大規模電解水制氫的諧波解析與解決方案
《氫能產(chan)業發展中長期規劃(hua)（2021-2035年(nian)）》指(zhi)出，可再生(sheng)能源(yuan)制氫在終端能源(yuan)消費中的比(bi)重將明顯提(ti)升，對能源(yuan)綠色轉型發展起到(dao)重要(yao)支撐作用，意味著電解水制氫的比(bi)例將不斷(duan)加(jia)大。
隨著大規模(mo)電解(jie)水制氫的發展(zhan)，其中一個關于供(gong)電的重要指標(biao)“諧波”越來越受到(dao)業界的廣(guang)泛關注(zhu)。在此(ci)將(jiang)對什(shen)么是諧波、諧波的危害(hai)及(ji)如何處理諧波進行介紹。
一(yi)、什么是諧波
在(zai)談到(dao)諧波(bo)之(zhi)前，先介紹下什么是基(ji)波(bo)，在(zai)我國的交流(liu)電(dian)網上，50HZ的正弦(xian)波(bo)可稱為“基(ji)波(bo)”，同時電(dian)壓會在(zai)負載上產生形(xing)(xing)狀(zhuang)類(lei)似的電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)(xing)，如下圖所示，”u”為電(dian)壓，“i”為電(dian)流(liu)波(bo)形(xing)(xing)。
圖1 線性負荷的電(dian)壓(ya)及電(dian)流(liu)波形
但在(zai)實際的應用(yong)中，負載并不(bu)是(shi)完(wan)全線(xian)性(xing)(xing)的，雖然電(dian)網電(dian)壓還是(shi)50HZ正弦波(bo)，但是(shi)電(dian)流(liu)可(ke)能因為非(fei)線(xian)性(xing)(xing)負載而產生非(fei)正弦波(bo)，此時的波(bo)形可(ke)能如下圖所示。非(fei)線(xian)性(xing)(xing)負荷種類繁多，例如不(bu)間斷電(dian)源、開關電(dian)源、IGBT電(dian)源、整流(liu)器、變頻(pin)器、變頻(pin)空(kong)調、感應加熱爐、電(dian)子(zi)計(ji)算(suan)機、充電(dian)器等。
圖2 非(fei)線性負荷的電壓及(ji)電流(liu)波形
雖(sui)然電網輸入源(yuan)是(shi)一(yi)樣的(de)，但是(shi)圖(tu)1和圖(tu)2的(de)電流波(bo)(bo)形(xing)并不(bu)一(yi)樣，如果將圖(tu)1的(de)線性負荷波(bo)(bo)形(xing)理解成(cheng)基波(bo)(bo)，那么(me)圖(tu)2中的(de)電流波(bo)(bo)形(xing)與圖(tu)1波(bo)(bo)形(xing)的(de)差異，即是(shi)諧(xie)波(bo)(bo)。
根據數(shu)學原(yuan)理，通過(guo)傅里葉分解可將非線性負荷的(de)(de)(de)波(bo)(bo)形拆分為(wei)50Hz的(de)(de)(de)倍數(shu)頻率的(de)(de)(de)波(bo)(bo)形，基波(bo)(bo)（50HZ）之外的(de)(de)(de)統稱為(wei)諧(xie)波(bo)(bo)，其倍數(shu)即(ji)(ji)是諧(xie)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)“次(ci)數(shu)”，常見的(de)(de)(de)有5次(ci)、7次(ci)、11次(ci)等(deng)。5次(ci)諧(xie)波(bo)(bo)，即(ji)(ji)可理解成(cheng)50HZ的(de)(de)(de)5倍頻率的(de)(de)(de)分量波(bo)(bo)形，即(ji)(ji)250HZ的(de)(de)(de)分量。
圖3
圖4
二、諧波的危害
諧(xie)(xie)波(bo)使(shi)公用(yong)電(dian)網中(zhong)的元件產生(sheng)附加的損(sun)耗(hao)，降低(di)了發電(dian)、輸(shu)電(dian)及用(yong)電(dian)設備(bei)的效率(lv)。大(da)量三次諧(xie)(xie)波(bo)流過(guo)中(zhong)線會使(shi)線路過(guo)熱(re)，甚(shen)(shen)至(zhi)(zhi)引起火(huo)災。諧(xie)(xie)波(bo)會影響電(dian)氣(qi)(qi)設備(bei)的正常(chang)工作(zuo)，使(shi)電(dian)機產生(sheng)機械振(zhen)動(dong)和(he)(he)噪聲(sheng)等(deng)；使(shi)變壓(ya)器(qi)(qi)(qi)局部嚴重過(guo)熱(re)；使(shi)電(dian)容(rong)器(qi)(qi)(qi)、電(dian)纜(lan)等(deng)設備(bei)過(guo)熱(re)、絕緣老化、壽命(ming)縮(suo)短，以致(zhi)損(sun)壞。引起電(dian)網諧(xie)(xie)振(zhen)，使(shi)得諧(xie)(xie)波(bo)電(dian)流放大(da)幾倍(bei)甚(shen)(shen)至(zhi)(zhi)數十倍(bei)，會對系統，特別是對電(dian)容(rong)器(qi)(qi)(qi)和(he)(he)與之(zhi)串聯的電(dian)抗器(qi)(qi)(qi)形成(cheng)很大(da)的威脅(xie)，經常(chang)使(shi)電(dian)容(rong)器(qi)(qi)(qi)和(he)(he)電(dian)抗器(qi)(qi)(qi)燒毀。諧(xie)(xie)波(bo)會導致(zhi)繼(ji)電(dian)保(bao)護(hu)，特別是微機綜(zong)合(he)保(bao)護(hu)器(qi)(qi)(qi)與自動(dong)裝置誤(wu)動(dong)作(zuo)，造成(cheng)不必要的供電(dian)中(zhong)斷和(he)(he)生(sheng)產損(sun)失。諧(xie)(xie)波(bo)還會使(shi)電(dian)氣(qi)(qi)測量儀表計(ji)量不準確，產生(sheng)計(ji)量誤(wu)差，給用(yong)電(dian)管理部門或(huo)電(dian)力用(yong)戶(hu)帶來經濟(ji)損(sun)失。
三、諧波相(xiang)關標準
我國針對諧(xie)(xie)波的標準為GB/T14549-1993《電(dian)能質量：公用電(dian)網諧(xie)(xie)波》，對電(dian)流(liu)諧(xie)(xie)波和(he)電(dian)壓(ya)諧(xie)(xie)波的規定如(ru)下：
表1
表2
國際上針(zhen)對諧波的標準為(wei)IEEE 519-2014，電流諧波和電壓(ya)諧波的規定(ding)如下：
表3
表4
一、大規(gui)模電解(jie)水制(zhi)氫降低諧波措施
針對大規(gui)模電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)（500方/小時(shi)、1000方/小時(shi)及以(yi)上產氫(qing)量的(de)(de)電(dian)解(jie)水(shui)制(zhi)氫(qing)制(zhi)氫(qing)設備）的(de)(de)整流(liu)(liu)裝置，目(mu)前有兩(liang)種(zhong)主流(liu)(liu)的(de)(de)降低諧波(bo)的(de)(de)整流(liu)(liu)產品，一是(shi)多脈波(bo)晶閘(zha)管整流(liu)(liu)，二(er)是(shi)IGBT PWM整流(liu)(liu)+DC/DC斬波(bo)。
英特利(li)公司設(she)(she)計生產的多脈(mo)波晶(jing)閘管整流系統已在(zai)多個多臺1000方項目(mu)現(xian)場使用，在(zai)無需增(zeng)加(jia)濾波裝置的情況下，通(tong)過單臺24脈(mo)波或(huo)12脈(mo)波+多脈(mo)波移相技術可實現(xian)比較理想的電流及電壓(ya)諧波。即使制(zhi)氫設(she)(she)備(bei)處于不同負荷時，也能滿(man)足諧波要求。
圖5英特利整流柜張(zhang)家口冬奧(ao)項目現場
圖6英特利整流柜寶豐(feng)項(xiang)目現場
圖7英特利(li)整流柜亞洲硅業(ye)項目現場
圖8英(ying)特(te)利整(zheng)流柜(ju)中石化測(ce)試現場
經(jing)現場(chang)測(ce)試，單臺(tai)24脈波(bo)運(yun)(yun)行時(shi)（單臺(tai)運(yun)(yun)行時(shi)為諧波(bo)最惡劣(lie)的(de)情況）電(dian)(dian)流諧波(bo)總畸變率約(yue)為3-4%，電(dian)(dian)壓諧波(bo)約(yue)為1.1%。經(jing)多臺(tai)移(yi)相后，即使在不均衡負(fu)荷時(shi)非理想48脈波(bo)的(de)電(dian)(dian)流諧波(bo)也可(ke)達(da)到約(yue)3%。
圖9
圖10
且(qie)針(zhen)對大(da)規(gui)模制氫的應用場景，制氫設備數量越多(duo)，可移(yi)相組(zu)成(cheng)更高脈(mo)(mo)(mo)波(bo)數（如(ru)60脈(mo)(mo)(mo)波(bo)、72脈(mo)(mo)(mo)波(bo)、96脈(mo)(mo)(mo)波(bo)），諧波(bo)效果越好，可使電流諧波(bo)控制在1%以內(nei)。無需(xu)額外(wai)增加諧波(bo)濾波(bo)裝置，大(da)大(da)節約了(le)成(cheng)本和(he)占地面積。
IGBT PWM整流(liu)(liu)+DC/DC斬波(bo)方案(an)通過PWM整流(liu)(liu)電路(lu)可使電流(liu)(liu)諧(xie)波(bo)低(di)于3%，也(ye)能達到低(di)諧(xie)波(bo)的效果，但目前此方案(an)的成本代價較高。
二、電解水制氫(qing)整流(liu)相關的其他(ta)重要指標(biao)
除了(le)諧(xie)波之外，與整流(liu)系統相關(guan)的(de)其他一些指標也比較關(guan)鍵，如可靠(kao)性、轉換(huan)效率、功率因(yin)數、投資成本、不(bu)同電解槽的(de)適應(ying)性、占(zhan)地面積、維(wei)護量等。
針(zhen)對500方以上的電(dian)解(jie)(jie)水制氫設(she)備，晶閘管(guan)整流可實現功率(lv)因數0.95（不增加補償裝置情況下）、效率(lv)≥98.5%、能(neng)適應各(ge)種電(dian)解(jie)(jie)槽(cao)的電(dian)流需求（目前應用在電(dian)解(jie)(jie)水制氫最大(da)電(dian)流到35kA）、技術成(cheng)熟可靠、投資成(cheng)本低、占地面積(ji)小(xiao)、維護量(liang)小(xiao)。
英特利公司(si)專(zhuan)注于整流(liu)(liu)設(she)(she)(she)備的(de)研發、設(she)(she)(she)計、制(zhi)(zhi)造(zao)、服務20余年，被評為(wei)湖北省專(zhuan)精特新“小巨人”企(qi)業。產(chan)品(pin)包括晶閘(zha)管整流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)、IGBT高頻開關(guan)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)、IGBT PWM整流(liu)(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)、IGBT斬波電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)、DC/DC光伏(fu)制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，可(ke)為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)解水(shui)制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)設(she)(she)(she)備提(ti)供(gong)多(duo)種整流(liu)(liu)解決方案(an)，曾參與(yu)70余個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)解水(shui)制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)項(xiang)目，并出口到(dao)德國、荷蘭、韓國、日本、巴西、印度(du)等多(duo)個(ge)國家的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)解水(shui)制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)市(shi)場，與(yu)國內(nei)外的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)解水(shui)制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)設(she)(she)(she)備廠家建立了長期合(he)作。
三、英特利(li)電解(jie)水(shui)制氫整(zheng)流一站式解(jie)決(jue)方案
英特(te)利為可(ke)再生能源制(zhi)(zhi)氫提供一站式整流(liu)解(jie)決方(fang)案(an)(an)，可(ke)覆(fu)蓋單臺(tai)5Nm3/h到4000Nm3/h的電(dian)(dian)(dian)解(jie)水制(zhi)(zhi)氫設備，根據產氫量、電(dian)(dian)(dian)源參(can)數、供電(dian)(dian)(dian)特(te)性(xing)、現場(chang)布局等具體情況，提供定制(zhi)(zhi)化(hua)的性(xing)能更優(you)、成(cheng)本更優(you)的配置方(fang)案(an)(an)，單臺(tai)功率可(ke)從(cong)20kW到20MW，有5種可(ke)選產品：晶(jing)閘管整流(liu)器、PWM整流(liu)器、IGBT斬波電(dian)(dian)(dian)源、IGBT高頻開(kai)關電(dian)(dian)(dian)源、DC/DC光(guang)伏直供變流(liu)器，可(ke)滿足光(guang)伏制(zhi)(zhi)氫、風電(dian)(dian)(dian)制(zhi)(zhi)氫的特(te)性(xing)，近期中標國內外多個(ge)光(guang)伏制(zhi)(zhi)氫、風電(dian)(dian)(dian)制(zhi)(zhi)氫整流(liu)項目(mu)。
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