《变电站用质子交换膜燃料电池供电系统》国家标准解析

2018-08-07机械工业北京电工技术经济研究所

电器工业 2018年6期

／机械工业北京电工技术经济研究所陈晨／

一、概述

变电站是指电力系统中对电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所。作为电力系统的重要组成部分，其运维工作的重要和责任的重大不言而喻。随着智能电网的不断发展，变电站基本上实现了无人看守的管理模式。为进一步加强变电站的可靠性，每个变电站都配备相应的储能单元，用于在电网突然断电时，为应急照明装置、测控装置和远程通讯设备等提供直流电源。现阶段，变电站中普遍使用铅酸蓄电池组作为直流备用电源，设计依据标准为：DL/T 5044《电力工程直流电源系统设计技术规程》。然而，铅酸蓄电池组存在诸多问题，如体积庞大、移动不变、备电时间和寿命短，以对环境温度要求苛刻等。因此，亟需一种替代产品，解决目前铅酸蓄电池组性能不足。

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，“PEMFC”）具有启动速度较快、输出电能稳定、环境适应能力强、电化学反应唯一产物是水等优点，用其替代传统的铅酸电池组作为变电站停电时的后备电源，使用超级电容器或者少量的铅酸电池等储能单位元作为系统启动过程中的支撑，完全避免了铅、硫酸以及其他污染物的排放，减少了对环境的污染。此外，随着PEMFC技术的发展，不仅性能大幅度提升，其具备的氢气泄漏检测、压力检测等使其安全性和可靠性也进一步加强，可满足电力系统的要

本文介绍了《变电站用质子交换膜燃料电池供电系统》国家标准编制的背景，并对标准中质子交换膜燃料电池供电系统结构、主要技术内容进行详细的解析，通过与现有前段蓄电池性能及其他指标的对比和分析，显示质子交换膜燃料电池在变电站中具有广阔的应用前景。求。PEMFC作为备用电源在变电站领域已有示范运行，然而由于该领域标准的缺失，限制了其规模化的发展。

全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会（SAC/TC 342，简称“燃料电池标委会”）联合全球能源互联网研究院有限公司、燃料电池相关企业等完成了《变电站用质子交换膜燃料电池供电系统》（计划号：20151724-T-604）国家标准的制定工作，将解决目前电力系统中变电站引入燃料电池作为直流备用电源的标准缺失问题。下面将对本项标准的内容进行解析。

二、变电站用PEMFC供电系统结构

变电站用PEMFC供电系统主要由燃料处理系统、氧化剂处理系统、燃料电池模块、电能变换单元、控制系统、通风系统、水热综合管理单元及辅助储能模块等组成，该系统结构如下图所示。

图变电站用PEMFC供电系统结构示意图

图1中各个组成部分的功能，包括但不限于以下描述。

燃料处理系统：燃料电池供电系统所需要的、准备燃料及必要时对其加压的、由化学和/或物理处理设备以及相关的热交换器和控制器所组成的系统。

氧化剂处理系统：用来计量、调控、处理并可能对输入的氧化剂进行加压以便供燃料电池供电系统使用的系统。

通风系统：通过机械的方法，向燃料电池发电系统的机柜内提供空气。

自动控制系统：由传感器、制动器、阀门、开关和逻辑元件组成的系统，用以使燃料电池发电系统在无需人工干预时，参数能保持在制造商给定的限值范围内。

燃料电池模块：一个或多个燃料电池堆和其他主要及适当的附加部件的集成体，通过电化学反应将化学能转化为电能和热能。

热管理系统：提供冷却和散热功能以保持燃料电池发电系统内部的热平衡，还可以回收余热以及在启动过程中协助加热动力传动系统。

电能变换单元：控制或转换所产生的电能，可在制造商设计范围内满足用电需求的系统。

辅助储能模块：系统内部所带的储能装置，用于帮助或补充燃料电池模块向内部或外部负载供电。

变电站用PEMFC系统函二次电池，但是不含储氢系统，对于氢气的来源不做要求，可以是使用气瓶，也可以采用现场制氢等方式。

三、标准主要技术要求解析

标准在起草的过程中，参考了目前电力系统使用的标准GB/T 19826《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》，并对变电站展开了实际的调研工作，了解了PEMFC作为变电站直流供电系统所需满足的主要技术要求。标准中所涉及的主要技术内容包括：

（1）使用条件

相对于铅酸蓄电池对环境温度的严格要求，PEMFC相对宽松，工作环境温度在-10～40℃；相对湿度为（10%～95%）RH，不凝露；PEMFC所使用的氧化剂为空气，高海拔空气中氧含量的降低会对燃料电池性能产生较大的影响，因此本标准限于海拔不超过2000米的条件下进行使用。

（2）安全和安装要求

这两部分的内容依据现有的GB/T 27748.1《固定式燃料电池发电系统第1部分：安全》和GB/T 27748.3《固定式燃料电池发电系统第3部分：安装》等2项标准规定的内容执行。

（3）直流供电能力

按照GB/T 19826《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》中的规定，PEMFC系统需满足直流母线电压最大变化范围为直流系统标称电压的90%～110%。因此，PEMFC系统在承受电网突然断电产生的负荷和冲击时，也需保证直流母线上的电压不得低于直流标称电压的90%。

变电站的负荷分为三种，经常性负荷、事故性负荷和冲击性负荷。据调查，以220 kV变电站为例，设计的经常性负荷为52.7A，冲击负荷为82.7A，冲击时间为3s；实际的经常性负荷是30A，冲击负荷大约为经常性负荷的3倍，要求在发生故障冲击60ms内切断所有动作。现阶段对变电站备用电源启动期间内的负荷曲线没有监测和记录，冲击性负荷与变电站的规模有关。GB/T 19826《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》中的规定，蓄电池冲击试验中放电电流根据蓄电池放电状态、放点终止电压和蓄电池组的个数进行选择；燃料电池本身不存储能量，而是一台发电设备，其关键技术参数是功率，冲击试验实际上是对与燃料电池相匹配的储能单元的抗冲击能力，跟燃料电池本身的性能无关。因此，现阶段虽然蓄电池用于变电站备用电源有很多经验和数据积累，但并不适用于燃料电池，尤其是冲击要求，需要进行实际测试。经过征求电网系统的意见，现阶段制定的国家标准规定了PEMFC系统应能够承受8倍的冲击电流，持续时间500 ms。待标准实施后，根据实际使用过程中数据的积累，将进一步完善该部分的内容。

（4）PEMFC系统的主要性能要求

连续供电能力：变电站要求备用电源的备电时间为：有人值班1小时，无人值班2小时。燃料电池工作时间，可以通过保证足够的燃料来得以实现。考虑到变电站的实际需求和氢瓶放置数量，在制定的国家标准中，明确要求额定功率下，PEMFC系统的连续运行时间不少于10个小时。

功耗和过载能力：为了确保燃料电池在变电站备用电源领域的优势，国家标准中提出PEMFC系统待机功耗应不大于系统额定输出功率的1%（不含燃料电池电加热部分功耗）。系统输出为额定功率110%时，应能够正常运行10min。

效率：为了保证提供PEMFC系统的品质，结合现阶段国内燃料电池的技术水平，制定的国家标准中设置了一定的门槛，要求PEMFC系统输出额定功率时，初始发电效率应不低于35%。

寿命：现阶段变电站发生故障的频率非常低，每隔5～8年检修一次,备用电源基本上处于空载状态。很多情况下，蓄电池从使用到寿命终止，一次都没有被使用。目前变电站使用铅酸蓄电池的设计寿命为10年，然而，大部分的蓄电池实际使用寿命为3～5年，甚至更低。在制定的标准中，规定PEMFC系统寿命不低于1500小时，即使每年使用150小时，也能够确保燃料电池发系统使用10年，充分凸显出燃料电池的优势。从经济性的角度出发，220kV变电站需要配备2组110V、500Ah的铅酸蓄电池（单个电压为2V），成本＝2.5元／Ah×500Ah×110×2=27.5万（3～5年左右）；如果改为燃料电池，成本大概在44万左右，10年的使用寿命也使得燃料电池占据成本的优势。

燃料电池作为变电站备用电源的瓶颈不是成本，而是安全性和可靠性方面。氢气的存储形式、放置位置以及对于氢气泄露的监测和应对措施需要重点考虑。

（5）防火、防爆要求

对于变电站用直流供电系统，性能和成本的考虑是一方面，更重要的是安全性和可靠性的要求。

依据GB 50229《火力发电厂与变电所涉及防火规范》。对于铅酸蓄电池，300Ah以上的容量要求有单独的电池室，电池室是防爆的，并安装有空调。燃料电池作为变电站备用电源，更多的问题源自氢气使用的安全要求，因此，在制定的标准中，对于氢气泄漏的检测、保护与报警功能、以及后续采取的保护性措施做出了严格的规定。特别规定，PEMFC系统中易发生氢气泄漏或氢气积聚的部位（危险区域，0 区和1 区的稀释范围内），如储氢瓶、燃料电池堆上方等，应当安装氢气浓度传感器，并应有相应的安全联锁装置。当发电系统中有氢气漏，氢气积聚浓度达到 25%LFL 时，控制系统应能通过显示屏或声音或灯光等方式警示操作者；当氢积聚浓度达到 50%LFL时，应自动切断氢气供应源并自动关机。

（6）其他要求

标准规定PEMFC系统的绝缘电阻、介质强度、耐湿热性能、电磁兼容等要求，均需符合GB/T 19826－2014《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》中的规定。此外，标准中还规定了，PEMFC系统正常运行时，噪音不应大于65 dB，防护等级不应低于IP 20。