電解水制氫依托風電、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)鍵儲能載體，也是工業(yè)、交通、化工深度脫碳的剛需路徑。風電光伏具有間歇性、波動性，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)化為氫能儲存，實現(xiàn)電能→氫能→再發(fā)電/工業(yè)利用長時儲能，大幅提升風光利用率，是遠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)動電解槽制綠氫；

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

·  高低壓兩級無功補償配合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、儲配套設備由0.4kV統(tǒng)一供電，形成完整可連續(xù)運行的光伏綠氫站。

二、二次設備選型

1.10kV變配電部分

依據(jù)NB/T10447-2020《整流變壓器組保護裝置通用技術(shù)要求》及相關(guān)電力變壓器繼電保護標準，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、電氣后備保護、非電量保護、整流閥側(cè)專項保護、系統(tǒng)聯(lián)動保護五大類。兩臺移相整流變獨立配置全套保護，配合整流橋、直流母線形成全鏈路防護。

圖2 電解制氫10kV電氣部分保護配置

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)是光伏電站投運的前提，電能質(zhì)量設計直接決定電站能否長期穩(wěn)定并網(wǎng)、避免電網(wǎng)考核。10kV進線處配置防逆流保護，升壓箱變配置箱變保護測控裝置，并網(wǎng)柜配置防孤島保護、電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置和電能計量儀表，安科瑞同時提供Acrel-1000DP光伏監(jiān)控系統(tǒng)，幫助項目對接電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，安全合規(guī)并網(wǎng)。

圖3 分布式光伏保護配置

3.0.4kV保護測控

0.4kV部分主要包含0.4kV水泵、電機、線路保護，如補水泵、配堿泵、冷卻水供/回水泵、冷凍水供/回水泵、壓縮機等。

圖4 0.4kV部分保護配置

4. 直流絕緣監(jiān)測

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

4. 交直流計量

交直流回路配置多功能計量電表，包括10kV、0.4kV、直流回路，通過多功能電表計量發(fā)/用電量，部分回路需要監(jiān)測諧波畸變率、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機）、網(wǎng)（內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（電解槽及輔助設備）、儲能系統(tǒng)等負荷進行實時監(jiān)測和優(yōu)化控制，保護制氫站電網(wǎng)系統(tǒng)運行安全，實現(xiàn)不同目標下源網(wǎng)荷儲資源之間的靈活互動，增加多策略控制下系統(tǒng)的靈活控制，促進新能源消納、合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設投資，提升電網(wǎng)運行安全，降低運行成本。同時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)定運行。

圖5 制氫站能量管理系統(tǒng)