模块式绿氢储用系统集成研究_陆洋.pdf

年，第 期 43 收稿日期：基金项目：上海市科技创新行动计划国内科技合作项目（）作者简介：陆 洋（），男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事可再生气态能源系统装备开发和集成研究。模块式绿氢储用系统集成研究陆 洋，冯 毅，毛火华，刘 猛，黄晶晶（上海航天能源股份有限公司，上海；上海科学院，上海；上海城建职业学院 城市运营管理学院，上海）摘 要：在“双碳”大背景下，针对可再生能源资源利用中消纳的瓶颈，通过储电、储气以及气电转换等系统集成，开展模块式多能互补绿氢储用的应用研究，根据光伏、储能、制氢、燃料电池和负载应用的综合能源管理方式，开发微网控制器与逆变器、电池管理系统、燃料电池管理系统、配电开关进行高效快速通讯和信息交互。综合考虑水、电、气、热不同的迟豫尺度、管理模式以及不同能源网络的不同使用特性，形成不同工作状态下系统协调运行优化策略，提升能源利用率，并为不同模式下系统安全可靠运行提供预案。关键词：模块式；绿氢储用；系统集成；智能控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；引 言绿电制氢储用系统，首先利用过剩的可再生电力电解水制取氢气，然后将氢气进行储存，再以氢燃料电池分布式能源为核心构建微电网，与常规电网、可再生能源互相耦合构建多能源互补的能源管理系统，同时向末端负载热电联供，提高可再生能源利用率，提升用能的灵活性和安全性。目前，绿电制氢储用采用工业化的大型系统，由于系统和设备庞大，存在的问题和使用限制也比较多，主要包括以下几方面。（）非模块化装置现有绿电制氢储系统多为定制开发，没有模块化、标准化，所有零部件、装配过程、产品测试、系统调试等没有标准化，导致系统生产、运输、现场安装的出错率较高，不能与特定规模和容量的新能源与储能DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.009 44 风力发电、光伏矩阵直接匹配。大型绿电制氢储用系统控制难度大，非模块化、标准化系统使控制软件和硬件开发成本高，难以形成机器学习和通讯系统的结合机制，对边远地区，不能实现系统完全自行运转并降低运维成本。（）严酷环境适应性差绿电制氢储用系统多在我国太阳辐射强烈的西北地区使用，环境温差大，无论 制氢及氢燃料电池，长时间低温会导致膜电极结冰，使膜电极串漏造成不可逆损坏，从而影响设备寿命。（）系统扩展性受限大型绿电制氢储用系统建成之后，多数在稳定状态下运行，很难根据末端负荷的变化进行设备的调整，扩展性受到限制，使用场景和运行策略不灵活。（）系统运行稳定性低绿电制氢储用系统较为复杂，水、电、气、热有不同的迟豫尺度，大型系统的迟滞更为明显，常规自控系统难以形成不同工作状态下系统的协调优化运行。为提升能源利用率，需要为不同模式下系统高效安全运行制定相应控制策略。为解决上述问题，本文提出一种模块式绿电制氢储用系统，针对我国西北地区严酷环境下可再生能源资源利用中消纳的瓶颈，解决制约其经济和产业发展的共性关键问题。通过光伏发电、储电、制氢、储氢以及氢燃料电池气电转换等模块式系统集成，突破在特定资源和条件下的相关技术、设备及系统的适应性和可行性，验证模块式系统多情景下的经济性，带动可再生能源大规模布局和应用。模块式绿氢储用系统模块式绿电制氢储用系统以标准集装箱为模块进行集成，主要包括两个集装箱舱体，分别是储能控制电舱和绿氢储用氢舱。储能控制电舱内的主要设备为储能电池簇、储能变流器、配电控制柜、能源管理系统、舱体环境保障系统。绿氢储用氢舱内的主要设备有 制氢装置、固态储氢装置、氢燃料电池及舱体环境保障系统。模块式绿电制氢储用系统如图 所示。系统连接太阳能光伏发电经汇流、逆变之后直接供给末端用户负载，在电力富裕时为储能电池簇充电，或启动 制氢进行制氢、储氢。在用电高峰时储能电池簇辅助供电，然后燃料电池启动工作，经 图 模块式绿电制氢储用系统示意图升压为 后为电池簇充电。本系统以储能控制电舱为核心，分别连接光伏发电阵列、绿氢储用氢舱、市电电网组成系统整体，对外具备供电接口，连接用户负载并为负载供电，可以实现并、离网运行，并网充电、并网放电、离网功率平衡等工作模式。制氢 电解水制氢装置通过循环直流电驱动，将纯水在电解槽中进行电解制备氢气。电解槽的运行电流密度通常高于 ，至少是碱水电解槽的 倍以上，具有效率高、气体纯度高、绿色环保、能耗低、无碱液、体积小、安全可靠、可实现较高产气压力等优点，被公认为制氢领域极具发展前景的技术之一。本研究通过纯水机、电解槽、氢水分离装置等联合集成进行电解水制氢，装置模型如图 所示。图 制氢装置 模型图电解槽采用 型电解槽设计，膜电极的有效活性面积为，质子交换膜材料为美国杜邦新能源与储能 年，第 期 45 公司的，电解槽的总体结构为复极性电解池，采用阳极供水方式，电解槽的设计最大工作电流为 ，工作温度不高于 。采用风冷式全数字化高频开关电源，工作电流为 连续可调，电压 连续可调。采用高可靠性 模块提高电源的效率和可靠性。氢气分离器和氧分离器皆为立式结构、采用重力分离。氢气 水混合物进入分离器后，氢气由上部排出，水分离后由下部排出回收。氧气 水混合物进入水箱后，纯水经由循环泵继续参与循环，氧气通过导气管排出。氢气冷却通过翅片式风冷换热器，经由换热器冷却降温后进入下一工艺模块。风冷翅片式换热器散热量设计为，冷却空气由设备内部排向外部。循环水进出口温差设计为 。循环水滤网采用采用 的 不锈钢过滤器，以使循环水中的机械杂质更好地滤除，保护泵的轴承减少磨损和保护阀门的阀芯，保证电解槽小室内的清洁，使电解槽能正常有效地工作。循环泵采用多级离心泵，满足系统压损和流量要求。补水设备采用超高纯水机，出水电阻率达到，根据循环水箱的液位进行自动补水。固态储氢固态储氢系统采用 低温型储氢合金，装填约 的储氢合金材料。考虑到放氢速率要求较高，采用两个储氢罐单体并联储氢，单个固态储氢罐的储氢量 ，装填 左右的 储氢合金。为了增加吸放氢速率，在固态储氢罐外部设置换热夹层，在储氢罐内部设置电加热管，并在粉末床区域内设计铝型鳍片以增强换热。固态储氢系统主要由储氢罐、温度和压力传感器、质量流量控制器、电磁阀、减压阀、背压阀、空调水制冷机、太阳能热水器、水循环泵、安全阀、氢气管路和水管路等组件组成。氢气的控制和计量，主要通过质量流量计 就地控制和计量，通过流量的累积确定吸氢量和放氢量。吸氢时，在特定环境温度范围内，制冷机组提供冷水，通过循环泵冷水循环冷却储氢罐，同时按照一定速率吸收 制氢系统制取的绿氢。放氢时，通过太阳能热水器制取的热水和加热棒的加热，提升储氢罐温度至 ，使得储氢罐以一定速率放氢供给燃料电池使用。图 固态储氢装置工作流程图 固态储氢系统主要有氢气和水两路介质流动，正常充放氢过程的介质流动路径如图 所示。（）正常充氢过程的介质流动路径氢气：依次通过减压阀、背压阀、管路、和，进入储氢罐 和储氢罐。水：在循环水泵、储氢罐 和储氢罐、空调水制冷机、构成的闭环内循环。（）正常放氢过程的介质流动路径氢气：依次通过 和、管路、减压阀、背压阀，提供给燃料电池。水：在循环水泵、储氢罐 和储氢罐、太阳能热水器、构成的闭环内循环。在需要紧急泄氢时，可自动通过电磁阀 打开，也可自动通过安全阀（）排气，也可通过手动阀 手动排除氢气。燃料电池燃料电池模块内的空气系统提供的氧气和氢气系统提供的氢气在电堆内发生电化学反应，产生电能，供给后续的直流变换器（一级 ）；温控系统控制电堆内部温度；电舱中的锂电池簇起到平抑功率需求波动，并提供燃料电池启动辅助功率需求的作用。二级升压 起到匹配外部电源系统母线电压的作用；控制系统控制新能源与储能 46 各零部件的动作并监测电堆的工作状态，其工作原理如图 所示。图 氢燃料电池装置 图燃料电池装置燃料为氢气，其浓度要求达到 以上，符合纯氢、高纯氢和超纯氢相关标准，氧化剂为空气，优于环境空气质量标准的二级标准。燃料电池装置排放物为残余空气、氢气以及水，且排放氢气的浓度满足氢燃料电池相关安全要求。燃料电池系统正常运行温度为 ，装置会自动实时调节电堆温度，防止电堆温度过低或过高，电堆支持在 的环境低温起动，能在 以内的环境温度下稳定运行。燃料电池正常工作时空气系统压力为大气常压，冷却系统的压力为大气常压，氢气系统内部压力为 ，入口压力范围 。图 燃料电池上下电策略流程图 燃料电池上下电策略流程如图 所示，需要上电时先上低压电，待燃料电池供电系统自检完成后会反馈燃料电池供电系统状态字；当且仅当燃料电池供电系统状态字反馈为就绪时，燃料电池供电会响应外部的开机指令；燃料电池系统接收到关机指令或检测到故障后会执行关机流程，当燃料电池系统状态字反馈为关机完成或故障状态后，低压供电延时 下电。低温启动时时间较长，但最长不超过 。系统控制整体控制系统架构如图 所示。图 控制系统架构图 模块式绿氢储用控制系统主要实现光伏、储能、电网、制氢系统、储氢系统、燃料电池发电系统及用户负载的能量及功率协调管理控制功能，同时收集各子系统运行状态信息数据、控制各子系统运行在安全范围内，通过与其他系统通信对整个系统进行实时监控及内部管理。控制系统主要新能源与储能 年，第 期 47 由能量管理系统、微网控制器、远程服务器和远程监控构成控制系统的第一层级，实现整体系统的控制、监控；电舱协调控制器、氢舱协调控制器、电舱辅助控制器、氢舱辅助控制器构成控制系统的第二层级，实现各分系统的控制和链路通讯；协调控制器与各分系统的设备构成控制系统的第三级。电舱协调控制器与光储一体机、电池管理系统组成光储控制系统；氢舱协调控制器与燃料电池管理系统、储氢装置管理系统、制氢装置管理系统组成氢舱控制系统；电舱辅助控制器与电舱配电装置、电舱集装箱配套设备通讯及控制；氢舱辅助控制器与氢舱配电装置、氢舱集装箱配套设备通讯及控制。电舱协调控制器（）当储能电池簇 高于设定值（制氢启动）时，按设定功率运行制氢装置，当储能电池簇 低于设定值（制氢停止）时，关闭制氢装置。（）当储能电池簇 低于（燃料电池启动）时，按设定功率运行燃料电池，当储能电池簇 高于（燃料电池关闭）时，关闭燃料电池。（）并网情景下，储能电池簇 高于（使用绿电）时，根据用户负载、制氢情况和光伏、燃料电池发电情况控制储能出力，实现并网点无电流的“虚断”状态。在储能电池簇 低于（使用网电）时，光伏发电和燃料电池发电为储能充电，用户负载由电网供电。（）离网情景下，储能电池簇 低于（抛负载）时断开负载，储能电池簇 高于（投负载）时接入负载；储能电池簇 低于（抛氢舱）时断开氢舱，储能电池簇 高于（投氢舱）时接入氢舱。（）主网突然间断电情景下，脱开电网实现应急供电，并将主网断电情况下切换应急供电时间、对负载的供电时长作为系统参数在界面说明。氢舱协调控制器（）制氢系统：收集制氢系统的运行信息、故障信息和故障等级，配合制氢系统的工作逻辑下发上级控制器的控制指令。（）储氢系统：配合储氢系统工作逻辑下发上级控制器的控制指令，在储氢装置即将充满时降低吸氢速率设定值，在储氢装置的氢气即将释放放完毕时，主动降低放氢速率设定值。储氢系统正常急停关机和氢气泄露急停关机时，氢舱控制系统将急停原因反馈给储氢系统控制器，如果是氢气泄露急停关机，储氢系统主动泄放氢气。（）燃料电池系统：下发氢舱协调控制器的指令给燃料电池系统，包括发电功率和故障保护指令等，统计燃料电池发电量；根据燃料电池系统运行状态控制新风机的运行状态。（）与上级控制器之间：上传氢舱各相关系统的运行信息，统计各相关系统的故障状态，实时反馈故障代码至上级控制器并执行相应的故障保护措施，故障等级高于设定值时上级控制器直接切断氢舱供电。辅控控制器（）氢舱安全：实时监测氢舱内的氢气浓度并判断氢舱的环境安全，当氢气浓度超过一定阈值后将会主动开启排风机直至氢气浓度低于一定值，当氢气浓度超高或者持续过高一段时间后将触发氢舱控制系统的环境安全保护，给各相关子系统发送急停指令从而保障环境安全。（）舱体环境：温度控制分为舱体级和设备级，舱体级由微网控制器下发控制指令给舱体空调，由空调自动控制保持舱内温度平衡。电池簇储能容