一种用于发电站站内用电的氢能供电系统

技术领域

本发明涉及发电领域，具体涉及一种用于发电站站内用电的氢能供电系统。

背景技术

在发电站内，需要设置一套供电系统向站内用电负荷进行供电，参见附图1所示，站内用电负荷主要包括有站用交流系统1(用于发电站内的某些交流用电设备供电)、站用直流系统3(用于发电站内的某些直流用电设备供电)、UPS系统2以及保安电源系统。在现有的发电站中，采用传统柴油发电机和蓄电池向站用交流系统1、站用直流系统3和UPS系统2等提供电能。然而蓄电池充放电形式复杂，蓄电池组内单体电池检修维护不便，因此存在稳定性差和安全性差的缺点；并且柴油发电机还具有碳排放和环境污染的问题。随着技术发展、以环保要求越来越高，发电站亟需一种新的供电系统，来确保站内用电的先进性、稳定性和安全性，降低碳排放和环境污染。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种用于发电站站内用电的氢能供电系统，能够提高站内用电的先进性、稳定性和安全性，降低碳排放和环境污染。

为实现上述目的，本发明提供一种用于发电站站内用电的氢能供电系统，所述站内用电包括站用交流系统、站用直流系统、以及UPS系统，所述氢能供电系统包括氢能供给组件、 PEMFC燃料电池装置、直流变换装置、以及逆变装置，所述氢能供给组件与PEMFC燃料电池装置相连，所述PEMFC燃料电池装置与直流变换装置通过电缆相连，所述直流变换装置通过电缆分别与站用直流系统和UPS系统相连，所述PEMFC燃料电池装置与逆变装置通过电缆相连，所述逆变装置通过电缆与站用交流系统和UPS系统都相连。

进一步地，所述氢能供给组件包括站内储氢装置，所述站内储氢装置与PEMFC燃料电池装置相连进行氢气供给。

进一步地，所述站内储氢装置中设有氢气含量实时监测机构。

进一步地，所述氢能供给组件包括电解水PEM制氢装置和整流装置，所述电解水PEM 制氢装置与PEMFC燃料电池装置相连进行氢气供给，所述整流装置与站用交流系统通过电缆相连，所述整流装置与电解水PEM制氢装置通过电缆相连并向电解水PEM制氢装置提供直流电。

进一步地，所述电解水PEM制氢装置与站内储氢装置相连。

进一步地，还包括与逆变装置电缆相连的氢电切换开关，所述氢电切换开关通过电缆分别与站用交流系统和UPS系统相连；所述站用交流系统还用于与外部电源相连。

进一步地，还包括连接站用交流系统和站用直流系统的第一串联线路、以及连接站用交流系统和UPS系统的第二串联线路，所述第一串联线路中具有整流器。

进一步地，还包括氢电交流保安母线，所述氢电交流保安母线通过电缆与氢电切换开关相连，所述氢电交流保安母线通过电缆分别与站用交流系统和UPS系统相连，所述氢电交流保安母线还用于与保安电源负荷相连。

进一步地，所述站用交流系统中具有站内交流母线，所述站内交流母线与氢电交流保安母线通过电缆相连，所述站内交流母线通过电缆与站用直流系统和UPS系统都相连。

进一步地，所述逆变装置与氢电切换开关之间设有隔离变压器。

如上所述，本发明涉及的氢能供电系统，具有以下有益效果：

通过设置氢能供给组件、PEMFC燃料电池装置、直流变换装置、以及逆变装置，氢能供给组件向PEMFC燃料电池装置提供氢气，PEMFC燃料电池装置通过反应发电输出直流电。一方面，通过直流变换装置后，分别送至站用直流系统和UPS系统进行供电；另一方面，通过逆变装置逆变为交流电，送至站用交流系统和UPS系统进行供电，以此实现发电站站内用电的供电。本发明的氢能供电系统，采用PEMFC燃料电池(质子交换膜燃料电池)技术作为电源进行供电，具有启动速度、动态响应速度快、比功率和比能量高、设备周期寿命长、设备稳定性高等优点，且容易组装，管理维护较简单，能够提高站内用电的先进性、稳定性和安全性，降低碳排放和环境污染。

附图说明

图1为本发明的氢能供电系统的结构示意图。

元件标号说明

1 站用交流系统

1a 站内交流母线

1b 站内变电

2 UPS系统

3 站用直流系统

4 PEMFC燃料电池装置

5 直流变换装置

6 逆变装置

7 隔离变压器

8 氢电切换开关

9 站内储氢装置

10 电解水PEM制氢装置

11 整流装置

12 第一串联线路

12a 整流器

13 第二串联线路

14 氢电交流保安母线

15 外部加氢装置

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1，本发明提供了一种用于发电站站内用电的氢能供电系统，站内用电包括站用交流系统1、站用直流系统3、以及UPS系统2。其中，站用交流系统1用于向发电站内的各种交流用电设备供电，站用直流系统3用于向发电站内的各种直流用电设备供电，UPS系统中同时需要直流和交流供电。本发明的氢能供电系统包括氢能供给组件、PEMFC燃料电池装置4、直流变换装置5、以及逆变装置6，氢能供给组件与PEMFC燃料电池装置4可通过输气管道相连，PEMFC燃料电池装置4与直流变换装置5通过电缆相连，直流变换装置5通过电缆与站用直流系统3和UPS系统2都相连，PEMFC燃料电池装置4与逆变装置6通过电缆相连，逆变装置6通过电缆与站用交流系统1和UPS系统2都相连。

本发明涉及的氢能供电系统的主要工作原理为：氢能供给组件向PEMFC燃料电池装置4 提供氢气，PEMFC燃料电池装置4通过反应发电输出直流电。一方面，通过直流变换装置5 后，分别送至站用直流系统3和UPS系统2进行供电；另一方面，通过逆变装置6逆变为交流电，送至站用交流系统1和UPS系统2进行供电，以此实现发电站站内用电的供电。本发明的氢能供电系统，采用PEMFC燃料电池(质子交换膜燃料电池)技术作为电源进行供电，具有启动速度、动态响应速度快、比功率和比能量高、设备周期寿命长、设备稳定性高等优点，且容易组装，管理维护较简单，可作为发电站内的供电系统，能够提高站内用电的先进性、稳定性和安全性，降低碳排放和环境污染。

参见图1，以下以一个具体实施例对本发明做进一步说明：

在本实施例中，参见图1，作为优选设计，氢能供给组件包括两部分，一部分为站内储氢装置9，站内储氢装置9与PEMFC燃料电池装置4相连，为PEMFC燃料电池装置4提供氢气，站内储氢装置9可通过外部加氢装置15相站内储氢装置9加入氢气，作为PEMFC燃料电池装置4的外部输入能源；优选地，在站内储氢装置9中设有氢气含量实时监测机构，用以确保氢气含量能够满足需要。另一部分为站内制氢，包括电解水PEM制氢装置10和制氢整流装置11，电解水PEM制氢装置10与PEMFC燃料电池装置4相连进行氢气供给，电解水PEM制氢装置10优选还与站内储氢装置9相连，将生产的多余氢气储存起来，整流装置11与站用交流系统1通过电缆相连，整流装置11与电解水PEM制氢装置10通过电缆相连，整流装置11将交流电转换为直流电，用以向电解水PEM制氢装置10提供直流电，利用站用交流系统1工作时的电能来进行电解水制氢，充分利用电能，可获得源源不断的氢气能源，在满足条件下还可以实现商业输出。PEM电解水制氢技术具有电解效率高、产物纯度高、设备结构紧凑、清洁环保等优点，提高了站内供电的安全性和环保性。

在本发明中，PEMFC燃料电池装置4的长期允许发电容量应能满足电站安全停机最低限度连续运行的负荷的需要，站内储氢装置9的氢气存量应满足120min站内保安负荷用电需求，并应验算电动机启动电流和其他冲击负荷电流的放电容量。电解水PEM制氢装置10及 PEMFC燃料电池装置4可统一布置于站内氢能综合用房，站内储氢装置9可采用高压储氢罐或固态储氢装置等先进的储氢装置。氢能供给组件的设备布置应满足规范对于氢气站防火、防爆及过电压保护等要求。

在本实施例中，参见图1，作为优选设计，氢能供电系统还包括与逆变装置6通过电缆相连的氢电切换开关8，并且在逆变装置6与氢电切换开关8之间设有隔离变压器7，逆变装置6将PEMFC燃料电池装置4的输出直流逆变为380V三相交流电输出，并经隔离变压器7隔离过电压并抑制高频杂波输入，使发出的交流电安全稳定地为站用交流系统1供电。氢电切换开关8通过电缆分别与站用交流系统1和UPS系统2相连；站用交流系统1与外接电源(例如发电站内的升压站低压侧)相连。进一步地，氢能供电系统还包括连接站用交流系统1和站用直流系统3的第一串联线路12、以及连接站用交流系统1和UPS系统2的第二串联线路13，第一串联线路12中具有整流器12a。此时，氢能供电系统可作为站用交流系统1的备用供电系统，在正常工作时，氢电切换开关8断开，氢能供电系统处于备用状态，不向站用交流系统1供电，仅为站用直流系统3和UPS系统2供电，由外接电源向站用交流系统1 供电，同时，站用交流系统1通过第一串联线路12，由其中的整流器12a转换为直流电后，向站用直流系统3供电，也即站用直流系统3具有两路电源进线，站用直流系统3中自带有投切开关及闭锁装置，对两路电源进线进行切换使用，以此确保站内直流用电的稳定可靠，站用交流系统1还通过第二串联线路13向UPS系统2提供交流电。在外部电源失电后，将氢电切换开关8闭合，由氢能供电系统向站用交流系统1供电。

在本实施例中，参见图1，站用交流系统1中具有站内交流母线1a，站内交流母线1a通过站内变电1b与外接电源连接，站内交流母线1a用于与各路交流负荷相连进行供电，当然站用交流系统1也可以采用其他结构形式。优选地，在本实施例中，氢能供电系统还包括氢电交流保安母线14，氢电交流保安母线14通过电缆与氢电切换开关8相连，站内交流母线1a通过电缆分别与站用直流系统3和UPS系统2相连，从逆变装置6来的交流电，经由氢电交流保安母线14送到站用交流系统1和UPS系统2。氢电交流保安母线14的其余馈线用于与保安电源负荷相连，作为发电站保安电源负荷的供电中心。其中站用交流系统1中的站内交流母线1a为两段，两段站内交流母线1a分别通过两路站内变电1b与外接电源连接，为站内交流母线1a供电。氢电交流保安母线14跨接在站用电两条低压母线上。

在本实施例中，站用直流系统3由两路直流电源为其供电，分别来自直流变换装置5和第一串联线路12，两路电源进线通过站用直流系统3中的投切开关及闭锁装置实现对直流系统的可靠供电。站用直流系统3可根据系统要求配置两段直流母线，每段直流母线的电源接线同前具有两路电源来线，应注意将不同段直流母线分别接入不同站内交流母线1a上。对于大中型发电站及重要变电站，一般要求配置多组直流电源，此时可通过多台PEMFC燃料电池装置4，为站用直流系统3中所要求的控制负荷或动力负荷提供专用直流主电源。

在本实施例中，参见图1，UPS系统2的电源有三路，包括交流主电源、交流旁路电源和直流电源，分别取自氢电交流保安母线14、站内交流母线1a、以及直流变换装置5。三路电源进线通过UPS系统2中的投切开关及闭锁装置实现对UPS母线的不间断供电。UPS系统2可根据系统要求配置两段母线，每段母线的电源接线同前具有三路电源来线，应注意将不同段UPS母线分别接入不同站内交流母线1a。UPS系统2内的投切开关一般带有隔离变压器7，可对电压及频率稳定度、谐波失真度进行调节控制。

由上可知，本实施例中的氢能供电系统，具有以下优势：

1、利用PEM制氢技术与PEMFC燃料电池发电技术，实现氢能与电能的相互转化，可代替传统发电站的蓄电池和柴油发电机，为站用交流系统1、站用直流系统3、以及UPS系统2提供稳定快捷的电能来源，基于PEM技术的氢能供电系统是我国目前氢能产业发展的一个重要方向，亦有助于我国能源结构的发展和转型。

2、PEMFC燃料电池装置4生产排放物清洁无污染，可实现零碳排放；氢气在开放的大气中很容易快速逃逸，降低了火灾扩散风险；氢焰的热辐射率较低，对电气设备及站内建构筑物的损害低于柴油燃烧。

3、传统发电站内蓄电池系统充放电形式复杂、蓄电池组内单体电池检修维护不算便利，本氢能供电系统中PEMFC燃料电池装置4的启动速度及动态响应速度快，比功率和比能量高，设备周期寿命长，设备稳定性高，容易组装、管理维护较简单，适合作为发电站内的备用电源。

综上所述，发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。