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    大规模电解水制氢的谐波解析与解决方案
    - 2022-04-19-

    大规模电解水制氢的谐波解析与解决方案

     

    《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》指出,可再生能源制氢在终端能源消费中的比重将明显提升,对能源绿色转型发展起到重要支撑作用,意味着电解水制氢的比例将不断加大。

    随着大规模电解水制氢的发展,其中一个关于供电的重要指标“谐波”越来越受到业界的广泛关注。在此将对什么是谐波、谐波的危害及如何处理谐波进行介绍。

    一、什么是谐波

    在谈到谐波之前,先介绍下什么是基波,在我国的交流电网上,50HZ的正弦波可称为“基波”,同时电压会在负载上产生形状类似的电流波形,如下图所示,”u”为电压,“i”为电流波形。

    5 

    图1 线性负荷的电压及电流波形

    但在实际的应用中,负载并不是完全线性的,虽然电网电压还是50HZ正弦波,但是电流可能因为非线性负载而产生非正弦波,此时的波形可能如下图所示。非线性负荷种类繁多,例如不间断电源、开关电源、IGBT电源、整流器、变频器、变频空调、感应加热炉、电子计算机、充电器等。

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    图2 非线性负荷的电压及电流波形

     

    虽然电网输入源是一样的,但是图1和图2的电流波形并不一样,如果将图1的线性负荷波形理解成基波,那么图2中的电流波形与图1波形的差异,即是谐波。

    根据数学原理,通过傅里叶分解可将非线性负荷的波形拆分为50Hz的倍数频率的波形,基波(50HZ)之外的统称为谐波,其倍数即是谐波的“次数”,常见的有5次、7次、11次等。5次谐波,即可理解成50HZ的5倍频率的分量波形,即250HZ的分量。


    图3

    图4

     

    二、谐波的危害

    谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热,甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作,使电机产生机械振动和噪声等;使变压器局部严重过热;使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以致损坏。引起电网谐振,使得谐波电流放大几倍甚至数十倍,会对系统,特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁,经常使电容器和电抗器烧毁。谐波会导致继电保护,特别是微机综合保护器与自动装置误动作,造成不必要的供电中断和生产损失。谐波还会使电气测量仪表计量不准确,产生计量误差,给用电管理部门或电力用户带来经济损失。

     

    三、谐波相关标准

    我国针对谐波的标准为GB/T14549-1993《电能质量:公用电网谐波》,对电流谐波和电压谐波的规定如下:


    表1

     

    表2

    国际上针对谐波的标准为IEEE 519-2014,电流谐波和电压谐波的规定如下:

     

    表3

     

     

    表4

     

     

     

    一、大规模电解水制氢降低谐波措施

    针对大规模电解水制氢(500方/小时、1000方/小时及以上产氢量的电解水制氢制氢设备)的整流装置,目前有两种主流的降低谐波的整流产品,一是多脉波晶闸管整流,二是IGBT PWM整流+DC/DC斩波。

    英特利公司设计生产的多脉波晶闸管整流系统已在多个多台1000方项目现场使用,在无需增加滤波装置的情况下,通过单台24脉波或12脉波+多脉波移相技术可实现比较理想的电流及电压谐波。即使制氢设备处于不同负荷时,也能满足谐波要求。 

    张家口

    图5英特利整流柜张家口冬奥项目现场

    宝丰能源(1)压缩(1)

    图6英特利整流柜宝丰项目现场

    亚洲硅业(1)压缩(1)

     图7英特利整流柜亚洲硅业项目现场

      中石化

     图8英特利整流柜中石化测试现场

    经现场测试,单台24脉波运行时(单台运行时为谐波最恶劣的情况)电流谐波总畸变率约为3-4%,电压谐波约为1.1%。经多台移相后,即使在不均衡负荷时非理想48脉波的电流谐波也可达到约3%。

    3

    图9

    4

    图10

    且针对大规模制氢的应用场景,制氢设备数量越多,可移相组成更高脉波数(如60脉波、72脉波、96脉波),谐波效果越好,可使电流谐波控制在1%以内。无需额外增加谐波滤波装置,大大节约了成本和占地面积。

     

    IGBT PWM整流+DC/DC斩波方案通过PWM整流电路可使电流谐波低于3%,也能达到低谐波的效果,但目前此方案的成本代价较高。

     

    二、电解水制氢整流相关的其他重要指标

    除了谐波之外,与整流系统相关的其他一些指标也比较关键,如可靠性、转换效率、功率因数、投资成本、不同电解槽的适应性、占地面积、维护量等。

    针对500方以上的电解水制氢设备,晶闸管整流可实现功率因数0.95(不增加补偿装置情况下)、效率≥98.5%、能适应各种电解槽的电流需求(目前应用在电解水制氢最大电流到35kA)、技术成熟可靠、投资成本低、占地面积小、维护量小。

     

    英特利公司专注于整流设备的研发、设计、制造、服务20余年,被评为湖北省专精特新“小巨人”企业。产品包括晶闸管整流电源、IGBT高频开关电源、IGBT PWM整流电源、IGBT斩波电源、DC/DC光伏制氢电源,可为电解水制氢设备提供多种整流解决方案,曾参与70余个电解水制氢项目,并出口到德国、荷兰、韩国、日本、巴西、印度等多个国家的电解水制氢市场,与国内外的电解水制氢设备厂家建立了长期合作。

     

    三、英特利电解水制氢整流一站式解决方案

    英特利为可再生能源制氢提供一站式整流解决方案,可覆盖单台5Nm3/h到4000Nm3/h的电解水制氢设备,根据产氢量、电源参数、供电特性、现场布局等具体情况,提供定制化的性能更优、成本更优的配置方案,单台功率可从20kW到20MW,有5种可选产品:晶闸管整流器、PWM整流器、IGBT斩波电源、IGBT高频开关电源、DC/DC光伏直供变流器,可满足光伏制氢、风电制氢的特性,近期中标国内外多个光伏制氢、风电制氢整流项目。



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