含甲醇固體氧化物燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王婷延， 黃青丹， 黃慧紅， 韋凱晴， 李東宇

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510620）

0 引 言

相較于傳統(tǒng)的集中式生產(chǎn)、運(yùn)輸、終端消費(fèi)電力結(jié)構(gòu)，分布式發(fā)電技術(shù)由于供電可靠、發(fā)電損耗較低、安裝地點(diǎn)靈活以及投資少等優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用［1-2］。然而，當(dāng)前分布式發(fā)電系統(tǒng)大多局限于電網(wǎng)及用戶之間的電力耦合，難以匹配多元化的能源互聯(lián)互補(bǔ)［3-4］；且風(fēng)、光等分布式電源的隨機(jī)波動性與不可控性，使得分布式發(fā)電在大規(guī)模接入電力系統(tǒng)時，將會給電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性帶來一定的負(fù)面影響［5-6］。

燃料電池是一種清潔高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，可以通過電化學(xué)反應(yīng)，高效的實(shí)現(xiàn)了化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)換，為分布式配電網(wǎng)之間的多能轉(zhuǎn)換提供了有效的技術(shù)路線［7］。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）以及固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）。其中，SOFC是目前發(fā)電效率最高的燃料電池技術(shù)，具有燃料適用性廣、余熱品質(zhì)高、維護(hù)費(fèi)用低、可逆運(yùn)行等特點(diǎn)，在分布式發(fā)電領(lǐng)域極具應(yīng)用前景［8］。

基于上述情況，本文設(shè)計(jì)并搭建了一種含甲醇SOFC的分布式發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)（以下簡稱MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)）。該系統(tǒng)能夠自動實(shí)現(xiàn)內(nèi)部能量平衡管理，具備燃料電池并網(wǎng)、離網(wǎng)多種運(yùn)行模式，可進(jìn)行碳、氫、熱、電多能系統(tǒng)的聯(lián)合模擬運(yùn)行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)和搭建的MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)基于一條400 V直流母線，將多個分布式電源、負(fù)荷、儲能裝置、變換器以及分層監(jiān)控平臺整合在一起，形成了具備運(yùn)行模式控制、故障診斷和能量管控的智能化的小型分布式發(fā)配電系統(tǒng)。

樣機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用直流構(gòu)架，省去了額外的DC/AC變流環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可與大電網(wǎng)完全解耦［9］。主要包括儲能調(diào)節(jié)設(shè)備、燃電設(shè)備、輔助供電設(shè)備、輔助變壓設(shè)備、輔助功能性設(shè)備、供料設(shè)備、管控設(shè)備等。

為了便于設(shè)備運(yùn)輸及功能擴(kuò)展，系統(tǒng)平臺采用分體式機(jī)柜設(shè)計(jì)，各設(shè)備按照功能特性進(jìn)行區(qū)塊化硬件集成，如圖2所示。

整個系統(tǒng)硬件平臺分為電控區(qū)塊、醇發(fā)區(qū)塊2個機(jī)柜：電控區(qū)塊主要用來實(shí)現(xiàn)對多個分布式電源電能的傳輸、控制、管理以及整體MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)的運(yùn)行模式控制；醇發(fā)區(qū)塊則主要用于建立固體氧化物燃料電池工作環(huán)境，包括燃料供應(yīng)以及溫度管理兩方面功能。機(jī)柜之間設(shè)有便捷式連接插頭（見圖3），能夠方便、快速的完成系統(tǒng)區(qū)塊之間的連接，系統(tǒng)配有不同電壓等級的電源便捷式輸出端口、電堆輸出接口以及400 V母線輸出接口，可用于連接不同電壓等級負(fù)載，構(gòu)建多元化的負(fù)荷應(yīng)用場景展示（負(fù)載區(qū)塊）。

1.2 硬件配置

（1）電控區(qū)塊。電控區(qū)塊主要包括儲能調(diào)節(jié)、輔助供電、輔助變壓等設(shè)備類型，同時系統(tǒng)的管控設(shè)備也集成在該區(qū)域。各設(shè)備具體參數(shù)及功能見表1。

表1 電控區(qū)塊設(shè)備參數(shù)及功能表

（2）醇發(fā)區(qū)塊。醇發(fā)區(qū)塊是MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)的核心板塊，將整個系統(tǒng)從單純的電耦合擴(kuò)展到了氣、熱、電多元化能源互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，主要包括燃電模塊、供料模塊以及輔助功能性器件。其中，燃電模塊中的固體氧化物燃料電池采用浙江臻泰能源科技有限公司的新型高溫燃電技術(shù)（ZTSOCTM），如圖4（a）所示，可使用甲醇或天然氣重整氣（CO＋H2）為原料高效發(fā)電，對應(yīng)燃電模塊結(jié)構(gòu)及放電曲線如圖4（b）和（c）所示。

本文的MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)采用甲醇水溶液重整技術(shù)為電池供應(yīng)燃料，又稱為甲醇固體氧化物燃料電池。供料模塊能夠?qū)崿F(xiàn)甲醇水溶液的供應(yīng)、重整、配氣和緩沖，從而為燃電模塊提供燃料。功能器件主要包括加熱器、冷卻器以及相關(guān)測控器件等，實(shí)現(xiàn)燃電模塊工作溫度環(huán)境的建立、系統(tǒng)熱管理以及相關(guān)狀態(tài)參數(shù)采集監(jiān)控。整體醇發(fā)區(qū)塊工藝流程如圖5所示，對應(yīng)的醇發(fā)區(qū)塊各設(shè)備主要功能及參數(shù)見表2。

表2 晶粒計(jì)數(shù)結(jié)果

表2 醇發(fā)區(qū)塊設(shè)備參數(shù)及功能表

（3）負(fù)載區(qū)塊。負(fù)載區(qū)塊主要用于模擬不同類型、電壓等級的載荷，從而測試MSOFC系統(tǒng)的對外輸出性能。MSOFC系統(tǒng)的輸出接口中包括400 V母線輸出接口，可用于連接對應(yīng)等級電子負(fù)載，測試分布式發(fā)電系統(tǒng)對外輸出性能；也可連接相關(guān)逆變并網(wǎng)裝置，用于將MSOFC系統(tǒng)接入大電網(wǎng)。同時，系統(tǒng)配置了各種電壓等級的便捷式電源輸出接口與電堆功率輸出接口，可外接不同電壓等級的輔助負(fù)載。本文為測試MSOFC系統(tǒng)的輸出性能，在負(fù)載區(qū)塊中配置了1臺可逆電子負(fù)載（4～450 V，3A，1.2 kW），用于模擬可控負(fù)載、電源。并配置了臺燈、風(fēng)扇等小電器（48 V/24 V/12 V/5 V），用于模擬不可控負(fù)載。

2 系統(tǒng)管理控制策略設(shè)計(jì)

2.1 控制構(gòu)架設(shè)計(jì)

為協(xié)調(diào)區(qū)塊之間不同單元的運(yùn)行過程，保障MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)穩(wěn)定安全的運(yùn)行，切實(shí)可行的控制系統(tǒng)策略是必不可少的［9-10］。鑒于系統(tǒng)不同分布式電源之間的特性差異以及控制目標(biāo)的多元化，本文的MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)采用層次控制方案，將不同特性的控制任務(wù)劃分至不同的控制層級［11-13］。基于該種控制邏輯，構(gòu)建了上層主控制器與下層醇發(fā)控制器2個層級。其中，上層主控制器依托工控機(jī)硬件平臺搭建，主要功能包括樣機(jī)的工作流程管理、能流優(yōu)化調(diào)度，并能夠針對樣機(jī)中單純電特性的單元（儲能電池、直流穩(wěn)壓源等）進(jìn)行直接監(jiān)控管理；下層醇發(fā)控制器以PLC為硬件基礎(chǔ)搭建，主要針對具備熱、流、電多重特性的醇發(fā)區(qū)塊進(jìn)行單獨(dú)管控，同時能夠與主控制器實(shí)時交互，配合主控制器下發(fā)的調(diào)度管理策略，實(shí)現(xiàn)對醇發(fā)區(qū)塊相關(guān)設(shè)備的動作響應(yīng)。

底層設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控與動作響應(yīng)主要通過工程中常用的TCP、MOBUS-RTU等通訊協(xié)議以及數(shù)字量、模擬量I/O口信號實(shí)現(xiàn)。

2.2 運(yùn)行模式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中醇發(fā)區(qū)塊的工作特性與其余單元之間存在顯著的差異，其工作過程中涉及電、流、熱多變量的耦合影響，時間尺度橫跨毫秒、秒以及分鐘3個層級，覆蓋了其余設(shè)備的工作時間尺度特征（ms級）。為了保障系統(tǒng)多時間尺度的協(xié)調(diào)控制，樣機(jī)的運(yùn)行模式將根據(jù)固體氧化物燃料電池的不同工作狀態(tài)來確定。本文的樣機(jī)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)的7種工作模式，各模式之間的定義及具體工作特征見表3。

表3 系統(tǒng)運(yùn)行模式定義及工作特征

根據(jù)各模式的工作特征，將工作模式劃分為短時間尺度以及長時間尺度兩大類。其中：短時間尺度是指其他模式切換到該模式下達(dá)到穩(wěn)態(tài)所消耗的時間在毫秒或秒級別，包括冷備、熱備、熱工作、停機(jī)；長時間尺度是指對應(yīng)工作模式下達(dá)到穩(wěn)態(tài)所消耗的時間在分鐘級別，包括升溫、降溫、預(yù)充電。基于不同工作模式類型之間的時間尺度差異，進(jìn)一步設(shè)計(jì)整體MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)的運(yùn)行模式切換流程如圖6所示。

由圖6可見，系統(tǒng)短時間尺度之間、長時間尺度之間以及短時間尺度到長時間尺度之間工作模式的切換可以通過用戶下發(fā)的關(guān)鍵命令/動作完成，而長時間尺度到短時間尺度工作模式的切換則需要通過關(guān)鍵性閾值判定，自動切換進(jìn)入。該種切換邏輯可以有效保證系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定。此外，為了保護(hù)系統(tǒng)工作流程的有序性，相關(guān)的下發(fā)動作或命令，只有在滿足流程前置條件時才會生效。

2.3 能量調(diào)度策略設(shè)計(jì)

能量調(diào)度策略是MSOFC系統(tǒng)樣機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一，樣機(jī)內(nèi)部包含多種模擬分布式電源以及負(fù)荷，需要通過協(xié)調(diào)不同單元之間的運(yùn)行過程，實(shí)現(xiàn)更加經(jīng)濟(jì)、智能的電力供給。固體氧化物燃料電池需要構(gòu)建供氣、高溫環(huán)境，才能夠?qū)崿F(xiàn)對外供電，而構(gòu)建過程中醇發(fā)區(qū)塊的功能性器件以及測控設(shè)備均需要從其它分布式電源處取電，這使得燃電模塊同時具備了負(fù)荷與電源2種特性，因而在設(shè)計(jì)能量調(diào)度策略需要針對燃電模塊接入母線與否，提出對應(yīng)的管理方法［14-16］。

燃電模塊并網(wǎng)之前，系統(tǒng)可控的穩(wěn)定電源設(shè)備僅有直流恒壓電源與鋰電池，故能量管理策略可依據(jù)鋰電實(shí)時電荷量SOC、鋰電池單體電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)，燃電并網(wǎng)前具體能量管理邏輯如圖7所示。

燃電模塊并網(wǎng)之后，可作為新的穩(wěn)定可控電源參與調(diào)度，此時能量管理策略需要進(jìn)一步考慮燃料電池的對外電輸出能力Ifc進(jìn)行設(shè)計(jì)，燃電并網(wǎng)后具體能量管理邏輯如圖8所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于搭建好的硬件平臺以及管理控制策略，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件主要包括：PLC控制邏輯的設(shè)計(jì)、工控機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)以及交互界面的組態(tài)設(shè)計(jì)。

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

PLC控制程序通過WPLSoft軟件使用梯形圖語言編寫完成，主要分為主站控制程序與從站控制程序。其中主站控制程序功能包括與工控機(jī)、PLC從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，響應(yīng)執(zhí)行醇發(fā)區(qū)塊燃電設(shè)備的具體控制動作；從站控制程序根據(jù)交互界面下發(fā)的命令，按照預(yù)設(shè)控制邏輯，響應(yīng)執(zhí)行醇發(fā)區(qū)塊功能性器件的控制動作。

3.2 工控機(jī)控制程序

工控機(jī)控制程序采用Python語言編寫實(shí)現(xiàn)，采用了多線程模塊化方式運(yùn)行。主要包括數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷、動作指令響應(yīng)、能量調(diào)度管理以及故障診斷等功能程序模塊，各程序模塊可并行運(yùn)行，提高了數(shù)據(jù)傳輸、處理的速度。

3.3 交互界面設(shè)計(jì)

如圖9所示為設(shè)計(jì)的交互界面，其分為主機(jī)交互界面（見圖9（a））及觸摸屏交互界面（見圖9（b））。觸摸屏交互界面采用臺達(dá)DOP系列觸摸屏，利用專用軟件DOPSoft進(jìn)行組態(tài)界面設(shè)計(jì)，可以實(shí)時顯示醇發(fā)區(qū)塊相關(guān)設(shè)備的溫度、壓強(qiáng)、流量、電壓、電流等信號，并可在手動模式下，實(shí)現(xiàn)對醇發(fā)區(qū)塊設(shè)備的獨(dú)立管控。觸摸屏界面主要包括醇發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控主畫面、燃電BMS監(jiān)控界面、雙向DC/DC監(jiān)控畫面、實(shí)時報(bào)警窗口以及歷史報(bào)警窗口。主機(jī)交互界面依托工控機(jī)平臺采用Python語言編寫實(shí)現(xiàn)，可實(shí)時監(jiān)控當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行模式以及母線上各供電端、負(fù)載端對應(yīng)的電壓電流信號，并可在自動模式下發(fā)用戶動作指令。

4 系統(tǒng)運(yùn)行測試

系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖9所示，可見系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)、各設(shè)備實(shí)時運(yùn)行參數(shù)以及醇發(fā)區(qū)塊熱、流信息。通過主機(jī)交互界面，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同運(yùn)行模式的切換操作，本文實(shí)驗(yàn)主要針對系統(tǒng)啟動、能量管理以及燃料電池并離網(wǎng)3個方面進(jìn)行測試，用于驗(yàn)證系統(tǒng)的基礎(chǔ)通訊控制功能、能流調(diào)度功能以及多能接入功能。

4.1 系統(tǒng)啟動測試

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試啟動時，點(diǎn)擊主機(jī)觸摸屏上交互界面的開機(jī)按鈕，通過交互界面觀察，母線電壓成功建立，醇發(fā)區(qū)塊溫度、壓力、流量參數(shù)均正常顯示（見圖10及圖9（b）），表明系統(tǒng)通訊、控制功能正常。

4.2 能量管理測試

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰抗芾頊y試時，設(shè)置可逆電子負(fù)載以恒流放電模式運(yùn)行，放電電流隨機(jī)階躍變化（見圖11），通過交互界面觀察，母線電壓始終維持在400 V，表明系統(tǒng)能量管理功能正常。

4.3 燃料電池并網(wǎng)測試

進(jìn)行燃料電池并網(wǎng)測試時，點(diǎn)擊主機(jī)交互界面開車按鈕，為固體氧化物燃料電池構(gòu)建工作環(huán)境，直至交換界面狀態(tài)欄顯示為熱備用狀態(tài)后點(diǎn)擊并網(wǎng)按鈕（未在該前置狀態(tài)下點(diǎn)擊并網(wǎng)按鈕將提示錯誤）。此時觀察交互界面，可看到圖12所示的系統(tǒng)變?yōu)閷?yīng)并網(wǎng)狀態(tài)，圖13所示的固體氧化物燃料電池對外電流輸出狀況，系統(tǒng)并網(wǎng)測試成功。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并搭建的含甲醇固體氧化物燃料電池分布式發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)，通過了實(shí)驗(yàn)運(yùn)行測試，該系統(tǒng)運(yùn)行安全、可靠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①硬件平臺整體采用分體式結(jié)構(gòu)，相關(guān)設(shè)備按照功能特性進(jìn)行了區(qū)塊化集成，便于系統(tǒng)的運(yùn)輸及功能擴(kuò)展；②基于工控機(jī)與PLC搭建了層次化系統(tǒng)監(jiān)控平臺，結(jié)合燃料電池電-氣-熱耦合、多時間尺度跨越的工作特性，提出了系統(tǒng)的運(yùn)行流程邏輯以及能流調(diào)度管理邏輯，并進(jìn)行了軟件編程、封裝，可操作性高。依托系統(tǒng)平臺，進(jìn)一步可以進(jìn)行碳、氫、熱、電多能系統(tǒng)的聯(lián)合模擬運(yùn)行以及相關(guān)組合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)研究，為能源專業(yè)相關(guān)研究人員提供了良好的實(shí)驗(yàn)支撐條件。