DCDC 變換器直流耦合光伏制氫方法探討

谷雨

(陽光電源(上海)有限公司,上海201203)

中國是世界最大的碳排放國,中國政府在溫室氣體減排方面面臨巨大壓力,因此中國官方向世界正式承諾了“3060 目標”,3060 目標的達成,需要能源、交通、化工、冶金等各個行業的脫碳和減碳。隨著中國十幾年大力發展光伏、風電等可再生能源,在很多地區光伏發電的成本已經與當地脫硫煤電價持平、甚至低于煤電價格,但是光伏等可再生能源存在波動性、不易長期存儲的缺點,并且光伏發電只能幫助電力、交通等較少的領域實現減碳,無法惠及化工、冶金等難以脫碳的行業。

氫廣泛應用于石油精煉、合成氨等行業,可以代替焦炭應用于金屬冶煉,是重要的工業原料；同時氫氣可以依托燃料電池或內燃機技術應用于電力或交通領域,是能量長期存儲的重要手段,是一種重要的二次能源[1-2]。傳統的制氫方式是化石能源蒸汽重整,會產能巨量的CO2,不利于碳中和目標的實現。

光伏制氫可以實現大規模氫氣生產且沒有CO2排放,是當前較為可行的綠氫生產方式。光伏發出的電能是直流電,制氫電解槽需要的電能也是直流電,因此光伏陣列與電解槽直流耦合是效率較高的一種制氫方式。直流耦合制氫分為兩種形式:

(1)光伏陣列和電解槽直接耦合[3]；

(2)光伏板和電解槽通過DC/DC 變換器進行耦合。

在直接耦合形式中,因為光伏陣列在大部分時刻只有一個MPPT 點,因此光伏陣列的I-V 曲線必須要和電解槽的I-V 曲線完全匹配才能實現光伏能量的最大化利用,不能應用于實際場景。本文重點探討基于DC/DC 變換器耦合的光伏制氫系統,其中DC/DC 變換器的輸入接光伏陣列實現MPPT 功能,DC/DC的輸出連接電解槽實現制氫能量的供給；在正常工況下的MPPT 跟蹤外,DC/DC 還設計了限功率功能,實現系統安全運行。

1 制氫系統模型

1.1 系統原理圖

DC/DC 變換器耦合的光伏制氫系統如圖1 所示,包含光伏電池、DC/DC 變換器和水電解制氫槽。DC/DC 變換器的輸入和光伏電池連接并實現MPPT 功能,DC/DC 變換器的輸出和電解槽連接為電解槽制氫提供電能。

圖1 DC/DC 變換器耦合的光伏制氫系統

1.2 光伏電池

理想的光伏電池可以看成光生伏特效應形成的電流源,光生電流和入射功率成正比關系,光生電流可簡單表達為式(1),式中φs是輻照強度,Iph是電池短路電流,q 為電子的電荷量,η 為量子效率,h 為普朗克常量,v 為入射光頻率。

但是實際的光伏電池的模型共包含4 個部分[4-5]:光生伏特效應的電流源、二極管、并聯電阻及串聯電阻,光伏電池的等效模型如圖2 所示,等效數學模型見式(2)；并聯電阻Rsh是因為電池片的制造缺陷造成,在工藝成熟的情況下Rsh近似開路；串聯電阻Rs是電池間的連接電阻,單個電池片的串聯電阻在百微歐姆級別；式(2)中A 為二極管影響因子,K 為玻爾茲曼常數,T為熱力學溫度,q 為電子的電荷量,IO為電池片反向飽和電流,U為電池電壓,I 為電池輸出電流。圖3(a)示出了不同輻照輕度下光伏電池的理想I-V 曲線,根據式(1)輻照強度的變化會直接影響光伏電池輸出電流的大小,進而造成輸出能量的波動,光伏電池輸出I-V 曲線也會表現出波動性,如圖3(b)所示,也因此光伏能量的波動性是光伏制氫需要重點考慮的問題。

圖2 光伏電池等效模型

圖3 光伏I-V 曲線

考慮到商業化的光伏電站基本采用1000V 和1500V 光伏發電系統,本文中的光伏電池是光伏組件經過串并聯組成的光伏陣列,光伏陣列的模型和單個電池板模型表達式一致。

1.3電解槽

根據電化學原理,電解小室的電壓包含可逆電位Vrev、歐姆損耗電位Vohm、活化電位Vact和濃差極化過電位Vcon[6-7],其數學表達式見公式(3)。其中Vrev=1.23V,其它電位根據電解槽結構容量的不同而不同,并且和電解槽內部溫度和壓力相關；根據堿性電解槽的經驗值并忽略壓力、溫度等影響,可以繪出電解槽的I-V 曲線如圖4 所示。根據圖4,電解槽模型等效為一個反電動勢及內阻壓降的。

圖4 電解槽I-V 曲線

目前商業化的電解槽主要是堿性電解槽和質子交換膜電解槽,堿性電解槽單槽容量大、價格相對便宜。一般大型商業化的堿性電解槽由多片小室串聯組成,每個小室的工作電壓在2V左右,根據產氣量不同,其電壓范圍在200-650V 不等。實際的制氫成套設備,除了制氫槽外還包含氣液分離、堿液循環等部分。

1.4DC/DC 變換器

光伏陣列的輸出電壓在1000V 左右,大大高于電解槽需要的電壓,因此需要降壓型DC/DC 變換器做電壓匹配；考慮到本文中論述的光伏制氫系統中降壓比較大,需要插入一級高頻變壓器隔離平衡各開關管和磁性元器件的熱；由于制氫設備在起動、響應光伏功率變化的過程中,需要控制為電壓源、電流源及限功率等多種輸出模式,因此DC/DC 變換器采用數字控制處理器實現核心控制算法和開關機、保護等邏輯控制功能,DC/DC變換器拓撲及相關控框圖如圖5 所示。

圖5 DC/DC 變換器及控制框圖

DC/DC 變換器同時還要實現輸入側的MPPT 功能,以最大化的吸收光伏能量。如果把光伏電池和DC/DC 變換器看成一個整體,在DC/DC 運行在最大功率點的工況下,這個整體輸出的最大功率可以表現為一簇最大功率曲線,圖6 虛線部分顯示了不同輻照強度下的最大功率軌跡。

圖6 光伏I-V 曲線及MPPT 曲線

2 系統設計

2.1 阻抗匹配

設計直流耦合的光伏制氫系統,首先要匹配DC/DC 變換器的輸出I-V 曲線和電解槽的輸入I-V 曲線。由于DC/DC 變換器的存在,在不同輻照強度下,光伏陣列和DC/DC 變換器的輸出都能與電解槽I-V 曲線的MPPT 部分有交點,如圖7 所示,光伏陣列和電解槽的匹配范圍得到了很大程度的擴展,抑制了光伏功率波動的影響,保證了電解槽最大化的利用光伏發電的能量。在正常工況下,DC/DC 輸入側進行MPPT 控制,輸出側和電解槽阻抗匹配,對制氫端功率不做調節,從制氫系統的角度是開環控制,該系統在穩定工作的同時,可以保證產氣量實時跟蹤光伏功率的變化。

圖7 I-V 曲線匹配

2.2 控制設計

在對系統進行阻抗匹配完成后,為保證實際系統的安全運行,還需要考慮過壓過流等邊界條件,設計光伏制氫系統起動、工作和停車的邏輯流程。圖8 示出了光伏制氫系統的基本運行邏輯,光伏制氫系統的開機指令由上位機下發,然后設備判斷有無壓力、電源故障燈聯鎖停車信號,在制氫設備滿足起機條件后開始啟動制氫輔助設備,經過一定的延遲后下發指令啟動DC/DC 變換器。

圖8 系統運行邏輯圖

DC/DC 變換器首先判斷是否有過壓、過流等故障,無故障的情況下開始啟動電源,在起動和啟動后的工作過程成,DC/DC數字控制器會對實際的輸出電壓和電流進行判斷,以確定制氫電源工作在限流模式、限壓模式及MPPT 運行模式。

3 實驗結果

基于每小時100 立方產氣速率的堿性水電解制氫槽、500kW DC/DC 變換器,搭建了制氫系統進行實驗驗證。在采用實際的光伏陣列供電之前,需要先驗證DC/DC 變換器與制氫設備配合的動態性能；考慮到光伏功率變化的隨機性,首先采用光伏模擬器代替實際的光伏陣列連接制氫設備進行試驗。圖9示出了DC/DC 變換器在10%-70%額定負載下切換的波形,變換器的輸入電壓電流可以在百毫秒的時間內完成電壓和電流的變換,驗證了變換器和制氫設備配合的動態性能。

圖9 10%-70%額定功率切換DC/DC 變換器輸入波形

采用650kW 的實際光伏陣列給制氫系統供電,進行產氫試驗,實驗結果如圖所示。

圖10 實際光照下電解槽電壓、電流曲線

4 結論

本文重點討論了光伏DC/DC 變換器直流耦合制氫系統的理論分析和設計方法,對變換器設計、變換器和電解槽的阻抗匹配進行了深入探討,最后根據設計搭建了500kW 的光伏制氫系統。實驗結果表明,DC/DC 變換器直流耦合的光伏制氫系統的產氣量可以實時跟蹤光伏功率的變化,在過載等特殊情況下,系統可以退出MPPT 運行進入限功率模式。

光伏制氫系統的變功率運行,抑制了光伏能量波動對能量利用率的不利影響,減少了為穩定電能所配置的儲能及電網設施,可以使光伏制氫系統最大化利用光伏的便宜電力,可以大大降低終端氫氣成本,具有很大的推廣意義。