高温燃料电堆负荷平衡系统.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：李付强（1983），男，汉族，河北邯郸人，本科，河北凯翔电气科技股份有限公司工程师，研究方向为电力质量与治理。-85-高温燃料电堆负荷平衡系统 李付强 辛 明 尹泽宇 河北凯翔电气科技股份有限公司，河北 石家庄 050200 摘要：摘要：本文介绍一种高温燃料电堆负荷平衡系统，负载连接在 SOFC 系统的逆变母线上，并实时检测电网电压，当检测到电网停电时，电子负载开始运行。高温燃料电堆负荷平衡系统采用四相交错开关式负载技术，无级调节拉载功率，实时跟踪消耗燃料电堆的输出功率，实现电堆安全软关闭，提高 SOFC 系统的稳定性和寿命。相比于普通模拟式电子负载技术，成本更低，可靠性更高，电子元件发热量小。关键词：关键词：燃料电堆；负载平衡；四相交错；电网；软关闭 中图分类号：中图分类号：TL352 1 概述 固体氧化物燃料电池系统（以下简称 SOFC 系统）属于一种较新的技术，通过天然气等气体和固体氧化物的化学反应，实现持续发电1。燃料电堆是 SOFC 系统的核心，与低温燃料电池相比，高温电堆能源较易制取、易储存、效率高、能量密度高。在分布式供电领域，如同火电站、光伏电站、风力电站一样，SOFC系统也可以作为一个发电源，因其发电效率高（较火电比），功率稳定并且可控的特性（较光伏、风电比），可在广泛的区域得到应用，作为火电的补充，共同接入大的电网，成为一种分布式供电系统。由于高温燃料电堆核心比较脆弱，对负载快速波动比较敏感，剧烈的波动容易带来电堆核心的不稳定，并破坏后端用电系统的用电器件。因此，SOFC 技术在各种应用领域中，都特别重视后端负载的稳定性，重视电堆与负载之间的平衡稳定处理。针对当前国内外前沿的 SOFC 技术，及其在分布式供电领域的应用项目，旨在解决燃料电堆容易受到电网断电故障冲击的影响问题。本文介绍的高温燃料电堆负荷平衡系统，是一种基于四相交错技术的开关式负载系统，通过本系统装置能够实时监测后端电网，当后端电网脱网时，本系统能够快速吸收电堆输出的电压，避免电压对后端用电器件造成冲击，引发电堆的损伤和用电系统的瘫痪。SOFC 系统可在中高温下将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化成电能，作为一种新式全固态化学发电系统2，具有良好的清洁性、可再生性，而且比起光能、风能，对环境适应范围更广，可在任何场景下完成化学反应和发电，是一种具有广泛应用前景的分布式供电技术。但 SOFC 技术也有其缺陷，燃料电堆作为分布式电源在反应过程中，如果其回馈的外部电网停电或故障，导致电堆失去负载，发生甩负荷进入脱网状态，高温电堆的负载在很短时间内由满载变为空载，而高温化学反应尚未停止，此时会对电堆和后端用电系统的用电器件造成很大的冲击。因此，需要一种装置来吸收和缓冲，起到平稳降低负载，稳定电堆所受冲击的作用。2 国内外现状及发展趋势 2.1 目前国内的发展现状 SOFC 系统是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化成电能的全固态化学发电系统。其热电联供综合效率90%。是一种高效的新型发电系统。固体氧化物燃料电池是一种高效、清洁的能源转换技术，具有高效能量转换、燃料灵活性和抗污染等优势。和同为清洁能源的光能、风能相比，燃料电堆的反应过程只需要其他燃料和氧化剂参与，对环境、季节的依赖性都不高，适应范围很广，在一些不具备光能、风能发电条件的地区非常合适。SOFC 技术现在被应用在分布式供电领域，是一种较新的技术尝试。燃料电堆一直处在高温反应中，对外界电压负载波动变化敏感，整个 SOFC 系统对负载波动冲击会比较脆弱。由于这是一种较新的技术路线，如何应对电网中国科技期刊数据库 工业 A-86-突然断电故障，导致燃料电堆受到冲击的问题，在国内外还未见相关报道。通过对国内研究开发 SOFC 分布式供电系统的前沿技术团队的调研沟通，发现这一领域存在未解决的需求和技术空白。2.2 目前国外的发展现状 从国外对于解决电网突然故障的技术研究应用来看，当电网突然故障脱网，导致燃气轮机等发电源甩负荷时，一种可行的方式是采用储能系统来进行吸收平衡，比如使用大容量电池组，将瞬间甩负荷的电源输出的电能全部吸收。但这种方案成本很高，需要配备庞大的电池组。基于项目团队多年来在负载产品技术上的研究，我们了解到，也有采用模拟式电子负载或干式负载来进行负荷平衡的应用，但各有缺点。如果采用模拟式电子负载，这种技术主要应用在小功率的实验室环境，当需要吸收较大功率的冲击时，其成本会急剧上升，国外 ITECH、菊水等知名品牌的模拟式电子负载，不到10kW 的功率，价格可达数十万。而且该技术的发热点集中在电子元件上，当瞬间吸收大功率冲击负荷时，热量聚集，散热效率极低，限制了该技术进一步做大功率的可能性。干式负载则采用合金电阻作为固态干式能耗元件，相比于电子负载，成本低，功率可以做的很大。但其主要采用断路器接触器开关控制，响应速度不及电子负载。2.3 发展趋势 综合来看，如 ITECH、菊水等知名品牌的模拟式电子负载，功率难以做大，无法满足 SOFC 系统负荷平衡稳定的需求，我们可以取长补短，结合电子负载与干式负载的优缺点，创造性的研发一种开关式电子负载产品。即负载的前端采用 DC-DC 开关技术，通过四相交错 PWM 控制，响应速度快，可以满足吸收瞬间负荷冲击的需求。同时采用四相交错技术，使该负载具有低纹波、高精度、高稳定性的特点，自身不会对燃料电堆造成冲击，有助于稳定对波动非常敏感的 SOFC 系统。3 高温燃料电堆负荷平衡系统原理与优势 3.1 SOFC 系统简介 燃料电堆、DCDC 变换器、PCS 逆变器、这 3 个部分组成了 SOFC 发电管理系统如图一所示。燃料电堆输出电压通过 DCDC 变换器稳压3，保证输出直流母线电压的稳定性后给 PCS 通电，PCS 将直流电变成可供电网使用的稳定交流电输出给电网供电。图 1 SOFC 发电管理系统框图 3.2 高温燃料电堆负荷平衡系统架构 图 2 高温燃料电堆负荷平衡系统架构 高温燃料电堆负荷平衡系统架构如图二所示，电子负载安装于 SOFC 系统逆变母线上，电网正常工作时电子负载处于休眠状态，当检测到电网停电时，电子负载开始运行4，同时监测 DCDC 输出的母线电压，当母线电压由于掉载出现超出设定值后，负荷平衡系统电子负载可以立即投入，以 35kW（最大为 40kW）的功率运行使母线电压稳定在设定值，然后逐步降低功率到 0W，运行过程最长为 5min，该过程输入电压基本不变，电流逐渐减小，可有效降低对负载变化时 SOFC系统的冲击，提高 SOFC 系统的稳定性。3.3 高温燃料电堆负荷平衡系统控制模块 图 3 高温燃料电堆负荷平衡系统主回路 高温燃料电堆负荷平衡系统主回路如图三所示，负载的前端通过四相交错 PWM 控制，响应速度快，可以满足吸收瞬间负荷冲击的需求。采用四相交错技术，使该负载具有低纹波、高精度、高稳定性的特点，自身不会对燃料电堆造成冲击，有助于稳定对波动非常敏感的 SOFC 系统。通过本系统装置能够实时监测后端电网，当后端电网脱网时，本系统能够快速吸收电堆输出的电压，避免电压对后端用电器件造成冲击，引中国科技期刊数据库 工业 A-87-发电堆的损伤和用电系统的瘫痪。电子负载安装于逆变母线上，电网正常工作时电子负载处于休眠状态，当检测到电网停电时，电子负载开始运行，闭合开关 S1 给滤波电容充电，满电之后闭合开关 S2,防止在启动负载瞬间的尖峰电流，实现系统缓启动，回路部分采用四相交错 PWM 调制电路，根据控制条件调节 PWM 的占空比，实现负载功率的无级控制，同时由于 PWM1-4 相位错开 90 度，错开冲击电流的尖峰，减小纹波电流，如图四所示:图 4 四相交错电压波形图 3.4 高温燃料电堆负荷平衡系统控制原理（1）控制逻辑 系统正常运行时，电子负载内部电容充满电能，电子负载处于待机。电子负载输入电压包括自动和手动两种工作模式，自动模式时电子负载通过调整拉载功率匹配输入电压；手动模式时上级系统能通过指令获得控制，电子负载直接执行上级系统运行指令。电子负载有两种启动方式，其一是收到上一级系统的启动指令，其二是电子负载检测到电网 AC380 掉电。电子负载工作在恒压模式，例如：恒压值设置为 630V，电子负载实时检测电网电压，控制负载模块输出功率（最大 40kw），不超过最大功率 40kw 时，限制母线电压始终工作在设定电压。当燃料电池逐渐降低输出功率，负载也跟着降低拉载功率，以母线电压为基准值，直到燃料电池输出功率为 0，则停止工作。有效的防止由于电网故障导致的PCS停机而燃料电堆能量的积聚，进而影响电堆寿命或其他不可预估的事故。电子负载具有输入端低电压保护功能，当 IGBT 损坏时，输入电压可能被迅速拉低至限制值，此时电子负载快速切断输入回路，保护输入源不被拉低。（2）电流软启动 电子负载响应时间（可接收指令到启动电子负载时间，包含电流软启动时间），小于 100ms；电子负载分为多组启动（或其他等效启动方式），启动时电流应有一个逐步上升的过程，时间介于 10-40ms 之间。电子负载启动及运行过程如图五所示 图 5 电子负载启动及运行过程（3）功率运行曲线（该功率曲线主要由输入源决定，正常为恒定斜率下降）1)电子负载的功率运行曲线如图五所示，功率控制由两方面进行完成。a.手动模式：根据上级系统指令执行拉载功率。b.自动模式：电子负载通过匹配输入电压调整拉载功率。c.电子负载的输入源：输入源为恒功率模式，当电子负载超额拉载时，输入源以降压限流的模式运行，如当输入电压为 DC650V 时，即电源还有多余能量未被消耗，当输入电压开始低于 DC650V（如 DC630V）时，则默认为输入端已经达到最大输出功率，继续拉载会导致输入端电压进一步拉低。图 6 电子负载功率运行曲线（4）电压控制 电子负载电压运行过程如图七所示，电子负载具中国科技期刊数据库 工业 A-88-有稳定输入电压功能，拉载过程中，允许输入电压在 AB 之间波动，其中 ts100ms,3mint5min,B-A=30V。图 7 电子负载电压运行过程（5）高温燃料电堆负荷平衡系统优势 高温燃料电堆负荷平衡系统基于四相交错 PWM 开关式负载技术，每个电阻模块的相位错开 90 度，实现各电阻模块的分组软启动，错开冲击电流的尖峰，有效减小波纹电流。高精度、响应速度快，响应时间小于 100ms。负载并联在逆变母线上，通过实时检测电路回路上的电流、电压信号，控制器对检测到的信号进行分析处理，判定电路回路是否正常运行，当检测到电网停电时，控制器通过调整电阻模块的拉载功率，来适应电堆的输出电压，将电堆的输出电压（能）吸收到电阻模块中转化成热能消耗掉，避免了电压对用电系统的冲击。电子负载有两种启动方式，一种是通过控制模块检测到电网脱网，另一种是与 SOFC 系统的控制系统进行通讯，接收到其控制系统的启动指令。开关式负载技术和现有模拟式电子负载技术相比，成本优势明显，模块化设计，开发生产速度大幅提升，比起进口模拟式电子负载动辄每 kW 数万元的价格，本产品可以用五分之一的成本完成性能更优、散热能力更强的开关式负载产品。4 高温燃料电堆负荷平衡系统的应用 高温燃料电堆负荷平衡系统在SOFC系统中具有重要的应用。第一，电堆负载平衡。系统作为一个关键的组件，能够平稳地调节和降低燃料电堆的负载。当外部电网停电或故障时，系统可以逐步降低电堆的负荷功率，实现电堆的安全软关闭，防止对电堆和后端用电系统的冲击。第二，系统性能评估。系统可以用于对高温燃料电堆的系统性能进行评估和测试，包括工作温度、电压稳定性、电流响应等方面的性能测试，以确保系统在设计要求范围内运行。第三，故障模拟和验证。系统可以模拟各种故障情况，如电网停电、电堆短路等，用于测试和验证系统在不同故障条件下的响应和可靠性，以提前发现潜在故障并进行改进5。第四，功率调节。系统能够对电堆的负载进行动态调节，以满足不同需求下的功率输出要求，如平衡发电座剩余功率、调整电堆输出功率等。通过应用高温燃料电堆负荷平衡系统，可以提高SOFC 系统的稳定性、安全性和可靠性。系统在系统运行过程中起到重要的作用，保护电堆和其它用电设备不受突发故障的影响，延长系统的寿命。5 结语：通过深入的研究、分析和实验验证，我们得出了以下结论。首先，高温燃料电堆负荷平衡系统在保护电堆安全方面起到了关键的作用。它能够在外部电网失效或故障的情况下，逐步降低电堆负载功率，防止突然负载失去对电堆造成的损害，确保电堆的安全关闭和延长其使用寿命。其次，负载平衡系统可以提高 SOFC 系统的稳定性和可靠性。通过调节电堆的负载，它可以确保系统在各种工作条件下保持稳定和可靠，最大限度地利用燃料电堆的发电能力，优化能源利用效率。此外，负载平衡系统还能够模拟和测试各种故障场景，为系统故障分析和改进提供支持。通过通过动态调整负载，可以提前发现和解决潜在的故障问题，提高整个系统的可靠性、安全性和性能。综上所述，高温燃料电堆负荷平衡系统在 SOFC 系统中具有重要的应用价值。然而，仍存在一些挑战和发展空间，如更精确的负载调节、更高效的能源利用等方面。未来的研究可以进一步探索和改进负载平衡系统的设计和性能，推动其在工业和商业领域的广泛应用。最后，希望本文的研究成果能为高温燃料电堆负荷平衡系统的发展和应用提供有价值的参考，并对相中国科技期刊数据库 工业 A-89-关研究领域的学者和从业者产生积极的启发和影响。参考文献 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