大規模電解水制氫的諧波解析與解決方案
《氫能(neng)(neng)產(chan)業發展(zhan)中長期(qi)規劃（2021-2035年）》指(zhi)出，可再生(sheng)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)制(zhi)氫在終端(duan)能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)消費(fei)中的比(bi)重將明顯提升，對能(neng)(neng)源(yuan)(yuan)綠色轉(zhuan)型(xing)發展(zhan)起到重要支撐作用(yong)，意味著電解水制(zhi)氫的比(bi)例將不斷加大。
隨著(zhu)大規模(mo)電(dian)解水制氫的發展，其中一個關(guan)(guan)于供電(dian)的重要指(zhi)標“諧(xie)(xie)波(bo)”越(yue)來越(yue)受到業界(jie)的廣泛關(guan)(guan)注(zhu)。在此將對什么是(shi)諧(xie)(xie)波(bo)、諧(xie)(xie)波(bo)的危害及如何處理諧(xie)(xie)波(bo)進行(xing)介紹(shao)。
一、什么是諧波
在談到諧波(bo)之前，先(xian)介紹(shao)下(xia)什么(me)是基波(bo)，在我(wo)國的(de)交流(liu)電網(wang)上(shang)，50HZ的(de)正(zheng)弦波(bo)可(ke)稱(cheng)為(wei)“基波(bo)”，同時(shi)電壓(ya)會在負(fu)載上(shang)產生(sheng)形(xing)狀類似(si)的(de)電流(liu)波(bo)形(xing)，如下(xia)圖所示，”u”為(wei)電壓(ya)，“i”為(wei)電流(liu)波(bo)形(xing)。
圖1 線性負荷的電壓及電流波形(xing)
但在(zai)實際的應(ying)用中(zhong)，負載并不是完全線(xian)性(xing)的，雖然(ran)電網電壓還(huan)是50HZ正弦波(bo)，但是電流可能因(yin)為非線(xian)性(xing)負載而產(chan)生非正弦波(bo)，此(ci)時(shi)的波(bo)形(xing)可能如下圖所示。非線(xian)性(xing)負荷種(zhong)類(lei)繁多，例如不間(jian)斷電源、開關(guan)電源、IGBT電源、整流器、變(bian)頻器、變(bian)頻空調、感應(ying)加(jia)熱爐、電子計算機、充電器等。
圖2 非(fei)線性負(fu)荷的電壓及電流(liu)波形(xing)
雖然電(dian)(dian)網(wang)輸入源是一樣的(de)，但是圖(tu)1和圖(tu)2的(de)電(dian)(dian)流波(bo)(bo)形(xing)并不一樣，如(ru)果(guo)將圖(tu)1的(de)線性負荷波(bo)(bo)形(xing)理(li)解成(cheng)基波(bo)(bo)，那(nei)么圖(tu)2中的(de)電(dian)(dian)流波(bo)(bo)形(xing)與(yu)圖(tu)1波(bo)(bo)形(xing)的(de)差(cha)異(yi)，即是諧波(bo)(bo)。
根據數(shu)(shu)學原理(li)，通過(guo)傅里葉(xie)分(fen)(fen)解(jie)可(ke)將非(fei)線性負荷的(de)波(bo)(bo)形拆分(fen)(fen)為(wei)(wei)50Hz的(de)倍(bei)數(shu)(shu)頻率(lv)的(de)波(bo)(bo)形，基波(bo)(bo)（50HZ）之外的(de)統稱為(wei)(wei)諧(xie)波(bo)(bo)，其倍(bei)數(shu)(shu)即是諧(xie)波(bo)(bo)的(de)“次數(shu)(shu)”，常見的(de)有(you)5次、7次、11次等。5次諧(xie)波(bo)(bo)，即可(ke)理(li)解(jie)成50HZ的(de)5倍(bei)頻率(lv)的(de)分(fen)(fen)量(liang)波(bo)(bo)形，即250HZ的(de)分(fen)(fen)量(liang)。
圖3
圖4
二、諧波的危(wei)害
諧(xie)(xie)波使(shi)公用電(dian)(dian)(dian)網中的元件(jian)產(chan)(chan)生附加的損(sun)(sun)耗，降低了發電(dian)(dian)(dian)、輸(shu)電(dian)(dian)(dian)及用電(dian)(dian)(dian)設備(bei)的效率(lv)。大(da)量(liang)三(san)次諧(xie)(xie)波流過(guo)(guo)中線會(hui)(hui)使(shi)線路過(guo)(guo)熱，甚(shen)(shen)至引起火(huo)災。諧(xie)(xie)波會(hui)(hui)影響電(dian)(dian)(dian)氣設備(bei)的正(zheng)常工(gong)作，使(shi)電(dian)(dian)(dian)機產(chan)(chan)生機械(xie)振動(dong)和(he)噪聲等；使(shi)變壓器(qi)(qi)局部嚴重(zhong)過(guo)(guo)熱；使(shi)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)、電(dian)(dian)(dian)纜(lan)等設備(bei)過(guo)(guo)熱、絕緣老化、壽命縮(suo)短，以致損(sun)(sun)壞。引起電(dian)(dian)(dian)網諧(xie)(xie)振，使(shi)得諧(xie)(xie)波電(dian)(dian)(dian)流放大(da)幾倍甚(shen)(shen)至數十(shi)倍，會(hui)(hui)對系統，特(te)別(bie)是對電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)和(he)與之(zhi)串聯的電(dian)(dian)(dian)抗(kang)器(qi)(qi)形(xing)成(cheng)很大(da)的威脅，經常使(shi)電(dian)(dian)(dian)容(rong)器(qi)(qi)和(he)電(dian)(dian)(dian)抗(kang)器(qi)(qi)燒毀。諧(xie)(xie)波會(hui)(hui)導致繼電(dian)(dian)(dian)保護，特(te)別(bie)是微機綜合保護器(qi)(qi)與自動(dong)裝置誤(wu)動(dong)作，造(zao)成(cheng)不必(bi)要的供(gong)電(dian)(dian)(dian)中斷和(he)生產(chan)(chan)損(sun)(sun)失。諧(xie)(xie)波還會(hui)(hui)使(shi)電(dian)(dian)(dian)氣測量(liang)儀表計(ji)量(liang)不準確，產(chan)(chan)生計(ji)量(liang)誤(wu)差，給(gei)用電(dian)(dian)(dian)管理部門或電(dian)(dian)(dian)力用戶(hu)帶來經濟損(sun)(sun)失。
三、諧波相關標(biao)準
我國針對諧(xie)(xie)(xie)波的(de)標準為GB/T14549-1993《電(dian)能質量(liang)：公用(yong)電(dian)網諧(xie)(xie)(xie)波》，對電(dian)流諧(xie)(xie)(xie)波和電(dian)壓諧(xie)(xie)(xie)波的(de)規定如下：
表(biao)1
表2
國際上針(zhen)對諧(xie)波(bo)的標準為IEEE 519-2014，電流諧(xie)波(bo)和電壓諧(xie)波(bo)的規定如下：
表(biao)3
表4
一、大規模電解(jie)水制氫(qing)降低諧波措(cuo)施
針對大規模電解水制(zhi)氫（500方(fang)/小時、1000方(fang)/小時及以上產氫量的(de)電解水制(zhi)氫制(zhi)氫設備(bei)）的(de)整(zheng)流(liu)(liu)裝置，目前有兩種(zhong)主流(liu)(liu)的(de)降(jiang)低諧(xie)波(bo)的(de)整(zheng)流(liu)(liu)產品，一是(shi)(shi)多(duo)脈波(bo)晶閘管整(zheng)流(liu)(liu)，二是(shi)(shi)IGBT PWM整(zheng)流(liu)(liu)+DC/DC斬波(bo)。
英特利公司設計生產的(de)(de)多脈(mo)波(bo)晶閘管整流(liu)系統(tong)已在多個多臺(tai)1000方項目(mu)現場使用，在無(wu)需增(zeng)加濾波(bo)裝置的(de)(de)情況下，通過(guo)單臺(tai)24脈(mo)波(bo)或12脈(mo)波(bo)+多脈(mo)波(bo)移相技(ji)術(shu)可實(shi)現比(bi)較理想的(de)(de)電(dian)流(liu)及電(dian)壓諧波(bo)。即使制氫設備處于不(bu)同負荷時，也(ye)能(neng)滿足諧波(bo)要求。
圖5英特利整流(liu)柜張家口冬奧(ao)項目現場(chang)
圖6英特利(li)整流柜寶豐項目現場
圖7英特利整流柜亞洲硅業項目現場
圖8英特利(li)整流柜中石化測試現場
經(jing)現場測試，單臺24脈波(bo)(bo)(bo)運行(xing)時（單臺運行(xing)時為(wei)諧波(bo)(bo)(bo)最惡(e)劣的情況）電(dian)流諧波(bo)(bo)(bo)總畸(ji)變率約為(wei)3-4%，電(dian)壓諧波(bo)(bo)(bo)約為(wei)1.1%。經(jing)多臺移(yi)相(xiang)后，即(ji)使在不均衡負荷時非理(li)想48脈波(bo)(bo)(bo)的電(dian)流諧波(bo)(bo)(bo)也可(ke)達到約3%。
圖(tu)9
圖10
且(qie)針對大規(gui)模制氫(qing)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)，制氫(qing)設備數量(liang)越多，可移相組成(cheng)更(geng)高脈波(bo)數（如(ru)60脈波(bo)、72脈波(bo)、96脈波(bo)），諧波(bo)效果(guo)越好，可使電流(liu)諧波(bo)控制在1%以(yi)內。無需額外增(zeng)加諧波(bo)濾波(bo)裝置，大大節約了成(cheng)本和(he)占地(di)面(mian)積。
IGBT PWM整(zheng)(zheng)流+DC/DC斬波方案通過PWM整(zheng)(zheng)流電路可(ke)使電流諧波低(di)于3%，也能達(da)到低(di)諧波的(de)效(xiao)果(guo)，但目前(qian)此方案的(de)成本(ben)代價較高。
二、電解水制(zhi)氫整流相關的(de)其他重要(yao)指標
除了(le)諧波(bo)之外，與整流系統相關的(de)其他一(yi)些指(zhi)標也比(bi)較關鍵，如可靠性(xing)、轉換效率、功率因數、投資成本、不同(tong)電解槽(cao)的(de)適(shi)應性(xing)、占地(di)面積、維護量等。
針對500方以上(shang)的電(dian)解(jie)水(shui)制氫設備，晶閘管整流可(ke)實(shi)現功率(lv)(lv)因數(shu)0.95（不增加補償裝置情況下）、效(xiao)率(lv)(lv)≥98.5%、能適應各種電(dian)解(jie)槽(cao)的電(dian)流需(xu)求(qiu)（目前(qian)應用在(zai)電(dian)解(jie)水(shui)制氫最大電(dian)流到(dao)35kA）、技術(shu)成熟可(ke)靠(kao)、投資(zi)成本低、占地面積小、維護(hu)量小。
英特(te)(te)利(li)公司專(zhuan)(zhuan)注于整流(liu)設(she)(she)備(bei)的研(yan)發、設(she)(she)計、制(zhi)造、服務20余年，被評為湖北省專(zhuan)(zhuan)精(jing)特(te)(te)新“小巨(ju)人”企(qi)業。產品包括(kuo)晶(jing)閘管整流(liu)電(dian)源(yuan)、IGBT高(gao)頻開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)、IGBT PWM整流(liu)電(dian)源(yuan)、IGBT斬(zhan)波電(dian)源(yuan)、DC/DC光伏制(zhi)氫(qing)(qing)電(dian)源(yuan)，可為電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)(qing)設(she)(she)備(bei)提供多(duo)種整流(liu)解(jie)決(jue)方案(an)，曾參與(yu)70余個電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)(qing)項目，并出口到德國、荷蘭、韓國、日本(ben)、巴西(xi)、印(yin)度等多(duo)個國家(jia)(jia)的電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)(qing)市場，與(yu)國內(nei)外的電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)(qing)設(she)(she)備(bei)廠家(jia)(jia)建立了長期合(he)作。
三、英(ying)特利電解水(shui)制氫整流一站式解決方案
英特利為可(ke)再(zai)生能源(yuan)制(zhi)氫(qing)提(ti)供(gong)一站(zhan)式整(zheng)流(liu)解(jie)決方案(an)，可(ke)覆蓋單臺(tai)5Nm3/h到4000Nm3/h的(de)(de)電(dian)解(jie)水制(zhi)氫(qing)設備，根據產氫(qing)量、電(dian)源(yuan)參數、供(gong)電(dian)特性(xing)、現場布局等具體情況，提(ti)供(gong)定制(zhi)化的(de)(de)性(xing)能更優(you)、成本更優(you)的(de)(de)配置(zhi)方案(an)，單臺(tai)功(gong)率可(ke)從20kW到20MW，有5種可(ke)選產品：晶(jing)閘管整(zheng)流(liu)器(qi)、PWM整(zheng)流(liu)器(qi)、IGBT斬(zhan)波電(dian)源(yuan)、IGBT高頻開關(guan)電(dian)源(yuan)、DC/DC光伏直供(gong)變流(liu)器(qi)，可(ke)滿足光伏制(zhi)氫(qing)、風電(dian)制(zhi)氫(qing)的(de)(de)特性(xing)，近期中標國內外(wai)多個光伏制(zhi)氫(qing)、風電(dian)制(zhi)氫(qing)整(zheng)流(liu)項目。
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