電解水制氫依托風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電制取零碳排放綠氫，是化石能源制氫最核心的低碳替代路線，既是新型電力系統(tǒng)消納新能源的關(guān)鍵儲(chǔ)能載體，也是工業(yè)、交通、化工深度脫碳的剛需路徑。風(fēng)電光伏具有間歇性、波動(dòng)性，大量新能源基地存在發(fā)電富余無法并網(wǎng)。電解水把多余電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)電能→氫能→再發(fā)電/工業(yè)利用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，大幅提升風(fēng)光利用率，是遠(yuǎn)距離新能源消納方案之一。

一、制氫工藝分類及電氣原理

電解制氫工藝主要有ALK堿性電解、PEM質(zhì)子交換膜、SOEC固體氧化物高溫電解、AEM 陰離子交換膜等幾種路線，其中ALK堿性電解為目前市場(chǎng)主流，占比超80%,本文以電解水制氫站為核心講解電解水制氫整流原理及電氣二次設(shè)備選型。

圖1 堿性電解制氫電氣示意圖

這是一套光伏自發(fā)自用+電網(wǎng)備用供電的堿性電解水制氫全系統(tǒng)原理圖，整體分為10kV高壓配電系統(tǒng)、24脈波移相整流直流供電系統(tǒng)、電解制氫工藝系統(tǒng)、0.4kV輔機(jī)配電系統(tǒng)四大板塊。

·  優(yōu)先使用光伏綠電，經(jīng)24脈整流變成直流電驅(qū)動(dòng)電解槽制綠氫；

·  光照不足時(shí)，市政10kV電網(wǎng)補(bǔ)足電量，保證制氫連續(xù)；

·  高低壓兩級(jí)無功補(bǔ)償配合24脈整流，解決大功率整流諧波和直流紋波難題；

·  全套水、冷、氣、儲(chǔ)配套設(shè)備由0.4kV統(tǒng)一供電，形成完整可連續(xù)運(yùn)行的光伏綠氫站。

二、二次設(shè)備選型

1.10kV變配電部分

依據(jù)NB/T10447-2020《整流變壓器組保護(hù)裝置通用技術(shù)要求》及相關(guān)電力變壓器繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合10kV雙移相變壓器構(gòu)成24脈整流、光伏+電網(wǎng)雙電源供電、堿性電解水制氫工況，分為電氣電量主保護(hù)、電氣后備保護(hù)、非電量保護(hù)、整流閥側(cè)專項(xiàng)保護(hù)、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)保護(hù)五大類。兩臺(tái)移相整流變獨(dú)立配置全套保護(hù)，配合整流橋、直流母線形成全鏈路防護(hù)。

圖2 電解制氫10kV電氣部分保護(hù)配置

10kV部分配置清單如下表

2.10kV光伏并網(wǎng)部分

分布式光伏采用10kV并網(wǎng)，自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)。并網(wǎng)合規(guī)是光伏電站投運(yùn)的前提，電能質(zhì)量設(shè)計(jì)直接決定電站能否長(zhǎng)期穩(wěn)定并網(wǎng)、避免電網(wǎng)考核。10kV進(jìn)線處配置防逆流保護(hù)，升壓箱變配置箱變保護(hù)測(cè)控裝置，并網(wǎng)柜配置防孤島保護(hù)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置和電能計(jì)量?jī)x表，安科瑞同時(shí)提供Acrel-1000DP光伏監(jiān)控系統(tǒng)，幫助項(xiàng)目對(duì)接電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，安全合規(guī)并網(wǎng)。

圖3 分布式光伏保護(hù)配置

3.0.4kV保護(hù)測(cè)控

0.4kV部分主要包含0.4kV水泵、電機(jī)、線路保護(hù)，如補(bǔ)水泵、配堿泵、冷卻水供/回水泵、冷凍水供/回水泵、壓縮機(jī)等。

圖4 0.4kV部分保護(hù)配置

4. 直流絕緣監(jiān)測(cè)

電解槽工作在直流低壓、大電流工況下，堿液導(dǎo)電，潮濕、漏堿極易造成直流對(duì)地漏電，氫氣易燃易爆，絕緣監(jiān)測(cè)是電解槽標(biāo)配安全保護(hù)。

4. 交直流計(jì)量

交直流回路配置多功能計(jì)量電表，包括10kV、0.4kV、直流回路，通過多功能電表計(jì)量發(fā)/用電量，部分回路需要監(jiān)測(cè)諧波畸變率、直流紋波系數(shù)等電能質(zhì)量參數(shù)。

4. 防爆區(qū)域本安信號(hào)隔離

由于氫氣易燃易爆，在制氫的控制過程中，防爆區(qū)域內(nèi)需要本安信號(hào)隔離，隔離式安全柵。

三、制氫站能源管理

Acrel-2000MG能量管理系統(tǒng)能夠?qū)χ茪湔驹矗ㄊ须姟⒎植际焦夥L(fēng)機(jī)）、網(wǎng)（內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（電解槽及輔助設(shè)備）、儲(chǔ)能系統(tǒng)等負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，保護(hù)制氫站電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)下源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源之間的靈活互動(dòng)，增加多策略控制下系統(tǒng)的靈活控制，促進(jìn)新能源消納、合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設(shè)投資，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全，降低運(yùn)行成本。同時(shí)為制氫站提供交直流電氣、環(huán)境等異常告警和控制，保障制氫站穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 制氫站能量管理系統(tǒng)