波动性可再生能源电解水制氢/氢发电一体化利用关键技术

20231212

电力、热力、燃气及水生产和供应业

项目整体系统采用一体化多端口变换器主电路拓扑设计，可以分为两个端口进行功率传输具体为： 制氢模块DC/DC变换器单元，氢燃料电池发电DC/DC变换器单元以及750V直流母线，制氢电源模块用于燃料电池所需氢气的制取，其输入额定电压为750VDC，额定输出电压为200VDC。最大输出功率为6kW，输出电压范围200-250VDC(连续可调)效率大于95%纹波电流小于0.5%，故障响应时间小于2ms能自动恢复，变换器采用LLC谐振模式实现功率器件的软开关，运行过程中分5个单元并联运行每个单元有独立控制器进行单独控制，运行方式为主从控制方式，满足输出功率30kW需求。 氢发电单元是以80VDC～100VDC的PEM氢燃料电池作为输入电源，通过DC/DC变换器连接在750VDC直流母线，单模块以恒功率7.5kW输出，保证4个模块运行。PEM氢燃料电池具有低输出电压高输出电流的非线性特性，输出特性偏软，易受负载影响，使其输出功率变得不稳定。针对以上特点需要设计一种输入电流纹波小，高升压比以及可变占空比的DC/DC变换器，应用于中、大功率场合。双有源桥（Dual-Active-Bridge，DAB）Buck-Boost DC/DC变换器因其可实现较高的功率密度，效率高、结构简单以及易于控制等特点，被广泛应用于DC/DC中大功率变换器领域。 两电源在设计制作过程中进行了相应的保护实验和报警设置实验。 （1）两个电源设置欠压保护环节： LLC三相交错制氢电源：输入欠压保护：400V；响应时间：100μs；保护方式：停机。 DAB+boost/buck燃料电池电源： 低压侧欠压告警值：40V；欠压告警：停机。 高压侧欠压告警值：300V；欠压告警：停机。 （2）两个电源设置过压保护值环节： LLC三相交错制氢电源：输入过压保护：830V；响应时间：100μs；保护方式：封锁驱动脉冲；输出过压保护：260V；响应时间：100μs；保护方式：封锁驱动脉冲。 DAB+boost/buck燃料电池电源： 低压侧过压告警值：120V； 响应时间：100μs；过压告警：停机。 高压侧过压告警值：400V；响应时间：100μs；过压告警：停机 低压侧过压保护值：130V； 响应时间：100μs；过压保护：保护停机 高压侧过压保护值：430V；响应时间：100μs；过压保护：保护停机 （3）两个电源设置过流保护预值： LLC三相交错制氢电源：过流保护值：40A（可设定）；响应时间：1ms；单模块加载过流超40A，系统封锁脉冲保护，相应标志位置1； DAB+boost/buck燃料电池电源： 低压侧过流保护值：200A；响应时间：100μs；保护停机：可在0-200A设定。 高压侧过流保护值：40A；响应时间：100μs；保护停机：可在0-40A设定。 （高低压侧均进行过过流保护实验） （4）两个电源过热保护方式： LLC三相交错制氢电源：单模块通过温度传感器采样散热器温度，当温度超过70℃，模块封锁脉冲停止工作，置位相应标志位； DAB+boost/buck燃料电池电源： 通过NTC实现散热器温度采样，4路温度采样均在功率器件的散热器上，温度保护值为85度，可以在0-85度之间设定，过温后报过温且停机。 （5）两个电源短路保护方式： LLC三相交错制氢电源：短路电流设置60A，响应时间10μs； DAB+boost/buck燃料电池电源： 短路保护通过硬件比较器实现，高压侧设置为50A，低压侧为220A，不可设置，响应时间10μs，短路检测电路进行过触发测试。 目前项目以进行小批量量产。

合作运行方式：甲方投资建设，我方提供技术、产品和服务。甲方需提供生产电源所需的场地和设备，其中场地需满足40台套电源设备能够同时安装和调试，主要设备包含高压大功率直流电源作为直流母线750VDC，高压大功率交直流电子负载30kW以上，大功率变频器，高精度示波器，电路板老化柜，电子元器件测试平台，测量电压、电流高精度传感器，功率分析仪，录波仪等等检测设备。人员前期在30人左右，能够完成电源的安装布线以及测试程序的下载和出厂调试。预计前期投资1500万元。n合作运行方式：甲方投资建设，我方提供技术、产品和服务。甲方需提供生产电源所需的场地和设备，其中场地需满足40台套电源设备能够同时安装和调试，主要设备包含高压大功率直流电源作为直流母线750VDC，高压大功率交直流电子负载30kW以上，大功率变频器，高精度示波器，电路板老化柜，电子元器件测试平台，测量电压、电流高精度传感器，功率分析仪，录波仪等等检测设备。人员前期在30人左右，能够完成电源的安装布线以及测试程序的下载和出厂调试。预计前期投资1500万元

可国（境）内外转让

传统化石能源的大规模应用使其面临枯竭，也带来不可避免的环境污染，严重威胁人类的可持续发展。另外，目前化学能源利用方式（如燃烧的能量转化率较低）造成了大量的浪费。尽管清洁可再生能源（太阳能、风能、水电、潮汐能等）是可持续发展的必然，但因不连续性和波动性造成应用限制。因此，改变传统能源高能耗、高污染的利用方式，改善可再生能源应用的局限性，开发清洁可持续的新能源及其存储和转换技术，以解决人类面临的能源短缺危机和环境污染问题，已成为当前世界各国重点发展的方向。本装置通过氢能燃料电池发电和电解水制氢互补，是实现有效利用氢电互换优势、发挥能源智慧互联互补、提高能源利用效率的重要方式。因此，为了有效地利用可再生能源，氢能及燃料电池的大规模开发应用变得尤为重要，也具有巨大的能源战略意义。 通过对于一体化电源的分析，进一步拓展到研究电解制氢装置的动静态特性以及新能源波动性特征与电力电量平衡规律，在此基础上构建风光-荷-氢相协调的波动电源电解氢系统优化配置模型，应用启发式、人工智能等多种算法对模型进行求解，实现波动电源电解制氢系统自学习优化配置。将波动性电源与随机性电解制氢需求相协调，研究一种波动电源电解制氢系统高效稳定制氢的边端协同自适应控制策略，进而研究一种波动电源电解制氢系统的纹波、温度、压力等全参数趋优过程控制的全过程高可靠延寿控制策略，以延长风光波动性电源制氢系统的寿命，以上研究对于氢电融合发展具有重要的理论价值和实际应用前景。

“火花”活动

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

能源是社会发展不可缺少的基础。传统化石能源的大规模应用使其面临枯竭，也带来不可避免的环境污染，严重威胁人类的可持续发展。另外，目前化学能源利用方式（如燃烧的能量转化率较低）造成了大量的浪费。尽管清洁可再生能源（太阳能、风能、水电、潮汐能等）是可持续发展的必然，但因不连续性和波动性造成应用限制。因此，改变传统能源高能耗、高污染的利用方式，改善可再生能源应用的局限性，开发清洁可持续的新能源及其存储和转换技术，以解决人类面临的能源短缺危机和环境污染问题，已成为当前世界各国重点发展的方向。本项目依托国家电网集团关于氢能利用的实验平台，研制了一套氢利用系统的制氢/氢发电一体化多端口变换装置，功率等级不低于30kW，具备DC750V、DC200V接口，能够实现制氢到氢发电间的能量流动和存储功能。 项目原理和关键性指标如下： 制氢/氢发电一体化多端口变换装置，由3个子模块构成： （1）制氢电源子模块输入电压范围550750VDC，输入电流范围040A，额定输出电压200V，可调电压范围0220VDC，额定输出电流150A，可调电流范围0150A，额定功率30kW； （2）燃料电池子模块输入电压范围80V160VDC，输入电流范围0400A，额定输出电压750VDC，可调电压范围550750VDC，额定输出电流40A，可调电流范围040A，额定功率30kW； （3）一体化电源协调控制系统，系统协调控制通过自适应粒子群算法计算电解槽功率调度最优解，目标包含：①对波动性功率分配，实现全局制氢效率最优；②通过制氢系统侧的消纳调度，保证可再生能源以最大功率输出，并实现100%消纳；③采用电解槽间轮循控制，均衡电解槽阵列的使用时长，延长整体运行寿命，减少运行维护成本。 该项目形成了“理论研究-产品研发-工程实践-产业化推广” 的一体化研究模式，关键技术已成功应用于10余家相关企业的工业化产品及近50个分布式智能微电网工程中，为电力用户高质量供电和新能源100%高效率消纳提供了新的技术手段，创造了较大的经济效益与社会效益。