DCDC 变换器直流耦合光伏制氢方法探讨

谷雨

(阳光电源(上海)有限公司,上海201203)

中国是世界最大的碳排放国,中国政府在温室气体减排方面面临巨大压力,因此中国官方向世界正式承诺了“3060 目标”,3060 目标的达成,需要能源、交通、化工、冶金等各个行业的脱碳和减碳。随着中国十几年大力发展光伏、风电等可再生能源,在很多地区光伏发电的成本已经与当地脱硫煤电价持平、甚至低于煤电价格,但是光伏等可再生能源存在波动性、不易长期存储的缺点,并且光伏发电只能帮助电力、交通等较少的领域实现减碳,无法惠及化工、冶金等难以脱碳的行业。

氢广泛应用于石油精炼、合成氨等行业,可以代替焦炭应用于金属冶炼,是重要的工业原料；同时氢气可以依托燃料电池或内燃机技术应用于电力或交通领域,是能量长期存储的重要手段,是一种重要的二次能源[1-2]。传统的制氢方式是化石能源蒸汽重整,会产能巨量的CO2,不利于碳中和目标的实现。

光伏制氢可以实现大规模氢气生产且没有CO2排放,是当前较为可行的绿氢生产方式。光伏发出的电能是直流电,制氢电解槽需要的电能也是直流电,因此光伏阵列与电解槽直流耦合是效率较高的一种制氢方式。直流耦合制氢分为两种形式:

(1)光伏阵列和电解槽直接耦合[3]；

(2)光伏板和电解槽通过DC/DC 变换器进行耦合。

在直接耦合形式中,因为光伏阵列在大部分时刻只有一个MPPT 点,因此光伏阵列的I-V 曲线必须要和电解槽的I-V 曲线完全匹配才能实现光伏能量的最大化利用,不能应用于实际场景。本文重点探讨基于DC/DC 变换器耦合的光伏制氢系统,其中DC/DC 变换器的输入接光伏阵列实现MPPT 功能,DC/DC的输出连接电解槽实现制氢能量的供给；在正常工况下的MPPT 跟踪外,DC/DC 还设计了限功率功能,实现系统安全运行。

1 制氢系统模型

1.1 系统原理图

DC/DC 变换器耦合的光伏制氢系统如图1 所示,包含光伏电池、DC/DC 变换器和水电解制氢槽。DC/DC 变换器的输入和光伏电池连接并实现MPPT 功能,DC/DC 变换器的输出和电解槽连接为电解槽制氢提供电能。

图1 DC/DC 变换器耦合的光伏制氢系统

1.2 光伏电池

理想的光伏电池可以看成光生伏特效应形成的电流源,光生电流和入射功率成正比关系,光生电流可简单表达为式(1),式中φs是辐照强度,Iph是电池短路电流,q 为电子的电荷量,η 为量子效率,h 为普朗克常量,v 为入射光频率。

但是实际的光伏电池的模型共包含4 个部分[4-5]:光生伏特效应的电流源、二极管、并联电阻及串联电阻,光伏电池的等效模型如图2 所示,等效数学模型见式(2)；并联电阻Rsh是因为电池片的制造缺陷造成,在工艺成熟的情况下Rsh近似开路；串联电阻Rs是电池间的连接电阻,单个电池片的串联电阻在百微欧姆级别；式(2)中A 为二极管影响因子,K 为玻尔兹曼常数,T为热力学温度,q 为电子的电荷量,IO为电池片反向饱和电流,U为电池电压,I 为电池输出电流。图3(a)示出了不同辐照轻度下光伏电池的理想I-V 曲线,根据式(1)辐照强度的变化会直接影响光伏电池输出电流的大小,进而造成输出能量的波动,光伏电池输出I-V 曲线也会表现出波动性,如图3(b)所示,也因此光伏能量的波动性是光伏制氢需要重点考虑的问题。

图2 光伏电池等效模型

图3 光伏I-V 曲线

考虑到商业化的光伏电站基本采用1000V 和1500V 光伏发电系统,本文中的光伏电池是光伏组件经过串并联组成的光伏阵列,光伏阵列的模型和单个电池板模型表达式一致。

1.3电解槽

根据电化学原理,电解小室的电压包含可逆电位Vrev、欧姆损耗电位Vohm、活化电位Vact和浓差极化过电位Vcon[6-7],其数学表达式见公式(3)。其中Vrev=1.23V,其它电位根据电解槽结构容量的不同而不同,并且和电解槽内部温度和压力相关；根据碱性电解槽的经验值并忽略压力、温度等影响,可以绘出电解槽的I-V 曲线如图4 所示。根据图4,电解槽模型等效为一个反电动势及内阻压降的。

图4 电解槽I-V 曲线

目前商业化的电解槽主要是碱性电解槽和质子交换膜电解槽,碱性电解槽单槽容量大、价格相对便宜。一般大型商业化的碱性电解槽由多片小室串联组成,每个小室的工作电压在2V左右,根据产气量不同,其电压范围在200-650V 不等。实际的制氢成套设备,除了制氢槽外还包含气液分离、碱液循环等部分。

1.4DC/DC 变换器

光伏阵列的输出电压在1000V 左右,大大高于电解槽需要的电压,因此需要降压型DC/DC 变换器做电压匹配；考虑到本文中论述的光伏制氢系统中降压比较大,需要插入一级高频变压器隔离平衡各开关管和磁性元器件的热；由于制氢设备在起动、响应光伏功率变化的过程中,需要控制为电压源、电流源及限功率等多种输出模式,因此DC/DC 变换器采用数字控制处理器实现核心控制算法和开关机、保护等逻辑控制功能,DC/DC变换器拓扑及相关控框图如图5 所示。

图5 DC/DC 变换器及控制框图

DC/DC 变换器同时还要实现输入侧的MPPT 功能,以最大化的吸收光伏能量。如果把光伏电池和DC/DC 变换器看成一个整体,在DC/DC 运行在最大功率点的工况下,这个整体输出的最大功率可以表现为一簇最大功率曲线,图6 虚线部分显示了不同辐照强度下的最大功率轨迹。

图6 光伏I-V 曲线及MPPT 曲线

2 系统设计

2.1 阻抗匹配

设计直流耦合的光伏制氢系统,首先要匹配DC/DC 变换器的输出I-V 曲线和电解槽的输入I-V 曲线。由于DC/DC 变换器的存在,在不同辐照强度下,光伏阵列和DC/DC 变换器的输出都能与电解槽I-V 曲线的MPPT 部分有交点,如图7 所示,光伏阵列和电解槽的匹配范围得到了很大程度的扩展,抑制了光伏功率波动的影响,保证了电解槽最大化的利用光伏发电的能量。在正常工况下,DC/DC 输入侧进行MPPT 控制,输出侧和电解槽阻抗匹配,对制氢端功率不做调节,从制氢系统的角度是开环控制,该系统在稳定工作的同时,可以保证产气量实时跟踪光伏功率的变化。

图7 I-V 曲线匹配

2.2 控制设计

在对系统进行阻抗匹配完成后,为保证实际系统的安全运行,还需要考虑过压过流等边界条件,设计光伏制氢系统起动、工作和停车的逻辑流程。图8 示出了光伏制氢系统的基本运行逻辑,光伏制氢系统的开机指令由上位机下发,然后设备判断有无压力、电源故障灯联锁停车信号,在制氢设备满足起机条件后开始启动制氢辅助设备,经过一定的延迟后下发指令启动DC/DC 变换器。

图8 系统运行逻辑图

DC/DC 变换器首先判断是否有过压、过流等故障,无故障的情况下开始启动电源,在起动和启动后的工作过程成,DC/DC数字控制器会对实际的输出电压和电流进行判断,以确定制氢电源工作在限流模式、限压模式及MPPT 运行模式。

3 实验结果

基于每小时100 立方产气速率的碱性水电解制氢槽、500kW DC/DC 变换器,搭建了制氢系统进行实验验证。在采用实际的光伏阵列供电之前,需要先验证DC/DC 变换器与制氢设备配合的动态性能；考虑到光伏功率变化的随机性,首先采用光伏模拟器代替实际的光伏阵列连接制氢设备进行试验。图9示出了DC/DC 变换器在10%-70%额定负载下切换的波形,变换器的输入电压电流可以在百毫秒的时间内完成电压和电流的变换,验证了变换器和制氢设备配合的动态性能。

图9 10%-70%额定功率切换DC/DC 变换器输入波形

采用650kW 的实际光伏阵列给制氢系统供电,进行产氢试验,实验结果如图所示。

图10 实际光照下电解槽电压、电流曲线

4 结论

本文重点讨论了光伏DC/DC 变换器直流耦合制氢系统的理论分析和设计方法,对变换器设计、变换器和电解槽的阻抗匹配进行了深入探讨,最后根据设计搭建了500kW 的光伏制氢系统。实验结果表明,DC/DC 变换器直流耦合的光伏制氢系统的产气量可以实时跟踪光伏功率的变化,在过载等特殊情况下,系统可以退出MPPT 运行进入限功率模式。

光伏制氢系统的变功率运行,抑制了光伏能量波动对能量利用率的不利影响,减少了为稳定电能所配置的储能及电网设施,可以使光伏制氢系统最大化利用光伏的便宜电力,可以大大降低终端氢气成本,具有很大的推广意义。