,維持Urms2和Irms2保持不變。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,在市電斷電及恢復(fù)供電時(shí),氫燃料發(fā)電車均能夠維持輸出電壓與電流穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載(重要用戶)的不間斷供電。飛輪儲(chǔ)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(dòng)提供保障。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)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(guó)家速滑館的應(yīng)急供電保障中,實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)館負(fù)荷的綠色應(yīng)急供電。

人民日?qǐng)?bào)、北京日?qǐng)?bào)等多家媒體對(duì)此進(jìn)行報(bào)道。2021年9月30日人民日?qǐng)?bào)海外版報(bào)道[18]:9月29日,國(guó)網(wǎng)北京市電力公司在國(guó)家速滑館舉行冬奧測(cè)試賽供電保障應(yīng)急演練,由該公司自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)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(chǎng)館臨時(shí)供電設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)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(yùn)行,滿載后可發(fā)電2 h,同時(shí)支持在線加氫。

圖8為氫燃料電池發(fā)電車在北京冬奧會(huì)期間,為國(guó)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(chǎng)應(yīng)用照片

5 結(jié)語(yǔ)

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(jì)方法。亮點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)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(chǔ)能系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)及純電動(dòng)底盤車等部分組成,實(shí)現(xiàn)了整車節(jié)能環(huán)保。

2)氫燃料電池系統(tǒng)由4個(gè)100 kW的電池模塊并聯(lián)組成,提出了多個(gè)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(yùn)行控制策略,實(shí)現(xiàn)了發(fā)電車的功率提升與不間斷輸出。

3)運(yùn)用本文的方法支撐研制了國(guó)內(nèi)外首套400 kW的大功率氫燃料電池發(fā)電車,測(cè)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?yàn)橹匾?fù)荷提供長(zhǎng)時(shí)間的不間斷供電,具有重大意義與社會(huì)價(jià)值,應(yīng)用前景非常廣闊。