变电站站用直流电源系统为变电站的继电保护、控制系统、信号系统、自动装置、UPS和事故照明等提供电源。氢燃料电池相比传统的铅酸电池，氢燃料电池系统更节能、更环保、更经济并且性能更稳定，未来可成为全面超越铅酸电池的完善的备用电源解决方案。针对某一个110kV变电站直流系统，应用新型氢燃料后备电源替代蓄电池组作为直流系统整体后备电源，通过与阀控式密封铅酸蓄电池的对比，提出可以供实际设计及实施的解决方案。
1 氢燃料电池
1.1 氢燃料电池和阀控式密封铅酸蓄电池的对比
铅酸蓄电池是目前发电厂、变电站直流电源系统的主流选择，但是铅酸蓄电池在长期使用过程中也存在着许多不足。氢燃料电池后期维护费用铅酸电池大幅降低，氢燃料电池的控制系统可实时监控母线电压的情况，并及时启动供电，可以完成交流市电的零时间供应，整个系统采用冗余设计，保证整个系统的稳定可靠。同时，铅酸电池常有漏液现象发生。此种电池占故障失效电池的28.5%。铅酸电池一旦泄漏对环境污染较严重，甚至会造成生命和财产的损失，而氢燃料电池在运行过程中无污染性废气的排放，只会产生水，不会对环境成任何污染。因此，氢燃料电池在环保型、经济性、安全性、可靠性等方面比传统的铅酸蓄电池有着更好的性能。
1.2 氢燃料电源系统结构组成
氢燃料电源系统主要由主机、散热器、氢气瓶三部分组成。氢气瓶提供氢源，主机系统获取燃料和空气后，产生电能，经电压变换输出给用户，系统放电过程中产生的热量并通过控制室外散热单元，将燃料电池产生的余热排出系统。
以G3000氢燃料电源系统为例，电源系统分为6个模块，分别为系统电控单元、直流管理单元、燃料电源模块、蓄电池启动模块、室外散热单元和储氢单元。
（1）燃料电池模块包含燃料电池电堆（简称电堆）及其辅机（即供氢单元、氧化剂供给单元和热交换单元），主要负责产生电能。
（2）系统电控单元控制辅机为电堆提供必要的燃料和氧化剂，并控制室外散热单元将燃料电池产生的余热排出系统。系统电控单元还负责遥感、遥测和遥控功能的实现。
（3）直流管理模块采用两级DCDC转换，第一级转换将燃料电源电堆输出的直流电转化为52V DC，第二级DCDC将第一级输出的52V DC升压至220V DC满足电力系统变电站的用电要求。
（4）储氢单元由储氢罐、汇流排、控制阀等构成，国内的储氢罐一般使用国标40L钢瓶，并被安放在室外，有利于解决氢气的安全性和更换气瓶的方便性问题。
2 氢燃料电源系统的选型
2.1 直流负荷统计
以一个某常规110kV变电站为例，变电站规模为：
远期规模为主变压器3×50MVA，本期1台，采用三相三卷有载调压变压器，电压为110kV/35kV/10.5kV；
110kV侧采用单母分段接线，最终出线4回，本期出线2回；35kV侧采用单母分段接线，最终出线9回，本期出线6回；10kV侧采用单母分段接线，最终出线24回，本期出线16回。保护采用微机保护，信号集中在后台操作员站的微机上显示。
直流负荷按负荷性质可分为经常负荷、事故负荷、冲击负荷。经统计，本变电站负荷统计表1所示。
2.2 氢燃料电池的选用
由表1计算可知，本站直流负荷容量为4647W，按照10%的富裕容量考虑，计算负荷约为5142W。我们选用6kW氢燃料后备电源系统附带4块12V 50Ah蓄电池，满足本站的直流负荷需求。
3 氢燃料电池的工作原理
3.1 氢燃料电池的启动过程
氢燃料电池系统直流输出电压额定值为220V，可调节范围为198.0~242.0V，输出电压在其可调范围内应能手动或自动连续可调，可把系统电压限定在变电站直流系统电压要求范围内。当变电站交流断电时，暂时由50 Ah启动用蓄电池提供6 kW电力，同时系统电控单元自动控制燃料电池模块启动，在很短的时间内逐步替代启动电源。当燃料电池模块启动完毕后，除了提供负载电流外，还提供对50 Ah启动蓄电池的充电电流。当交流电网重新提供电力时，系统电控单元自动关闭燃料电池的电力输出。通过试验，G3000的启动过程曲线图如图１所示，启动用铅酸蓄电池电压、电流曲线如图2所示。由图1可知，在G3000系统刚启动时，由于铅酸承担全部的能量输出，DCDC的输出电压会有大约2.0V的下降。随着燃料电池输出电流的不断增大，对应的DCDC的输出电流会在大约30s内爬升到限流值，DCDC输出电压同步逐渐上升，大约经过350s后，经过能量调整输出趋于稳定，这时全部能量将由燃料电池提供。
由图2可知，在G3000系统刚启动时，由于铅酸承担图2燃料电源启动过程中铅酸电池充放电电压、电流波形全部的能量输出，铅酸输出电流在大约100 s内由40 A降至5 A左右，铅酸的输出电压会有大约2.0 V的下降，随着燃料电池输出电流的不断增大，对应的电堆的输出电流会在大约30 s内爬升到限流值，DCDC输出电压同步逐渐上升，大约经过350 s后，经过能量调整输出趋于稳定，铅酸电池的电压逐步升至51 V左右，这时全部能量将由燃料电池提供。
3.2 变电站氢燃料电源系统布置方式
本站为常规110kV变电站，二次设备室布置在一层，按变电站最终规模设计，包括站控层设备柜，交、直流电源柜及通信设备等，共设16个屏位。氢燃料电池主机布置在独立的氢燃料电池室内。
4 结论
氢燃料电池投运后，系统软硬件运行可靠，操作维护简单。变电站运行至今，氢燃料电池系统的各项指标均达到了预定的设计功能和运行指标要求。
目前，随着智能电网的建设推进，许多变电站利用太阳能发电作为变电站站用电电源接入，如果再增加电解装置，白天可通过太阳能发电的电能来电解水，产生和收集氢气，在夜晚的时候用燃料电池来提供能量，更是降低运行成本和污染，因此氢燃料电池在变电站中的设计、应用研究对新能源的发展和应用具有重要的意义。
