CN110518692B - 一种水电站氢储能发电黑启动系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水电工程技术领域，具体涉及一种水电站氢储能发电黑启动系统及方法。包括厂用电高压母线、厂用变压器、0.4KV母线、制氢装置、储氢装置、氢燃料电池、逆变装置和氢能变压器，厂用变压器设置在厂用电高压母线与0.4KV母线之间，0.4KV母线上连接有黑启动负荷，制氢装置的供电端与0.4KV母线连接，制氢装置的电解水为水电站储水，制氢装置的出气口与储氢装置连接，储氢装置出气口与氢燃料电池连接，氢燃料电池输出端通过逆变装置与0.4KV母线电连接连接或通过逆变装置经氢能变压器与厂用电高压母线连接。通过氢燃料电池、储氢装置等与常优化配置研究，将氢燃料电池应用于水电站氢储能黑启动方式，取代了常规柴油发电机组，实现了零排放、清洁环保的黑启动。
Description
技术领域
本发明涉及水电工程技术领域，具体涉及一种水电站氢储能发电黑启动系统及方法。
背景技术
水电站厂用电系统在某些特殊情况下会失去所有交流电源，包括机端自并电源，水电站长时间全厂停机并失去所有交流电源的情况下是非常不安全的，且电站直流蓄电池容量无法满足重启机组的要求。因此，水电站往往都要求在厂用电系统设计时考虑在上述情况下能自启动，恢复厂用电机端自供电源，即“黑启动”。电站“黑启动”的用电负荷包括电站进水口闸门、机组自并励起励电源等负荷。目前，水电站“黑启动”均采用柴油发电机直联厂用电母线的方式。需要在电站厂用电系统旁设立柴油发电系统，包括柴油机、发电机、储油箱、排烟系统、配电设备等，柴油发电机通过电缆和上述“黑启动”所需重要用电负荷连接。
当以柴油为燃料作为水电站“黑启动”动力源时，户内布置时需要设置专用的柴油机房、专用储油罐室，排烟通道；户外布置时需要外部连接的运输通道。不论户内、户外布置的柴油发电机均会在运行时产生大量的废气和噪音，即使是短时运行也极不环保。且大型水电站大坝内设置柴油发电机房和油罐邮箱等储油装置，消防安全需特殊设计和考虑。
氢能作为一种环保燃料，已大规模应用于工业场所，其衍生产品氢燃料电池具有温室气体零排放、无污染、无噪音、易维护等优点。目前氢燃料电池主要应用于新能源汽车行业，但由于价格高昂、布置尺寸限制等尚未大规模普及，在水电站中尚未涉及研究与应用。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种完全零排放、清洁环保的水电站氢储能发电黑启动系统及方法。
本发明水电站氢储能发电黑启动系统，其技术方案为：包括厂用电高压母线、厂用变压器、0.4KV母线、制氢装置、储氢装置、氢燃料电池、逆变装置和氢能变压器，所述厂用变压器设置在所述厂用电高压母线与0.4KV母线之间，所述0.4KV母线上连接有黑启动负荷，所述黑启动负荷包括电站进水口闸门和机组自并励起励电源，所述制氢装置的供电端与0.4KV母线连接，所述制氢装置的电解水为水电站储水，所述制氢装置的出气口与储氢装置连接，所述储氢装置出气口与氢燃料电池连接，所述氢燃料电池输出端通过逆变装置与0.4KV母线电连接连接或通过逆变装置经氢能变压器与厂用电高压母线连接。
较为优选的，述氢燃料电池为质子交换膜燃料电池。
较为优选的，所述储氢装置为高压氢气储气罐，所述高压氢气储气罐设置于底下存储空间内。
本发明水电站氢储能发电黑启动方法，其技术方案为：在水电站内设置制氢装置，将水电站储水作为电解水，利用水电站直流电为电解水供电制氢，并利用储氢装置对产生的氢气进行存储，在水电站失电时，控制储氢装置为氢燃料电池供电，提供电能反馈回水电站厂用电高压母线或0.4KV母线，为水电站的黑启动负荷应急供电。
较为优选的，在为水电站的黑启动负荷应急供电时，保证0.4kV或10kV厂用电之间的联络开关断开，以保证供电点完全独立，保证0.4kV或10kV厂用电所有电源开关断开，避免出现机端电源和外来电源并网的情况，确保厂用电的可靠、预备进行黑启动机组所对应的供电点所有电源进线断路器和母联断路器全部断开、黑启动负荷开关处于关合状态，其他开关处于开合状态。
较为优选的，在黑启动负荷黑启动成功后，首先闭合黑启动机组自用电系统0.4kV进线开关、母联开关，然后再依次闭合相邻母线10kV母联断路器、厂内各用电系统及左厂坝用电系统的0.4kV进线开关和母联开关，最后根据需要恢复其它系统的供电。
较为优选的，在黑启动负荷黑启动成功后，先闭合相邻母线10kV母联断路器，再根据需要依次恢复其它各用电系统的供电。
本发明的有益效果为：通过氢燃料电池、储氢装置等与常规供电系统的优化配置研究，将氢燃料电池应用于水电站氢储能黑启动方式，取代了常规柴油发电机组，实现了零排放、清洁环保的黑启动方式。水电站水能资源丰富，本发明所需氢源可利用水电站“弃水”制氢而取得，无能量成本，且用于制氢的设备简单，设备维护工作量小。氢燃料电池能作为一种清洁能源，无污染、无噪音。通过氢燃料电池逆变产生电能，电能质量高、电压稳定性好、供电可靠性高、供电响应快。
附图说明
图1为本发明一种水电站氢储能发电黑启动系统的连接示意图；
图中，1-高压母线，2＝主变压器，3-发电机断路器，4-发电机，5-中性点接地装置，6-发电机电压母线，7-高压厂用变压器，8-厂用电高压母线，9-厂用变压器，10-0.4KV母线，11-黑启动负荷，12-其他符合，13-制氢装置，14-储氢装置，15-氢燃料电池，16-逆变装置，17-氢能变压器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，一种水电站氢储能发电黑启动系统包括高压母线1、主变压器2、发电机电压母线6、高压厂用变压器7、发电机断路器3、发电机4、中性点接地装置5、厂用电高压母线8、厂用变压器9、0.4KV母线10、制氢装置13、储氢装置14、氢燃料电池15、逆变装置16和氢能变压器17。
水电站电能从发电机4产生，通过发电机电压母线6传递至主变压器2低压侧，通过主变压器2升压后，经过高压母线1送入电网，其中发电机断路器3放置在发电机电压母线中间，发电机通过中性点接地装置5接地。高压厂用变压器7从发电机电压母线6取电，降压后经电缆送入厂用高压母线8，厂用高压母线8经过厂用变压器9降压后经电缆送入0.4kV母线10，0.4kV母线10通过400V开关柜及其他配电设备向电站内各用电负荷供电。各用电负荷包括黑启动负荷11和其他负荷12。其中，黑启动负荷11包括电站进水口闸门、机组自并励起励电源等负荷。制氢装置13的供电端与0.4KV母线10连接，制氢装置13的电解水为水电站储水，制氢装置13的出气口与储氢装置14连接，储氢装置14出气口与氢燃料电池15连接，氢燃料电池15输出端通过逆变装置16与0.4KV母线10电连接，或通过逆变装置16逆变后，经氢能变压器17变压后与厂用电高压母线8电连接。
储氢装置、氢燃料电池容量根据电站“黑启动”电源的供电负荷的大小确定。
制氢装置用于生产氢气。其全部能量来源全部基于水电站，完全无外界能量和基础燃料输入。氢源利用水电站“弃水”产生的电能，采用电解氢工艺在水电站内制氢，所用电解水直接取自水电站丰富的水力资源。所制得的氢气在水电站内采用车辆运输或采用管道以10MPa及以下压力运输压缩氢气至储氢装置所在地。
储氢装置现地布置，采用一定压强(1000Mpa及以下)的高压气态储氢方式或低温液态存储方式将氢气存储于特制容器中，放置位置可以是地面上，也可以采用地下存储以降低占地面积以及满足相关消防要求。
氢燃料电池装置采用质子交换膜燃料电池，燃料电池容量根据电站黑启动负荷的大小确定。
逆变装置：将直流电转换为400V交流电。氢燃料电池组通过电缆与DC-AC逆变器连接。
本发明一种水电站氢储能发电黑启动方法，在水电站内设置制氢装置，将水电站储水作为电解水，利用水电站直流电为电解水供电制氢，并利用储氢装置对产生的氢气进行存储，在水电站失电时，控制储氢装置为氢燃料电池供电，提供电能反馈回水电站厂用电高压母线或0.4KV母线，为水电站的黑启动负荷应急供电。
黑启动工况下运行方式：
黑启动是电站在电力系统外来电源和厂用电系统电源全部失去的情况下启动机组恢复厂用电系统并使机组向电力系统恢复送电。根据机组黑启动的功能，机组进行黑启动时，也是所有外部厂用电源和内部厂用电源全部失去的时候，机组黑启动成功后首先是要恢复厂用电的正常运行，以给电站和各建筑物提供供电电源，因此进行黑启动的机组必须选择机端接有高压厂用变压器的机组。
当电站需要进行黑启动时：
(1)0.4kV或10kV厂用电之间的联络开关断开，使供电点完全独立。
(2)0.4kV或10kV厂用电所有的电源开关处于断开状态，避免出现机端电源和外来电源并网的情况，确保厂用电的可靠；
(3)预备进行黑启动机组所对应的供电点所有电源进线断路器、母联断路器均应全部处在断开位置。
(4)储氢装置接收氢电联控装置的工作启动信号，输出一定量的氢气进入氢燃料电池系统，经过逆变之后，氢燃料电池系统输出的电能可采用方式一或者方式二进入电站厂用电系统。此时，厂用电系统中黑启动负荷开关处于关合状态，其他开关处于开合状态。
机组黑启动成功后，由于在接线上黑启动机组自用电系统的10kV电源均引自机组及其高厂变所接的10kV母线，因此此时可以将黑启动机组自用电系统0.4kV进线开关、母联开关合上，恢复机组交流供电，然后再依次合相邻母线10kV母联断路器、厂内各用电系统及左厂坝用电系统的0.4kV进线开关和母联开关，再根据需要恢复其它系统的供电。或者，机组黑启动成功后也可以先合相邻母线10kV母联断路器，先恢复10kV系统供电，再根据需要依次恢复其它各用电系统的供电。
在10kV系统一个供电点恢复运行并工作正常后，按照机组启动程序可依次启动其他机组，优先启动带有机端高压厂用变的机组，进一步加强厂用电系统的可靠性。
当上述工作完成并运行正常后，厂用电系统已恢复常态运行，若外部电源恢复且稳定，可根据情况进行自动或手动切换。
氢燃料电池能量密度参数的设定、DC-AC逆变供电电压和供电电流稳定是该“黑启动”电源方式下的重要技术组成部分：
(1)纯净的氢气进入流量系统，包括管道、泵、阀、压力或流量调节器等，通过流量监测，用以提供足够的反应物，在考虑保安负荷特性、电池能量密度与电功率输出的变化及关系，确定合理的补气值。
(2)通过监测及控制元件确定系统合理的工作温度及膜的湿度，控制反应物流速与流量。
(3)通过功率管理模块，针对不同负荷通过改变进气量来控制、调节燃料电池输出的电功率，保证供电电压和供电电流的稳定，提供良好的瞬态响应。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种水电站氢储能发电黑启动系统，其特征在于：包括厂用电高压母线(8)、厂用变压器(9)、0.4KV母线(10)、制氢装置(13)、储氢装置(14)、氢燃料电池(15)、逆变装置(16)和氢能变压器(17)，所述厂用变压器(9)设置在所述厂用电高压母线(8)与0.4KV母线(10)之间，所述0.4KV母线(10)上连接有黑启动负荷(11)，所述黑启动负荷(11)包括电站进水口闸门和机组自并励起励电源，所述制氢装置(13)的供电端与0.4KV母线(10)连接，所述制氢装置(13)的电解水为水电站储水，所述制氢装置(13)的出气口与储氢装置(14)连接，所述储氢装置(14)出气口与氢燃料电池(15)连接，所述氢燃料电池(15)输出端通过逆变装置(16)与0.4KV母线(10)电连接或通过逆变装置(16)经氢能变压器(17)与厂用电高压母线(8)连接；
所述氢燃料电池(15)为质子交换膜燃料电池；
所述储氢装置(14)为高压氢气储气罐，所述高压氢气储气罐设置于底下存储空间内。
2.如权利要求1所述的水电站氢储能发电黑启动系统的水电站氢储能发电黑启动方法，其特征在于：在水电站内设置制氢装置(13)，将水电站储水作为电解水，利用水电站直流电为电解水供电制氢，并利用储氢装置(14)对产生的氢气进行存储，在水电站失电时，控制储氢装置(14)为氢燃料电池(15)供电，提供电能反馈回水电站厂用电高压母线(8)或0.4KV母线(10)，为水电站的黑启动负荷应急供电。
3.如权利要求2所述的水电站氢储能发电黑启动方法，其特征在于：在为水电站的黑启动负荷应急供电时，保证0.4kV或10kV厂用电之间的联络开关断开、0.4kV或10kV厂用电所有电源开关断开、预备进行黑启动机组所对应的供电点所有电源进线断路器和母联断路器全部断开、黑启动负荷开关处于关合状态，其他开关处于开合状态。
4.如权利要求2所述的水电站氢储能发电黑启动方法，其特征在于：在黑启动负荷黑启动成功后，首先闭合黑启动机组自用电系统0.4kV进线开关、母联开关，然后再依次闭合相邻母线10kV母联断路器、厂内各用电系统及左厂坝用电系统的0.4kV进线开关和母联开关，最后根据需要恢复其它系统的供电。
5.如权利要求2所述的水电站氢储能发电黑启动方法，其特征在于：在黑启动负荷黑启动成功后，先闭合相邻母线10kV母联断路器，再根据需要依次恢复其它各用电系统的供电。
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