可再生能源制氢系统制氢电源研究

孙龙林，方益成，李 飞*

(1.阳光氢能科技有限公司，合肥 230088； 2.可再生能源接入电网技术国家地方联合工程实验室，合肥工业大学，合肥 230009)

0 引言

氢能是一种清洁的二次能源。目前，全球范围内对氢能的需求量日益增长，预计2050年全球氢能市场规模将达到2.3万亿欧元，占整个能源结构的17%～20%[1]。但截至目前，全球基于电解生产的氢气不足4%，而中国的电解产氢量占总制氢量更是不足1%[2-3]。目前的电解产氢主要还是化石能源氯生产的副产品，而基于化石能源的氢即灰氢，在生产过程中产生的温室气体较多[4]。为了将电解制氢从化石能源载体中独立出来，同时减少二氧化碳的排放，需要大幅增加利用可再生能源制氢的份额。截至2020年底，全球有16个国家已制定国家级别的氢能战略，另有11个国家正在制定此种战略，以有力支撑低碳化能源转型。在过去十年里光伏发电成本下降了90%，风电成本下降了25%～40%，储能成本下降幅度超过80%[1,3]，所以利用光伏发电、风电等可再生能源电力的电解水制氢，是未来“绿氢”能源发展的趋势。

阻碍可再生能源电力电解水制氢普及的一个主要原因是制氢系统通常需要动态适应可再生能源电力的波动。作为制氢系统核心设备的电解槽是一个低压大电流系统[5-6]，当电解槽从可再生能源发电系统中取电时，需要有可靠的电力电子变换器作为供电电源。目前基于晶闸管整流电路的制氢电源由于技术成熟且成本低，已经在大电流工业中应用了很长时间。然而，晶闸管的使用会产生大量谐波，降低系统的功率因数[7]，并会增加系统外的损耗；此外，晶闸管制氢电源在大功率场景下应用时为降低谐波需配套有载调压装置，这会严重影响系统的响应时间。虽然脉冲宽度调制(PWM)制氢电源在制氢系统中应用还不普遍，但基于全控型器件的PWM制氢电源可以通过控制使交流侧输入电流接近正弦基波，大幅降低谐波，减少系统损耗[8]，不使用有载调压装置，提高系统的响应速度。

本文首先介绍了可再生能源制氢系统的构成，然后分别介绍了传统的晶闸管制氢电源拓扑结构及PWM制氢电源拓扑结构，并阐述了这2种制氢电源的特点。最后通过Matlab/Simulink仿真比较了2种制氢电源的特性，证明了可再生能源制氢系统中采用PWM制氢电源相较于晶闸管制氢电源的优势。

1 可再生能源制氢系统的构成

可再生能源制氢系统包括源、网、储、氢，以及氢能源的储存、运输、应用等部分，其结构示意图如图1所示。其中：源包含光伏发电、风电、生物质能发电、地热发电、海洋潮汐能发电等可再生能源发电(本文仅分析风能和光伏发电)；网即电网，可以是直流电网或交流电网；储即是储能系统；氢即是制氢部分，制氢部分是整个可再生能源制氢系统的关键组成，包括制氢电源、制氢装置及能量管理系统。制氢装置是实现清洁制氢的关键设备，目前应用较多的有ALK(Alkaline)碱水电解制氢系统以及PEM(Proton Exchange Membrane)纯水电解制氢系统。能量管理系统包括电网、可再生能源发电系统、负荷、储能系统等单元之间能量传递的检测(图中实线)，通过控制指令(图中虚线)进行规划调控，是可再生能源制氢系统中的重要组成部分，具有保障整个系统安全稳定运行的重要作用。制氢电源是实现从上层控制到下层设备动作的至关重要设备。根据接入电网类型的不同，制氢电源可以分为DC/DC电源和AC/DC电源，本文以采用AC/DC电源的制氢电源为对象展开研究。

图1 可再生能源制氢系统结构示意图Fig. 1 Structure of schematic diagram of hydrogen production system of renewable energy

2 制氢电源

在采用AC/DC电源的可再生能源制氢系统中，需要制氢电源有较小的谐波及较高的功率因数，下文分别针对晶闸管制氢电源及PWM制氢电源的特点进行分析。

2.1 晶闸管制氢电源

工业生产中，在大功率整流环境下一般使用6或12脉波晶闸管整流器为制氢装置供电，控制过程中通过改变晶闸管整流器的触发角来改变其直流输出电压。6脉波晶闸管整流器的拓扑结构如图2所示，这种拓扑结构由2组三相半波桥串联，结构简单、应用时间长、技术成熟，采用这种结构的整流器成本较低，但这种结构的网侧电流中含有6k±1次(k为正整数)谐波，功率因数低[6]。

图2 6脉波晶闸管整流器的拓扑结构Fig. 2 Topological structure of 6 pulse thyristor rectifier

12脉波晶闸管桥式整流器的拓扑结构如图3所示。这种拓扑结构在大功率整流环境中应用最为广泛，由2组晶闸管整流桥并联，整流桥前使用三角形绕组，副边为星形绕组和三角形绕组的隔离变压器，隔离变压器使2组整流桥，输入电压的相位差为30°，2组整流桥输出端通过带抽头的电抗器相连，可增大输出电流。

图3 12脉波晶闸管整流器的拓扑结构Fig. 3 Topological structure of 12 pulse thyristor rectifier

与6脉波整流器相比，12脉波整流器网侧电流的谐波主要是12k±1次，其中的第5次、7次谐波的含量很小。由于谐波幅值随其次数的增大而迅速减小，因此相较于6脉波整流器，12脉波整流器的谐波更小，功率因数得到改善，有利于提高制氢装置的寿命[6]。

由于晶闸管自身的开关特性，在大功率晶闸管制氢电源的使用过程中，仍会对电网产生极大的谐波影响，为了进一步降低谐波，大功率晶闸管整流设备制造厂家通常会在晶闸管整流电路前加装带有载调压开关的整流变压器装置(下文简称“有载调压装置”)。

晶闸管制氢电源的整体拓扑图如4所示，其中，有载调压开关(图中绿线框)及整流变压器(图中红线框)组成有载调压装置。

图4 晶闸管制氢电源的整体拓扑图Fig. 4 Overall topological structure of thyristor controlled hydrogen power supply

有载调压装置由含有多个抽头的高压绕组与绕组匝数固定的低压绕组组成。晶闸管制氢电源接在高压绕组的不同抽头上构成不同的变压器变比，从而改变电源的输出电压。当电源的输出功率发生变化时，通过切换有载调压装置的档位可保证晶闸管整流器的触发角保持在一定范围内，从而改善晶闸管整流器输入电流的波形，减小谐波。但常用的有载调压装置采用机械式开关结构，会造成一定的操作延时，这也是制氢系统中采用晶闸管制氢电源的一大弊端。

2.2 PWM制氢电源

晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于其输入电压，且输入电流中含有大量谐波，这会造成整流器的功率因数很低。PWM制氢电源使用的是PWM整流电路，采用SPWM调制技术使输入电流的波形更接近正弦波，且能使输入电流和输入电压的相位相同，从而使功率因数接近1[8]。由于PWM整流器自身特性，对电网造成的谐波影响会比晶闸管整流器大幅降低，无需加装晶闸管电路中所采用的有载调压装置，操作延时时间也得到大幅缩减。此外，由于晶闸管整流器使用半控型器件，其开关频率在工频等级，而PWM整流器使用的是IGBT、MOSFET等全控型器件，其开关频率高，动态响应速度也比晶闸管整流器快。

PWM整流器主要分为电压型(VSR) PWM整流器和电流型(CSR) PWM整流器这2大类。本文所述PWM制氢电源整体的拓扑结构如图5所示。

图5 PWM制氢电源整体拓扑结构Fig. 5 Overall Topological structure of PWM hydrogen power supply

三相桥式VSR PWM制氢电源的拓扑结构中交流侧采用三相对称且无中线的连接方式，使用6个功率开关管(图5中的T1～T6)，直流侧采用电容稳压。

3 对比分析

3.1 低压应对能力分析

晶闸管整流电路类似于一个降压电路，其交流侧电压幅值要比直流侧高，并网点电压出现大幅跌落很有可能是因为交流侧电压过低导致的整流器整流失败。而PWM整流电路类似于一个升压电路，因此比晶闸管整流电路能更好地应对交流侧的电压跌落。

国家标准中要求光伏电站应具备的低电压穿越能力如图6所示，光伏电站在低电压穿越期间应具备一定的无功功率支撑能力。

图6 光伏电站低电压穿越能力要求Fig. 6 Requirements for low voltage traversal capability of PV power station

在本文所述可再生能源制氢系统中，若发生电压降低故障，由于晶闸管制氢电源的响应速度较慢，因此系统不具备低电压穿越能力，但PWM制氢电源能实现快速控制，保持制氢系统在故障期间的连续运行，同时故障器件具备一定的无功功率补偿能力，为故障恢复提供了帮助。

3.2 系统效率

晶闸管整流器采用半控型器件，其效率较使用全控型器件的PWM整流器低。晶闸管制氢电源使用过程中还需要配套静止无功补偿器(SVC)或静止无功发生器(static var generator，SVG)来提高系统功率因数及补偿无功功率。然而这些装置的加入会给系统带来额外的功率损耗，另外，晶闸管制氢电源还需要配备有载调压装置，也会给制氢系统造成一定的功率损耗。

综上所述可知，晶闸管制氢电源的整体效率会比PWM制氢电源的低。阳光电源股份有限公司提供的2种电源的系统效率数据如表1所示。

表1 2种电源的系统效率Table1 Systems efficiency of two kinds of power

3.3 仿真对比分析

本这利用Matlab/Simulink分别搭建采用晶闸管制氢电源与PWM制氢电源的交流并网制氢系统模型进行仿真验证。仿真参数如表2所示。

表2 2种电源的仿真参数Table 2 Simulation parameter of two kinds of power

仿真时设定制氢系统中制氢装置的初始功率为1.8 MW，然后在第60 s时变成3.8 MW，分别观测这2种制氢电源对制氢系统运行情况的影响。

3.3.1 不同电源下制氢装置跟踪功率指令对比

配备有载调压装置时，晶闸管制氢电源下制氢装置的功率跟踪波形如图7所示。图中Pel为制氢装置的功率，Pref为下发给设备的功率指令。

图7 配备有载调压装置时晶闸管制氢电源下制氢装置的功率跟踪情况Fig. 7 When equipped with an on-load voltage regulator，power tracking of hydrogen production device under thyristor hydrogen power supply

由于晶闸管制氢电源下制氢装置在跟踪功率指令过程中涉及到有载调压装置档位的切换，因此制氢装置的功率呈阶梯状变化，且达到指令值所需的时间与有载调压装置的换挡时间相关(有载调压装置切换一个档位的时间约为12 s)。由图7可知，制氢系统的响应速度受换挡时间的影响很大。

PWM 制氢电源下制氢装置的功率跟踪波形如图8所示。

图8 PWM制氢电源下制氢装置的功率跟踪情况Fig. 8 Power tracking of hydrogen production device under PWM hydrogen production power supply

由图8可知，PWM制氢电源下制氢装置可以快速跟踪功率指令，极大提高了制氢系统的响应速度。

3.3.2 不同电源下交流侧电流对比

分别采用晶闸管制氢电源和PWM制氢电源时，制氢装置功率指令值为1.8 MW情况下，0.15 s稳态时间窗口的观察到的这2种电源采用10 kV整流变压器时的高压侧电流如图9、图10所示。

图9 晶闸管制氢电源的高压侧电流波形Fig. 9 Current waveform of high voltage side of thyristor hydrogen power supply

图10 PWM制氢电源的高压侧电流波形Fig. 10 Current waveform of high voltage side of PWM hydrogen power supply

由图9可知，晶闸管制氢电源搭载有载调压装置后高压侧电流波形有很大改善，接近正弦波；由图10可知，PWM制氢电源高压侧电流畸变率相对于晶闸管制氢电源有较大改善。

表3是制氢装置功率为1.8、3.8 MW稳态时，晶闸管制氢电源与PWM制氢电源高压侧电流THD对比。

表3 两种电源高压侧电流THD对比Table 3 Comparison of high-voltage side current THD of two power supplies

从表3中可以看出，相比于未配置有载调压装置的晶闸管制氢电源，配置有载调压装置的晶闸管制氢电源的高压侧电流THD大幅减小，而且较晶闸管制氢电源的更小。

3.3.3 不同电源下的功率因数对比

PWM制氢电源及有无有载调压装置的晶闸管制氢电源的功率因数波形如图11所示。从图11中可以看出，晶闸管制氢电源运行时的功率因数是变化的，这是因为其运行过程中触发角会变化，从而导致其功率因数随之变化，而配置有载调压装置的晶闸管制氢电源的功率因数要比未配置有载调压装置时有所提高，但其功率因数无法达到1，但PWM制氢电源功率因数可以恒定保持为1。

图11 不同制氢电源的功率因数Fig. 11 Power factor of different hydrogen generation power supplies

4 结论

本文对采用不同制氢电源的制氢系统进行了研究。在可再生能源制氢系统中，直接使用晶闸管制氢电源会在交流侧产生较大的谐波，因此一般需要配备有载调压装置，以降低谐波，但采用有载调压装置必然会使电源发生较大延迟，增加制氢系统的响应时间，无法满足使用要求；而且晶闸管整流器的功率因数较低，实际使用时还需要配套无功功率补偿装置，额外增加了系统损耗。而采用PWM整流电路的制氢电源，既能够保证交流侧谐波较小，可以运行在单位功率因数下，且响应速度快，还能避免因使用有载调压装置及无功补偿装置而带来的系统损耗，提高了效率。此外，由于PWM制氢电源的响应速度快，可以发出无功功率对电网进行无功补偿，因此还具备一定的低电压穿越能力。因此，PWM制氢电源更适用于可再生能源制氢系统，随着电解制氢技术的不断发展和突破，未来有关PWM制氢电源的研究将会更加深入，其应用也会更加普遍。