張建良， 吳 越， 齊冬蓮

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

風(fēng)電制氫-燃料電池微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張建良， 吳 越， 齊冬蓮

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 杭州 310027)

針對(duì)間歇性、波動(dòng)性風(fēng)能的高效綜合利用，開(kāi)發(fā)了一種全新的風(fēng)電制氫耦合燃料電池微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；赑LC設(shè)計(jì)了電解制氫系統(tǒng)的整流器控制、溫度控制、壓力控制和液位控制等控制器的協(xié)調(diào)和優(yōu)化；通過(guò)PLC采集儲(chǔ)氫瓶的壓力和溫度信息，實(shí)現(xiàn)壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)充氣和供氣兩種過(guò)程的控制；通過(guò)對(duì)DC/AC逆變器目標(biāo)功率的控制，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)輸出功率的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)了微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電制儲(chǔ)氫系統(tǒng)和燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行，以及微網(wǎng)全系統(tǒng)運(yùn)行3種運(yùn)行模式。應(yīng)用實(shí)踐表明，該微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅保證各個(gè)子系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且根據(jù)具體運(yùn)行條件實(shí)現(xiàn)運(yùn)行模式之間的協(xié)調(diào)及切換，達(dá)到對(duì)棄風(fēng)風(fēng)電綜合利用的目的。

風(fēng)電制氫系統(tǒng)； 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)； 微網(wǎng)； 協(xié)同控制

0 引 言

近年來(lái)，積極開(kāi)發(fā)利用以風(fēng)能、氫能等為代表的清潔能源已成為我國(guó)能源發(fā)展的重要方面，這對(duì)于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。包含風(fēng)、氫、燃料電池等清潔能源的微網(wǎng)系統(tǒng)研究，為各種能源的優(yōu)化整合和高效利用提供了技術(shù)保證和實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。在微網(wǎng)理論研究及工程實(shí)踐方面，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了一系列的探索研究[1-5]。

本文針對(duì)因風(fēng)能的間歇性、波動(dòng)性以及輸電容量限制等因素導(dǎo)致的大規(guī)模棄風(fēng)問(wèn)題[3-5]，通過(guò)開(kāi)發(fā)風(fēng)電制氫-燃料電池微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫系統(tǒng)、壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)和可變負(fù)荷系統(tǒng)的運(yùn)行特性和控制機(jī)理進(jìn)行了研究[6-9]，提出了風(fēng)電制氫耦合燃料電池微網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)，根據(jù)環(huán)境條件和系統(tǒng)實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)系統(tǒng)在多種運(yùn)行模式下的柔性可靠運(yùn)行[10-11]。

通過(guò)構(gòu)建風(fēng)電制氫-燃料電池微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不但可以為電氣工程類專業(yè)學(xué)生提供一個(gè)在分布式發(fā)電、微網(wǎng)等前沿技術(shù)開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，同時(shí)為電氣類工程師的培養(yǎng)提供了工程實(shí)訓(xùn)的可能性[12-16]。

1 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

風(fēng)電制氫-燃料電池微網(wǎng)系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電解制氫系統(tǒng)、壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、可變負(fù)荷系統(tǒng)以及相關(guān)的協(xié)調(diào)控制單元組成。整個(gè)微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖1所示，可以看到，該微網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)包括控制流、電力流和氫氣流在內(nèi)的典型非線性復(fù)雜信息處理系統(tǒng)。微網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和運(yùn)行規(guī)則為：通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)調(diào)度系統(tǒng)控制所有風(fēng)機(jī)出力大小及是否停機(jī)，并通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與中央?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和邏輯判斷，確認(rèn)棄風(fēng)量大小及是否可以開(kāi)始制備和存儲(chǔ)氫氣；根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)的容量和質(zhì)量，以及本地負(fù)荷的實(shí)際需求和儲(chǔ)氫系統(tǒng)的運(yùn)行狀況等，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)決定燃料電池系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的工序協(xié)作。

圖1 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)

1.1 電解制氫系統(tǒng)

電解制氫系統(tǒng)是整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)中的核心部分，制氫系統(tǒng)的控制是實(shí)現(xiàn)本微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的必要前提之一[6-9]?？紤]到風(fēng)能的波動(dòng)性以及儲(chǔ)氫系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，制氫系統(tǒng)面臨著在變化的運(yùn)行工況環(huán)境下，對(duì)包括整流器控制、溫度控制、壓力控制和液位控制在內(nèi)的多個(gè)控制器的協(xié)調(diào)和優(yōu)化。電解制氫系統(tǒng)變工況控制主要基于PLC程序?qū)崿F(xiàn)，控制框圖如圖2所示。系統(tǒng)運(yùn)行流程為：

圖2 制氫系統(tǒng)變工況運(yùn)行控制簡(jiǎn)圖

(1)輸入端高壓電經(jīng)變壓器和整流柜整定出供電解槽電解的直流電，然而，由于風(fēng)電的波動(dòng)性帶來(lái)輸入電壓、電流的變化，為了實(shí)現(xiàn)制氫系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行，保證制氫的連續(xù)性和質(zhì)量保證，需要通過(guò)控制柜控制整流柜輸出電壓，實(shí)現(xiàn)制氫系統(tǒng)運(yùn)行功率在0%～100%可調(diào)。

(2)電解槽出口產(chǎn)生的氫氣堿液混合物和氧氣堿液混合物進(jìn)入氣液處理器中，在分離器中進(jìn)行分離后，堿液經(jīng)過(guò)濾后回流至電解槽，氫氣氧氣分別經(jīng)分離洗滌后含堿量≤1 mg/m3，含水量≤4 g/m3，其中氫氣純度達(dá)到99.8%，氧氣純度達(dá)到99.2%，可直接儲(chǔ)存或進(jìn)入氣體純化系統(tǒng)。電解槽為PEM型壓濾式雙極性結(jié)構(gòu)，是制氫裝置中的核心設(shè)備，工作壓力可達(dá)3.2 MPa，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的電解槽如圖3所示。

圖3 電解槽原理圖(左)與實(shí)物圖(右)

(3)氫氣純化系統(tǒng)能夠去除氫氣中的氧氣和水分雜質(zhì)(氧氣純化系統(tǒng)去除氧氣中的氫氣和水分雜質(zhì))，以滿足對(duì)氫氣(氧氣)純度和含水量的較高要求。純化后，氣體露點(diǎn)≤-70 ℃，氫氣含氧量≤1×10-6，氧氣含氫量≤5×10-6。純化后的氫氣(氧氣)可直接進(jìn)入儲(chǔ)罐進(jìn)行儲(chǔ)存。

(4)水堿補(bǔ)給系統(tǒng)為水電解制氫的配套附屬設(shè)備，包括水箱、堿箱、加水泵及配套閥門等，用于電解槽堿液配制以及設(shè)備運(yùn)行時(shí)的純水補(bǔ)給和堿液補(bǔ)給。

(5)閉式循環(huán)水設(shè)備為水電解制氫系統(tǒng)的常用配套設(shè)備，包括水箱、循環(huán)泵、板式換熱器等裝置。通過(guò)利用外部的工業(yè)冷卻水給內(nèi)部冷卻水降溫，為運(yùn)行系統(tǒng)提供水質(zhì)穩(wěn)定的閉式循環(huán)冷卻水，有助于提高水電解設(shè)備電解溫度的穩(wěn)定性及冷卻水管道及換熱器的使用壽命。

1.2 壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)

壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)包含緩沖罐、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶組以及氫氣管道等配套設(shè)施。制氫系統(tǒng)中純化后的氫氣首先經(jīng)過(guò)緩沖罐緩沖，然后通過(guò)壓縮機(jī)高壓壓縮后，以高壓方式存儲(chǔ)于儲(chǔ)氫瓶組內(nèi)，既可以為工業(yè)或民用場(chǎng)合提供氫氣，也可以供給燃料電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行。儲(chǔ)氫瓶組含12個(gè)容積為128 L鋼瓶，單個(gè)儲(chǔ)罐存儲(chǔ)壓力可達(dá)3.5 MPa，存儲(chǔ)溫度要求不超過(guò)85 ℃。壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)的控制包括兩部分：

(1) 充氣過(guò)程控制策略。

①P1是緩沖瓶的壓力傳感器。當(dāng)p1達(dá)到某一設(shè)定范圍值時(shí)，PLC程序控制接通壓縮機(jī)供電電源，壓縮機(jī)啟動(dòng)工作(p1≥2.0 MPa，啟動(dòng)；p1<2.0 MPa，停機(jī))。

②P2是高壓儲(chǔ)氫瓶組的高壓壓力傳感器。當(dāng)p2達(dá)到某一設(shè)定范圍值時(shí)，PLC程序控制中斷壓縮機(jī)供電電源，壓縮機(jī)停止工作(p2≥34 MPa，壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫瓶均停止；反之，啟動(dòng))。

③T1是高壓儲(chǔ)氫瓶組內(nèi)的溫度傳感器，當(dāng)t1高于某一設(shè)定范圍值時(shí)，PLC程序控制中斷壓縮機(jī)供電電源，壓縮機(jī)停止工作(t1≥85℃，停止)。

④HL是儲(chǔ)供系統(tǒng)中的氫氣泄漏傳感器。當(dāng)氫氣濃度高于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警，并需要壓縮機(jī)停止工作，高壓儲(chǔ)氫瓶組主電磁閥關(guān)閉(HL≥1 000×10-6，停止)。

(2) 供氣過(guò)程(燃料電池發(fā)電)控制策略。

①燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先要給高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，12 V主電磁閥供電，打開(kāi)瓶閥。此時(shí)壓縮機(jī)一直處于停機(jī)狀態(tài)。

②P3是高壓儲(chǔ)氫瓶組的一級(jí)減壓器后的低壓壓力傳感器，當(dāng)p3高于最大設(shè)定值時(shí)(減壓器故障)，PLC程序控制中斷高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)主電磁閥供電電源，停止供氣，進(jìn)行檢修(p3≥2.5 MPa，停止)。

上述壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)儲(chǔ)、供氫過(guò)程控制如圖4所示。

圖4 壓縮儲(chǔ)氫系統(tǒng)儲(chǔ)供氫控制示意圖

1.3 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)采用30 kW燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，具有工作溫度低、啟動(dòng)速度較快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具體包括輔助系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和主機(jī)系統(tǒng)3部分，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

燃料電池額定輸出功率為30 kW；電壓輸出范圍300～550 V；額定工況下的效率不低于40%；室溫下可在6 s內(nèi)完成啟動(dòng)；工作環(huán)境溫度2～40 ℃；環(huán)境相對(duì)濕度10%～90%；空氣質(zhì)量不低于三級(jí)污染水平；工作地點(diǎn)海拔高度不高于1 km；氫氣中CO濃度不高于10×10-6，H2S濃度不高于0.1×10-6。

試驗(yàn)中，燃料電池系統(tǒng)的控制過(guò)程為：在收到控制系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)命令后，燃料電池輔件系統(tǒng)在外供電直流24 V和交流380 V的支持下，啟動(dòng)并自檢；自檢成功后，反饋燃料電池系統(tǒng)的最大輸出能力和最大加載能力；控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)DC/AC逆變器目標(biāo)功率的控制，控制燃料電池系統(tǒng)的輸出功率。

燃料電池系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的交互信號(hào)包括：①系統(tǒng)的狀態(tài)標(biāo)志位：?jiǎn)?dòng)、自檢、停機(jī)等；②燃料電池系統(tǒng)正常工作與否的表征參數(shù)，燃料電池系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的通訊正常與否的表征參數(shù)；③系統(tǒng)最大輸出能力和最大加載能力；④系統(tǒng)目標(biāo)功率值(通過(guò)控制逆變器DC/AC系統(tǒng)的輸出功率間接實(shí)現(xiàn))；⑤系統(tǒng)故障代碼等。

2 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行模式

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和運(yùn)行工況要求，建立微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的三種運(yùn)行模式，如圖6所示，藍(lán)色虛線框內(nèi)為模式1；紅色虛線框內(nèi)為模式2；黑色虛線框內(nèi)為模式3。

(1)模式1(風(fēng)電制儲(chǔ)氫模式)。系統(tǒng)主要工作模式。該模式的目的是當(dāng)電網(wǎng)無(wú)法消納過(guò)多風(fēng)電時(shí)，將剩余風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫氣存儲(chǔ)；該模式必須保證風(fēng)電質(zhì)量既能滿足并網(wǎng)要求，也能滿足電解池運(yùn)行要求；該模式以電解池的運(yùn)行為依據(jù)，輸入的功率不能超過(guò)其額定功率。

(2)模式2(燃料電池獨(dú)立運(yùn)行模式)。氫能發(fā)電利用模式。當(dāng)負(fù)荷需要供電或風(fēng)電場(chǎng)輸出電能質(zhì)量無(wú)法滿足調(diào)度要求時(shí)，啟動(dòng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，將儲(chǔ)氫系統(tǒng)的氫能轉(zhuǎn)化為電能，供給微網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷或饋入電網(wǎng)。

(3)模式3(全系統(tǒng)運(yùn)行模式)。風(fēng)電系統(tǒng)同時(shí)向電解池和電網(wǎng)供電，同時(shí)燃料電池向電網(wǎng)輸出高質(zhì)量電能。當(dāng)風(fēng)電質(zhì)量較差或調(diào)度要求棄風(fēng)時(shí)，啟動(dòng)制氫和儲(chǔ)氫系統(tǒng)，該模式的目的是將質(zhì)量較差的風(fēng)電轉(zhuǎn)換為氫氣存儲(chǔ)，然后利用燃料電池將存儲(chǔ)的氫氣轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能饋送至電網(wǎng)。

圖6 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式圖

3 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

將上述三種模式下的微網(wǎng)綜合控制策略以流程簡(jiǎn)圖形式給出，如圖7所示。分割線上下分別為模式1、2，全圖即模式3控制邏輯。圖中T為儲(chǔ)氫裝置內(nèi)部溫度，p1為壓縮儲(chǔ)氫單元內(nèi)部緩沖罐壓力，p2為儲(chǔ)氫裝置內(nèi)部壓力。

該控制邏輯流程綜合了時(shí)序控制與條件控制，充分考慮了前文所述各子系統(tǒng)的工程特性及運(yùn)作原理與流程，滿足了各子系統(tǒng)運(yùn)行所需要的相互制約，避免了子系統(tǒng)間有可能出現(xiàn)的相互影響。結(jié)合本地控制層控制策略可以完整地實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的整體控制，保證微網(wǎng)在各種工況下穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行。

4 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用研究及成果

構(gòu)建風(fēng)電制氫-燃料電池微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行多種清潔能源耦合條件下的系統(tǒng)控制技術(shù)和試驗(yàn)研究，不但可以給電氣專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)分布式發(fā)電控制策略和微電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)等智能電網(wǎng)新技術(shù)提供平臺(tái)支撐，而且試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累，可以更好服務(wù)電氣學(xué)院師生的科研活動(dòng)。以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，為電氣學(xué)院在新能源發(fā)電、微網(wǎng)控制技術(shù)領(lǐng)域的科研項(xiàng)目申請(qǐng)和工程實(shí)施方面，提供了理論儲(chǔ)備及實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

4.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

考慮到電氣學(xué)院專業(yè)設(shè)置背景和社會(huì)需求，在電氣大類本科生培養(yǎng)中，尤其是電氣工程專業(yè)學(xué)位研究生的培養(yǎng)過(guò)程中，非常有必要開(kāi)展分布式發(fā)電和微網(wǎng)技術(shù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程。依托于該微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建成和應(yīng)用，不但可以將傳統(tǒng)電力系統(tǒng)和分布式發(fā)電方面的數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)和提升，從而開(kāi)展更加接近實(shí)際工程背景的實(shí)物仿真和半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)；而且有利于根據(jù)不同的專業(yè)、年級(jí)、知識(shí)水平和接受興趣，開(kāi)展有針對(duì)性的微網(wǎng)和新能源領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：針對(duì)低年級(jí)電氣類專業(yè)本科生，開(kāi)展一些新能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，比如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)展示實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)等；針對(duì)高年級(jí)本科生，開(kāi)展相應(yīng)的分布式發(fā)電原理性實(shí)驗(yàn)，比如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、電解制氫系統(tǒng)運(yùn)行控制實(shí)驗(yàn)及燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行原理等；針對(duì)學(xué)有余力的大四學(xué)生和微網(wǎng)研究領(lǐng)域的電氣工程專業(yè)研究生，以組織興趣實(shí)驗(yàn)小組的形式，實(shí)行教師指導(dǎo)下的高年級(jí)學(xué)長(zhǎng)負(fù)責(zé)制，開(kāi)展一系列探究性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，比如風(fēng)能-氫能耦合系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、風(fēng)-氫-燃料電池系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)，以及智能微電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行實(shí)驗(yàn)等。

圖7 微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制邏輯流程圖

4.2 科研輔助

我校擁有電氣工程國(guó)家重點(diǎn)一級(jí)學(xué)科，先后被列入國(guó)家“211”和“985”工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。在電力系統(tǒng)分析與控制、新能源開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域研究歷史悠久，研發(fā)實(shí)力雄厚。同時(shí)在多項(xiàng)國(guó)家科技支撐計(jì)劃、863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、省部級(jí)重大項(xiàng)目等支持下，對(duì)新能源開(kāi)發(fā)利用和微電網(wǎng)等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行了理論到實(shí)踐的深入研究，這些研究成果為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立提供了技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)也促進(jìn)了學(xué)院在微網(wǎng)和新能源領(lǐng)域的科研實(shí)踐活動(dòng)，尤其是科研項(xiàng)目的申請(qǐng)和工程實(shí)施。比如，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有力支撐了學(xué)院相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)國(guó)家十二五“863”項(xiàng)目“風(fēng)電耦合制儲(chǔ)氫燃料電池發(fā)電柔性微網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及示范(2014AA052501)”“以可再生能源為主的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2015AA0501374)等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，基于微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，成功研制一套基于風(fēng)電耦合制儲(chǔ)氫及燃料電池發(fā)電的柔性微網(wǎng)示范系統(tǒng)，該系統(tǒng)風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量≥0.5 MW，產(chǎn)氫量≥20 m3/h，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)≥30 kW，儲(chǔ)氫容量≥400 m3，儲(chǔ)氫壓力可達(dá)35 MPa，在棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重的張北地區(qū)代表性風(fēng)電場(chǎng)累計(jì)示范運(yùn)行時(shí)間≥500 h，系統(tǒng)消納棄風(fēng)比例≥85%，本微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為相關(guān)項(xiàng)目申請(qǐng)和實(shí)施階段的順利開(kāi)展提供了可靠保障。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但孵育了多項(xiàng)科研項(xiàng)目，而且收獲了豐碩的科研成果，尤其是在新能源微網(wǎng)相關(guān)研究領(lǐng)域，學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)近年來(lái)承擔(dān)包括國(guó)家973、863計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省科技計(jì)劃重大項(xiàng)目等省部級(jí)以上項(xiàng)目52項(xiàng)，獲得國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)、省級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)11項(xiàng)，發(fā)表相關(guān)SCI和EI收錄論文535篇，研究成果在國(guó)內(nèi)外重要期刊獲得發(fā)表。

5 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電制氫-燃料電池微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)拓展了風(fēng)電與氫能的互補(bǔ)利用新途徑，突破大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)瓶頸，為風(fēng)能資源的有效利用提供技術(shù)參考和相應(yīng)工程示范。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建，為電氣工程類專業(yè)學(xué)生提供了一個(gè)在分布式發(fā)電、微網(wǎng)等領(lǐng)域開(kāi)展各種探索性實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，為電氣類工程師的培養(yǎng)提供了工程實(shí)訓(xùn)的可能性。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為學(xué)院科研人員在開(kāi)展新能源和微網(wǎng)科研實(shí)驗(yàn)方面，以及申請(qǐng)和完成新能源領(lǐng)域省部級(jí)和國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，提供了有力的技術(shù)支撐和理論儲(chǔ)備。

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·名人名言·

知識(shí)是一座寶庫(kù),而實(shí)踐則是開(kāi)啟寶庫(kù)的鑰匙。

——托馬斯·富勒

Design of Wind Power Hydrogen Coupled with Fuel Cell Microgrid Experimental System

ZHANGJian-liang,WUYue,QIDong-lian

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In order to implement efficient utilization of intermittent and variable wind energy, a new wind power hydrogen coupled with fuel cell microgrid experimental system is designed. Specifically, by using PLC the design and optimization of multiple controllers for rectifier, temperature, pressure and level in electrolytic hydrogen production system are completed. Also the pressure and temperature information of hydrogen storage bottles, compressing process control and hydrogen supplying process control are provided based on PLC. And the DC/AC inverter power control is implemented to control the output power of the fuel cell system. Furthermore, the coordinated control of the microgrid system is proposed to implement three different operating modes, including the independent operation of both wind power hydrogen subsystem and fuel cell power generation subsystem, as well as the system-wide operation of whole microgrid. Practical application shows that the microgrid system can not only achieve stable and secure operation of the subsystems, but also enable the switch of the corresponding operation mode depending on the system operating conditions.

wind power hydrogen production system; fuel cell power system; microgrid; cooperative control

2016-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371095)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2014AA052501, 2015AA0501374)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15E070001)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201533326)；浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(SZD201501)；浙江大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)自制儀器設(shè)備項(xiàng)目(2016046)；浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院探究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；國(guó)網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助

張建良(1984-)，男，河南新野人，博士，講師，現(xiàn)主要研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的分析與控制。

Tel.:0571-87952707；E-mail: jlzhang@zju.edu.cn

TM 727

A

1006-7167(2017)01-0054-05