某微能源网燃料电池自动控制与连锁保护优化改造技术研究

某微能源网燃料电池自动控制与连锁保护优化改造技术研究

詹岳远

（广州电力工程监理有限公司，广东省 广州市 510176)

摘要：本文以广州某微能源网示范工程项目为例，首先介绍燃料电池（SOFC)的组成和功能、燃料电池在微能源网中的连接和控制要求、调试质量控制要求，以及详细分析了燃料电池自动控制与连锁保护存在的问题，提出了一种优化微能源网络中燃料电池自动控制和与连锁保护优化改造技术，以提高其性能和可靠性。

关键词：微能源网、燃料电池（SOFC)、连锁保护、优化、改造

一、前言

广州“某”微能源网示范工程是广州落实“依托坚强的智能电网，以智慧用能和多能互补为发展方向，构建以用户为中心、以电力为基础的新型智慧能源模式”最新工作要求的重要举措。本工程位于广州市某基地内，为满足基地已有男生宿舍楼及附近区域供能需求，

新建光热系统（棚顶安装面积约2240平方米）、基岩储能系统（储能场半径约1米）、60kW燃料电池系統、20OkW溴化锂机组（制冷）以及电动汽车V2G充电桩、集成微风－光伏发电智慧路灯；改造已有宿舍楼空调系统、现有微电网控制系统、展示系统及消防设施；配套建设综合能量管理系统平台、低压配电系统及二次部分、地面光热支架等；形成“风、光、岩、物、气、储、荷”某的微能源网，通过多位主动优化调控管理，实现“网－源－荷－储”有机互动，实现绿色能源的高效利用。

本系统包含的主要设备有光热系统（太阳能平板集热器）、储热水箱、基岩储能系统（BTES)、固体氧化物燃料电池（SOFC)、热水型溴化锂吸收式制冷机组以及相连接的管道、输送泵等。

二、燃料电池（SOFC)组成与功能

SOFC燃料电池装置以天然气、氢气、或天然气与氢气混合物（最高可达50%-molH2)为燃料，利用电化学反应与燃烧反应，向外部供应电能与热水。SOFC燃料电池装置为高度集成化产品，能够自行检测并反馈运行状态与燃料泄漏、温度超标等故障事件，并自动进行控制与连锁保护及自动进入紧急停机ESD熄火（严重影响SOFC燃料电池寿命）。SOFC燃料电池系统装置内部集成组件及相应功能要求如下：

1.SOFC电堆模块，通过电化学反应产生电能；

2.夏季时，SOFC排烟产生的热水和太阳能集热器产生的热水进入储热水罐，然后一部分热水进入热水型溴化锂吸收式机组进行制冷负担宿舍的冷负荷，若热水量有富余则将其存入基岩储能系统中，然后为宿舍提供生活热水。

3.冬季时，溴化锂制冷机关闭，SOFC和太阳能集热器产生的热水进入储热水罐储存，一部分热水直接供生活热水，另一部分富余的热量则存储到基岩储热系统中。本系统中SOFC全年按额定功率运行，多余的电量供应系统外其他用电设备。

4.本工程SOFC暂按全年额定功率运行，多余的电量供应系统外其他用电设备。SOFC尾部设置了热水换热器，外部来水经过换热器，温控阀控制达到90℃后，送回热水储罐。

5.SOFC 自带控制系统，可实现系统自主智能化运行，同时也可接受上级控制并按要求上送信息。

三、燃料电池（SOFC)控制要求

1.SOFC燃料电池控制系统需实现自主智能化运行，无需人为的逐步操作便可实现系统的工作模式自动切换，自动根据人为设置、系统的外界环境、电堆状态以及热盒状态进行系统工况调整和运行模式切换，以及在系统突发故障或危险的情况下作出连锁反应，在

确保应用环境安全的前提下最大可能使电堆及系统损害降至最低，并同时发出警报提醒。

2.要求SOFC控制系统在各种模式下均能自动根据系统升降温、保温或负荷情况需求，自动调节燃料、水和空气的供给量，实现系统内部平衡，使SOFC保持最佳性能和长使用寿命。重要的，系统需具备相应的控制策略，能忍受一定范围的短时间或长时间燃气成分

波动的能力，降低电堆过燃料利用率的风险，且系统需在状态切换的情况下，特别是在系统状态紧急切换的情况下，具备相应有效的应对方案，降低热冲击对电堆、热盒机械部件以及催化剂的影响。在电网故障的情况下，燃料电池系统可以自动切换到孤岛模式下继

续运行，从而确保负载不间断供电。

四、燃料电池（SOFC)调试控制要点

1.天然气系统

1)确认天然气管道已按设计图纸连接可靠，进口流量计已调试正常；

2)确认天然气进口电动关断隔离阀已调试完成，动作可靠；

3)按照设备说明书的要求投入天然气系统，并确认管道无泄漏。

2.热水系统

1)确认热水管网与C60连接正确，进、出口温度、压力、流量计等已调试正常；

2)确认热水管道与C60连接手动阀（如有）已打开；

3)确认热水循环已启动；

4)检查热水系统，确认管道无泄漏。

3.交流电源输出

1)确认 C60交流电源输出电缆与配电系统低压柜开关已连接可靠；

2)在C60未起动前，按照设备说明书的操作要求，首次投入前须核对相序；

3)确认C60交流输出开关在“分断”状态。

4)按照厂家技术要求，确认可送电至C60,并确认电源电压正常。

4.辅助电源系统

按设计要求和厂家技术要求，检查辅助电源系统正常。

5.远程监控系统

1)按设计要求，检查通信线路，并确认正常；

2)确认系统与C60的通信正常。

五、燃料电池自动控制与连锁保护存在的问题

1.燃料电池处于余热利用模式下、余热利用模式切换至旁路模式的过程中、旁路模式切换至余热利用模式的过程中，务必保证：

1)循环水流量≥1Nm3/h

2)循环水压力大于等于≥1bar·g

3)40℃≤循环水入口温度＜80℃

4)循环水出口温度＜100℃

5)循环水进出口温差＜20℃

2.燃料电池处于旁路模式下，无论是否有水，务必保证：

1)40℃≤循环水入口处温度＜105℃

2)循环水出口处温度＜110℃

3.无论处于任何情况下，务必保证：

1)循环水入口温度＜105℃

2)循环水出口温度＜110℃

4.SOFC 燃料电池装置为高度集成化产品，能够自行检测并反馈运行状态与燃料泄漏、温度超标等故障事件，如果超过上述两个条件任何一个条件，燃料电池自动进行控制与连锁保护及并自动进入紧急停机ESD熄火，严重影响燃料电池使用寿命。

六、燃料电池（SOFC)自动控制与连锁保护优化

1.针对燃料电池由于循环水入口温度超标将会进入紧急停机，对燃料电池的冷却水回路进行改造，优化燃料电池自动控制与连锁保护功能，延长燃料电池使用寿命，提升某微能源网系统运行稳定性。

1)燃料电池换热回路由2#罐单独水回路供水，温度范围为40℃－80℃.

2)当换热回路进水温度大于80℃,燃料电池须从换热模式自动切换为旁路直排模式。

3)2#罐温度降低至40℃-60℃之后才能切换为换热模式。

4)燃料电池水出入口加温度、流量、压力监测。

2.燃料电池余热利用回路切换的注意事项：燃料电池余热利用HRU回路正常运行情况，根据燃料电池厂家相关技术要求，当燃料电池处于余热利用模式下，设计原则需满足以下要求：

1)循环水流量范围：0.6-2.4 Nm3/h

2)循环水最低压力：3bar·g

3)循环水推荐工作压力：4-7bar·g

4)循环水进口最低工作温度：40℃

5)循环水出口最高工作温度：110℃

6)循环水出入口最大温差：30℃

七、微能源网络中燃料电池自动控制与连锁保护优化技术的优点：

1.改善稳定性：优化自动控制和连锁保护可以通过降低外部因素的影响并维持所需的运行条件来改善燃料电池的稳定性。

2.提高可靠性：优化自动控制和连锁保护可以通过及时检测和预防故障和故障来提高燃料电池的可靠性。

3.增加效率：优化自动控制和连锁保护可以通过最小化能量损失和最大化功率输出来增加燃料电池的效率。

4.更好的安全性：优化自动控制和连锁保护可以通过最小化异常条件引起的事故或损坏的风险来提高燃料电池的安全性。

八、结论

微能源网中燃料电池自动控制和连锁保护的技术是提高燃料电池性能和可靠性的一种有前途的解决方案。该技术可以应用于各种应用领域，包括微能源网、加氢站和新能源汽车等领域，随着氢能源新技术的不断发展和应用，相信其在氢能行业和其它领域中将具有广泛

的应用前景，但同时也需要加强技术研发、完善相关标准、降低制造成本和提高能源转化效率和经济性等方面的工作。通过各方共同的努力，相信微能源网中燃料电池自动控制技术在电网领域的应用将会得到快速推广和普及，为清洁能源的可持续发展做出新的贡献。

参考文献：

［1]《电气装置安装工程电力变流设备施工及验收规范》．中国计划

出版社．GB 50255-2014

［2]《电气装置安装工程电缆线路施工及验收标准》．中国标准出版

社．GB 50168-2018

［3]《继电保护和安全自动装置基本试验方法》．中国标准出版社．

GB/T 7261-2016

［4]《继电保护和安全自动装置技术规程》．中国标准出版社．GB/T

14285-2006

［5]《电力建设工程监理规范》．中国电力出版社．DL/T 5434-2021