可再生能源制氫系統(tǒng)制氫電源研究

孫龍林，方益成，李 飛*

(1.陽光氫能科技有限公司，合肥 230088； 2.可再生能源接入電網(wǎng)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009)

0 引言

氫能是一種清潔的二次能源。目前，全球范圍內(nèi)對(duì)氫能的需求量日益增長，預(yù)計(jì)2050年全球氫能市場規(guī)模將達(dá)到2.3萬億歐元，占整個(gè)能源結(jié)構(gòu)的17%～20%[1]。但截至目前，全球基于電解生產(chǎn)的氫氣不足4%，而中國的電解產(chǎn)氫量占總制氫量更是不足1%[2-3]。目前的電解產(chǎn)氫主要還是化石能源氯生產(chǎn)的副產(chǎn)品，而基于化石能源的氫即灰氫，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的溫室氣體較多[4]。為了將電解制氫從化石能源載體中獨(dú)立出來，同時(shí)減少二氧化碳的排放，需要大幅增加利用可再生能源制氫的份額。截至2020年底，全球有16個(gè)國家已制定國家級(jí)別的氫能戰(zhàn)略，另有11個(gè)國家正在制定此種戰(zhàn)略，以有力支撐低碳化能源轉(zhuǎn)型。在過去十年里光伏發(fā)電成本下降了90%，風(fēng)電成本下降了25%～40%，儲(chǔ)能成本下降幅度超過80%[1,3]，所以利用光伏發(fā)電、風(fēng)電等可再生能源電力的電解水制氫，是未來“綠氫”能源發(fā)展的趨勢。

阻礙可再生能源電力電解水制氫普及的一個(gè)主要原因是制氫系統(tǒng)通常需要?jiǎng)討B(tài)適應(yīng)可再生能源電力的波動(dòng)。作為制氫系統(tǒng)核心設(shè)備的電解槽是一個(gè)低壓大電流系統(tǒng)[5-6]，當(dāng)電解槽從可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中取電時(shí)，需要有可靠的電力電子變換器作為供電電源。目前基于晶閘管整流電路的制氫電源由于技術(shù)成熟且成本低，已經(jīng)在大電流工業(yè)中應(yīng)用了很長時(shí)間。然而，晶閘管的使用會(huì)產(chǎn)生大量諧波，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)[7]，并會(huì)增加系統(tǒng)外的損耗；此外，晶閘管制氫電源在大功率場景下應(yīng)用時(shí)為降低諧波需配套有載調(diào)壓裝置，這會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。雖然脈沖寬度調(diào)制(PWM)制氫電源在制氫系統(tǒng)中應(yīng)用還不普遍，但基于全控型器件的PWM制氫電源可以通過控制使交流側(cè)輸入電流接近正弦基波，大幅降低諧波，減少系統(tǒng)損耗[8]，不使用有載調(diào)壓裝置，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

本文首先介紹了可再生能源制氫系統(tǒng)的構(gòu)成，然后分別介紹了傳統(tǒng)的晶閘管制氫電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及PWM制氫電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并闡述了這2種制氫電源的特點(diǎn)。最后通過Matlab/Simulink仿真比較了2種制氫電源的特性，證明了可再生能源制氫系統(tǒng)中采用PWM制氫電源相較于晶閘管制氫電源的優(yōu)勢。

1 可再生能源制氫系統(tǒng)的構(gòu)成

可再生能源制氫系統(tǒng)包括源、網(wǎng)、儲(chǔ)、氫，以及氫能源的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、應(yīng)用等部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中：源包含光伏發(fā)電、風(fēng)電、生物質(zhì)能發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、海洋潮汐能發(fā)電等可再生能源發(fā)電(本文僅分析風(fēng)能和光伏發(fā)電)；網(wǎng)即電網(wǎng)，可以是直流電網(wǎng)或交流電網(wǎng)；儲(chǔ)即是儲(chǔ)能系統(tǒng)；氫即是制氫部分，制氫部分是整個(gè)可再生能源制氫系統(tǒng)的關(guān)鍵組成，包括制氫電源、制氫裝置及能量管理系統(tǒng)。制氫裝置是實(shí)現(xiàn)清潔制氫的關(guān)鍵設(shè)備，目前應(yīng)用較多的有ALK(Alkaline)堿水電解制氫系統(tǒng)以及PEM(Proton Exchange Membrane)純水電解制氫系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)包括電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)等單元之間能量傳遞的檢測(圖中實(shí)線)，通過控制指令(圖中虛線)進(jìn)行規(guī)劃調(diào)控，是可再生能源制氫系統(tǒng)中的重要組成部分，具有保障整個(gè)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要作用。制氫電源是實(shí)現(xiàn)從上層控制到下層設(shè)備動(dòng)作的至關(guān)重要設(shè)備。根據(jù)接入電網(wǎng)類型的不同，制氫電源可以分為DC/DC電源和AC/DC電源，本文以采用AC/DC電源的制氫電源為對(duì)象展開研究。

圖1 可再生能源制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of schematic diagram of hydrogen production system of renewable energy

2 制氫電源

在采用AC/DC電源的可再生能源制氫系統(tǒng)中，需要制氫電源有較小的諧波及較高的功率因數(shù)，下文分別針對(duì)晶閘管制氫電源及PWM制氫電源的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 晶閘管制氫電源

工業(yè)生產(chǎn)中，在大功率整流環(huán)境下一般使用6或12脈波晶閘管整流器為制氫裝置供電，控制過程中通過改變晶閘管整流器的觸發(fā)角來改變其直流輸出電壓。6脈波晶閘管整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由2組三相半波橋串聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用時(shí)間長、技術(shù)成熟，采用這種結(jié)構(gòu)的整流器成本較低，但這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)側(cè)電流中含有6k±1次(k為正整數(shù))諧波，功率因數(shù)低[6]。

圖2 6脈波晶閘管整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topological structure of 6 pulse thyristor rectifier

12脈波晶閘管橋式整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在大功率整流環(huán)境中應(yīng)用最為廣泛，由2組晶閘管整流橋并聯(lián)，整流橋前使用三角形繞組，副邊為星形繞組和三角形繞組的隔離變壓器，隔離變壓器使2組整流橋，輸入電壓的相位差為30°，2組整流橋輸出端通過帶抽頭的電抗器相連，可增大輸出電流。

圖3 12脈波晶閘管整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 3 Topological structure of 12 pulse thyristor rectifier

與6脈波整流器相比，12脈波整流器網(wǎng)側(cè)電流的諧波主要是12k±1次，其中的第5次、7次諧波的含量很小。由于諧波幅值隨其次數(shù)的增大而迅速減小，因此相較于6脈波整流器，12脈波整流器的諧波更小，功率因數(shù)得到改善，有利于提高制氫裝置的壽命[6]。

由于晶閘管自身的開關(guān)特性，在大功率晶閘管制氫電源的使用過程中，仍會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生極大的諧波影響，為了進(jìn)一步降低諧波，大功率晶閘管整流設(shè)備制造廠家通常會(huì)在晶閘管整流電路前加裝帶有載調(diào)壓開關(guān)的整流變壓器裝置(下文簡稱“有載調(diào)壓裝置”)。

晶閘管制氫電源的整體拓?fù)鋱D如4所示，其中，有載調(diào)壓開關(guān)(圖中綠線框)及整流變壓器(圖中紅線框)組成有載調(diào)壓裝置。

圖4 晶閘管制氫電源的整體拓?fù)鋱DFig. 4 Overall topological structure of thyristor controlled hydrogen power supply

有載調(diào)壓裝置由含有多個(gè)抽頭的高壓繞組與繞組匝數(shù)固定的低壓繞組組成。晶閘管制氫電源接在高壓繞組的不同抽頭上構(gòu)成不同的變壓器變比，從而改變電源的輸出電壓。當(dāng)電源的輸出功率發(fā)生變化時(shí)，通過切換有載調(diào)壓裝置的檔位可保證晶閘管整流器的觸發(fā)角保持在一定范圍內(nèi)，從而改善晶閘管整流器輸入電流的波形，減小諧波。但常用的有載調(diào)壓裝置采用機(jī)械式開關(guān)結(jié)構(gòu)，會(huì)造成一定的操作延時(shí)，這也是制氫系統(tǒng)中采用晶閘管制氫電源的一大弊端。

2.2 PWM制氫電源

晶閘管相控整流電路的輸入電流滯后于其輸入電壓，且輸入電流中含有大量諧波，這會(huì)造成整流器的功率因數(shù)很低。PWM制氫電源使用的是PWM整流電路，采用SPWM調(diào)制技術(shù)使輸入電流的波形更接近正弦波，且能使輸入電流和輸入電壓的相位相同，從而使功率因數(shù)接近1[8]。由于PWM整流器自身特性，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波影響會(huì)比晶閘管整流器大幅降低，無需加裝晶閘管電路中所采用的有載調(diào)壓裝置，操作延時(shí)時(shí)間也得到大幅縮減。此外，由于晶閘管整流器使用半控型器件，其開關(guān)頻率在工頻等級(jí)，而PWM整流器使用的是IGBT、MOSFET等全控型器件，其開關(guān)頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度也比晶閘管整流器快。

PWM整流器主要分為電壓型(VSR) PWM整流器和電流型(CSR) PWM整流器這2大類。本文所述PWM制氫電源整體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PWM制氫電源整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 5 Overall Topological structure of PWM hydrogen power supply

三相橋式VSR PWM制氫電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中交流側(cè)采用三相對(duì)稱且無中線的連接方式，使用6個(gè)功率開關(guān)管(圖5中的T1～T6)，直流側(cè)采用電容穩(wěn)壓。

3 對(duì)比分析

3.1 低壓應(yīng)對(duì)能力分析

晶閘管整流電路類似于一個(gè)降壓電路，其交流側(cè)電壓幅值要比直流側(cè)高，并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)大幅跌落很有可能是因?yàn)榻涣鱾?cè)電壓過低導(dǎo)致的整流器整流失敗。而PWM整流電路類似于一個(gè)升壓電路，因此比晶閘管整流電路能更好地應(yīng)對(duì)交流側(cè)的電壓跌落。

國家標(biāo)準(zhǔn)中要求光伏電站應(yīng)具備的低電壓穿越能力如圖6所示，光伏電站在低電壓穿越期間應(yīng)具備一定的無功功率支撐能力。

圖6 光伏電站低電壓穿越能力要求Fig. 6 Requirements for low voltage traversal capability of PV power station

在本文所述可再生能源制氫系統(tǒng)中，若發(fā)生電壓降低故障，由于晶閘管制氫電源的響應(yīng)速度較慢，因此系統(tǒng)不具備低電壓穿越能力，但PWM制氫電源能實(shí)現(xiàn)快速控制，保持制氫系統(tǒng)在故障期間的連續(xù)運(yùn)行，同時(shí)故障器件具備一定的無功功率補(bǔ)償能力，為故障恢復(fù)提供了幫助。

3.2 系統(tǒng)效率

晶閘管整流器采用半控型器件，其效率較使用全控型器件的PWM整流器低。晶閘管制氫電源使用過程中還需要配套靜止無功補(bǔ)償器(SVC)或靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)來提高系統(tǒng)功率因數(shù)及補(bǔ)償無功功率。然而這些裝置的加入會(huì)給系統(tǒng)帶來額外的功率損耗，另外，晶閘管制氫電源還需要配備有載調(diào)壓裝置，也會(huì)給制氫系統(tǒng)造成一定的功率損耗。

綜上所述可知，晶閘管制氫電源的整體效率會(huì)比PWM制氫電源的低。陽光電源股份有限公司提供的2種電源的系統(tǒng)效率數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 2種電源的系統(tǒng)效率Table1 Systems efficiency of two kinds of power

3.3 仿真對(duì)比分析

本這利用Matlab/Simulink分別搭建采用晶閘管制氫電源與PWM制氫電源的交流并網(wǎng)制氫系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 2種電源的仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameter of two kinds of power

仿真時(shí)設(shè)定制氫系統(tǒng)中制氫裝置的初始功率為1.8 MW，然后在第60 s時(shí)變成3.8 MW，分別觀測這2種制氫電源對(duì)制氫系統(tǒng)運(yùn)行情況的影響。

3.3.1 不同電源下制氫裝置跟蹤功率指令對(duì)比

配備有載調(diào)壓裝置時(shí)，晶閘管制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤波形如圖7所示。圖中Pel為制氫裝置的功率，Pref為下發(fā)給設(shè)備的功率指令。

圖7 配備有載調(diào)壓裝置時(shí)晶閘管制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤情況Fig. 7 When equipped with an on-load voltage regulator，power tracking of hydrogen production device under thyristor hydrogen power supply

由于晶閘管制氫電源下制氫裝置在跟蹤功率指令過程中涉及到有載調(diào)壓裝置檔位的切換，因此制氫裝置的功率呈階梯狀變化，且達(dá)到指令值所需的時(shí)間與有載調(diào)壓裝置的換擋時(shí)間相關(guān)(有載調(diào)壓裝置切換一個(gè)檔位的時(shí)間約為12 s)。由圖7可知，制氫系統(tǒng)的響應(yīng)速度受換擋時(shí)間的影響很大。

PWM 制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤波形如圖8所示。

圖8 PWM制氫電源下制氫裝置的功率跟蹤情況Fig. 8 Power tracking of hydrogen production device under PWM hydrogen production power supply

由圖8可知，PWM制氫電源下制氫裝置可以快速跟蹤功率指令，極大提高了制氫系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.3.2 不同電源下交流側(cè)電流對(duì)比

分別采用晶閘管制氫電源和PWM制氫電源時(shí)，制氫裝置功率指令值為1.8 MW情況下，0.15 s穩(wěn)態(tài)時(shí)間窗口的觀察到的這2種電源采用10 kV整流變壓器時(shí)的高壓側(cè)電流如圖9、圖10所示。

圖9 晶閘管制氫電源的高壓側(cè)電流波形Fig. 9 Current waveform of high voltage side of thyristor hydrogen power supply

圖10 PWM制氫電源的高壓側(cè)電流波形Fig. 10 Current waveform of high voltage side of PWM hydrogen power supply

由圖9可知，晶閘管制氫電源搭載有載調(diào)壓裝置后高壓側(cè)電流波形有很大改善，接近正弦波；由圖10可知，PWM制氫電源高壓側(cè)電流畸變率相對(duì)于晶閘管制氫電源有較大改善。

表3是制氫裝置功率為1.8、3.8 MW穩(wěn)態(tài)時(shí)，晶閘管制氫電源與PWM制氫電源高壓側(cè)電流THD對(duì)比。

表3 兩種電源高壓側(cè)電流THD對(duì)比Table 3 Comparison of high-voltage side current THD of two power supplies

從表3中可以看出，相比于未配置有載調(diào)壓裝置的晶閘管制氫電源，配置有載調(diào)壓裝置的晶閘管制氫電源的高壓側(cè)電流THD大幅減小，而且較晶閘管制氫電源的更小。

3.3.3 不同電源下的功率因數(shù)對(duì)比

PWM制氫電源及有無有載調(diào)壓裝置的晶閘管制氫電源的功率因數(shù)波形如圖11所示。從圖11中可以看出，晶閘管制氫電源運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)是變化的，這是因?yàn)槠溥\(yùn)行過程中觸發(fā)角會(huì)變化，從而導(dǎo)致其功率因數(shù)隨之變化，而配置有載調(diào)壓裝置的晶閘管制氫電源的功率因數(shù)要比未配置有載調(diào)壓裝置時(shí)有所提高，但其功率因數(shù)無法達(dá)到1，但PWM制氫電源功率因數(shù)可以恒定保持為1。

圖11 不同制氫電源的功率因數(shù)Fig. 11 Power factor of different hydrogen generation power supplies

4 結(jié)論

本文對(duì)采用不同制氫電源的制氫系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在可再生能源制氫系統(tǒng)中，直接使用晶閘管制氫電源會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生較大的諧波，因此一般需要配備有載調(diào)壓裝置，以降低諧波，但采用有載調(diào)壓裝置必然會(huì)使電源發(fā)生較大延遲，增加制氫系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，無法滿足使用要求；而且晶閘管整流器的功率因數(shù)較低，實(shí)際使用時(shí)還需要配套無功功率補(bǔ)償裝置，額外增加了系統(tǒng)損耗。而采用PWM整流電路的制氫電源，既能夠保證交流側(cè)諧波較小，可以運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，且響應(yīng)速度快，還能避免因使用有載調(diào)壓裝置及無功補(bǔ)償裝置而帶來的系統(tǒng)損耗，提高了效率。此外，由于PWM制氫電源的響應(yīng)速度快，可以發(fā)出無功功率對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，因此還具備一定的低電壓穿越能力。因此，PWM制氫電源更適用于可再生能源制氫系統(tǒng)，隨著電解制氫技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，未來有關(guān)PWM制氫電源的研究將會(huì)更加深入，其應(yīng)用也會(huì)更加普遍。