《變電站用質子交換膜燃料電池供電系統》國家標準解析

／機械工業北京電工技術經濟研究所 陳 晨／

一、概述

變電站是指電力系統中對電壓和電流進行變換，接受電能及分配電能的場所。作為電力系統的重要組成部分，其運維工作的重要和責任的重大不言而喻。隨著智能電網的不斷發展，變電站基本上實現了無人看守的管理模式。為進一步加強變電站的可靠性，每個變電站都配備相應的儲能單元，用于在電網突然斷電時，為應急照明裝置、測控裝置和遠程通訊設備等提供直流電源。現階段，變電站中普遍使用鉛酸蓄電池組作為直流備用電源，設計依據標準為：DL/T 5044《電力工程直流電源系統設計技術規程》。然而，鉛酸蓄電池組存在諸多問題，如體積龐大、移動不變、備電時間和壽命短，以對環境溫度要求苛刻等。因此，亟需一種替代產品，解決目前鉛酸蓄電池組性能不足。

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，“PEMFC”）具有啟動速度較快、輸出電能穩定、環境適應能力強、電化學反應唯一產物是水等優點，用其替代傳統的鉛酸電池組作為變電站停電時的后備電源，使用超級電容器或者少量的鉛酸電池等儲能單位元作為系統啟動過程中的支撐，完全避免了鉛、硫酸以及其他污染物的排放，減少了對環境的污染。此外，隨著PEMFC技術的發展，不僅性能大幅度提升，其具備的氫氣泄漏檢測、壓力檢測等使其安全性和可靠性也進一步加強，可滿足電力系統的要

本文介紹了《變電站用質子交換膜燃料電池供電系統》國家標準編制的背景，并對標準中質子交換膜燃料電池供電系統結構、主要技術內容進行詳細的解析，通過與現有前段蓄電池性能及其他指標的對比和分析，顯示質子交換膜燃料電池在變電站中具有廣闊的應用前景。求。PEMFC作為備用電源在變電站領域已有示范運行，然而由于該領域標準的缺失，限制了其規模化的發展。

全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會（SAC/TC 342，簡稱“燃料電池標委會”）聯合全球能源互聯網研究院有限公司、燃料電池相關企業等完成了《變電站用質子交換膜燃料電池供電系統》（計劃號：20151724-T-604）國家標準的制定工作，將解決目前電力系統中變電站引入燃料電池作為直流備用電源的標準缺失問題。下面將對本項標準的內容進行解析。

二、變電站用PEMFC供電系統結構

變電站用PEMFC供電系統主要由燃料處理系統、氧化劑處理系統、燃料電池模塊、電能變換單元、控制系統、通風系統、水熱綜合管理單元及輔助儲能模塊等組成，該系統結構如下圖所示。

圖 變電站用PEMFC供電系統結構示意圖

圖1中各個組成部分的功能，包括但不限于以下描述。

燃料處理系統：燃料電池供電系統所需要的、準備燃料及必要時對其加壓的、由化學和/或物理處理設備以及相關的熱交換器和控制器所組成的系統。

氧化劑處理系統：用來計量、調控、處理并可能對輸入的氧化劑進行加壓以便供燃料電池供電系統使用的系統。

通風系統：通過機械的方法，向燃料電池發電系統的機柜內提供空氣。

自動控制系統：由傳感器、制動器、閥門、開關和邏輯元件組成的系統，用以使燃料電池發電系統在無需人工干預時，參數能保持在制造商給定的限值范圍內。

燃料電池模塊：一個或多個燃料電池堆和其他主要及適當的附加部件的集成體，通過電化學反應將化學能轉化為電能和熱能。

熱管理系統：提供冷卻和散熱功能以保持燃料電池發電系統內部的熱平衡，還可以回收余熱以及在啟動過程中協助加熱動力傳動系統。

電能變換單元：控制或轉換所產生的電能，可在制造商設計范圍內滿足用電需求的系統。

輔助儲能模塊：系統內部所帶的儲能裝置，用于幫助或補充燃料電池模塊向內部或外部負載供電。

變電站用PEMFC系統函二次電池，但是不含儲氫系統，對于氫氣的來源不做要求，可以是使用氣瓶，也可以采用現場制氫等方式。

三、標準主要技術要求解析

標準在起草的過程中，參考了目前電力系統使用的標準GB/T 19826《電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求》，并對變電站展開了實際的調研工作，了解了PEMFC作為變電站直流供電系統所需滿足的主要技術要求。標準中所涉及的主要技術內容包括：

（1）使用條件

相對于鉛酸蓄電池對環境溫度的嚴格要求，PEMFC相對寬松，工作環境溫度在-10～40℃；相對濕度為（10%～95%）RH，不凝露；PEMFC所使用的氧化劑為空氣，高海拔空氣中氧含量的降低會對燃料電池性能產生較大的影響，因此本標準限于海拔不超過2000米的條件下進行使用。

（2）安全和安裝要求

這兩部分的內容依據現有的GB/T 27748.1《固定式燃料電池發電系統 第1部分：安全》和GB/T 27748.3《固定式燃料電池發電系統 第3部分：安裝》等2項標準規定的內容執行。

（3）直流供電能力

按照GB/T 19826《電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求》中的規定，PEMFC系統需滿足直流母線電壓最大變化范圍為直流系統標稱電壓的90%～110%。因此，PEMFC系統在承受電網突然斷電產生的負荷和沖擊時，也需保證直流母線上的電壓不得低于直流標稱電壓的90%。

變電站的負荷分為三種，經常性負荷、事故性負荷和沖擊性負荷。據調查，以220 kV變電站為例，設計的經常性負荷為52.7A，沖擊負荷為82.7A，沖擊時間為3s；實際的經常性負荷是30A，沖擊負荷大約為經常性負荷的3倍，要求在發生故障沖擊60ms內切斷所有動作。現階段對變電站備用電源啟動期間內的負荷曲線沒有監測和記錄，沖擊性負荷與變電站的規模有關。GB/T 19826《電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求》中的規定，蓄電池沖擊試驗中放電電流根據蓄電池放電狀態、放點終止電壓和蓄電池組的個數進行選擇；燃料電池本身不存儲能量，而是一臺發電設備，其關鍵技術參數是功率，沖擊試驗實際上是對與燃料電池相匹配的儲能單元的抗沖擊能力，跟燃料電池本身的性能無關。因此，現階段雖然蓄電池用于變電站備用電源有很多經驗和數據積累，但并不適用于燃料電池，尤其是沖擊要求，需要進行實際測試。經過征求電網系統的意見，現階段制定的國家標準規定了PEMFC系統應能夠承受8倍的沖擊電流，持續時間500 ms。待標準實施后，根據實際使用過程中數據的積累，將進一步完善該部分的內容。

（4）PEMFC系統的主要性能要求

連續供電能力：變電站要求備用電源的備電時間為：有人值班1小時，無人值班2小時。燃料電池工作時間，可以通過保證足夠的燃料來得以實現。考慮到變電站的實際需求和氫瓶放置數量，在制定的國家標準中，明確要求額定功率下，PEMFC系統的連續運行時間不少于10個小時。

功耗和過載能力：為了確保燃料電池在變電站備用電源領域的優勢，國家標準中提出PEMFC系統待機功耗應不大于系統額定輸出功率的1%（不含燃料電池電加熱部分功耗）。系統輸出為額定功率110%時，應能夠正常運行10min。

效率：為了保證提供PEMFC系統的品質，結合現階段國內燃料電池的技術水平，制定的國家標準中設置了一定的門檻，要求PEMFC系統輸出額定功率時，初始發電效率應不低于35%。

壽命：現階段變電站發生故障的頻率非常低，每隔5～8年檢修一次,備用電源基本上處于空載狀態。很多情況下，蓄電池從使用到壽命終止，一次都沒有被使用。目前變電站使用鉛酸蓄電池的設計壽命為10年，然而，大部分的蓄電池實際使用壽命為3～5年，甚至更低。在制定的標準中，規定PEMFC系統壽命不低于1500小時，即使每年使用150小時，也能夠確保燃料電池發系統使用10年，充分凸顯出燃料電池的優勢。從經濟性的角度出發，220kV變電站需要配備2組110V、500Ah的鉛酸蓄電池（單個電壓為2V），成本＝2.5元／Ah×500Ah×110×2=27.5萬（3～5年左右）；如果改為燃料電池，成本大概在44萬左右，10年的使用壽命也使得燃料電池占據成本的優勢。

燃料電池作為變電站備用電源的瓶頸不是成本，而是安全性和可靠性方面。氫氣的存儲形式、放置位置以及對于氫氣泄露的監測和應對措施需要重點考慮。

（5）防火、防爆要求

對于變電站用直流供電系統，性能和成本的考慮是一方面，更重要的是安全性和可靠性的要求。

依據GB 50229《火力發電廠與變電所涉及防火規范》。對于鉛酸蓄電池，300Ah以上的容量要求有單獨的電池室，電池室是防爆的，并安裝有空調。燃料電池作為變電站備用電源，更多的問題源自氫氣使用的安全要求，因此，在制定的標準中，對于氫氣泄漏的檢測、保護與報警功能、以及后續采取的保護性措施做出了嚴格的規定。特別規定，PEMFC系統中易發生氫氣泄漏或氫氣積聚的部位（危險區域，0 區和1 區的稀釋范圍內），如儲氫瓶、燃料電池堆上方等，應當安裝氫氣濃度傳感器，并應有相應的安全聯鎖裝置。當發電系統中有氫氣漏，氫氣積聚濃度達到 25%LFL 時，控制系統應能通過顯示屏或聲音或燈光等方式警示操作者；當氫積聚濃度達到 50%LFL時，應自動切斷氫氣供應源并自動關機。

（6）其他要求

標準規定PEMFC系統的絕緣電阻、介質強度、耐濕熱性能、電磁兼容等要求，均需符合GB/T 19826－2014《電力工程直流電源設備通用技術條件及安全要求》中的規定。此外，標準中還規定了，PEMFC系統正常運行時，噪音不應大于65 dB，防護等級不應低于IP 20。

四、展望

PEMFC系統作為變電站用備用電源在壽命和生命周期整體的成本等方面均優于現有的鉛酸電池，本項標準的制定對于推動PEMFC在變電站備用電源領域的應用，具有重要的意義。

除了解決上述技術性問題，是否能夠被民眾所夠接受也是需要考慮的因素。氫氣是易燃易爆危險化學品，一直以來大眾都是談“氫”色變，因此，今后一段時期即使將燃料電池引入變電站，遠離市區的變電站將是我們的首選目標。此外，還應開展燃料電池科普宣傳活動，讓燃料電池更能被大眾所接受。