臺達可再生能源制氫電源及離并網制氫系統解決方案

　　臺達大功率電源研發部楊文強博士受邀于2024年7月11-12日在江蘇鹽城舉辦的 2024(第四屆)可再生能源制氫產業發展論壇做主題報告《可再生能源制氫電源及離并網制氫系統解決方案》。

　　報告介紹

　　報告將首先介紹可再生能源制氫對實現碳中和目標的重要作用，分析波動性風光發電制氫場景下制氫電源面臨的技術挑戰，對比現有的制氫電源技術;針對綠色化、低成本的氫氣需求導致的制氫來源的高可再生能源占比和規模化要求，分析對比不同的離并網制氫系統解決方案。然后，分享基于直流微網的大規模離并網風光制氫示范工程情況。最后，提出大功率制氫電源和大規模離并網可再生能源制氫系統技術的發展趨勢。

　　制氫電源主流技術路線

　　晶閘管(SCR)制氫電源

　　晶閘管電源是一種以晶閘管為基礎，通過數字電路控制晶閘管導通，實現交流到直流變換的整流設備，能夠在高電壓、大電流條件下工作。然而，由于晶閘管只能控制導通而不能關斷，需依靠電網電壓實現關斷，因此被稱為半控制型整流器。

　　晶閘管制氫電源的優點在于技術成熟，適用于大功率場景。但其缺點在于存在低負荷下高諧波，功率因數較低的問題，需要配備諧波和無功補裝置，導致綜合轉化效率較低。此外，晶閘管電源的響應速度和功率調節速度較慢，在高波動性風光制氫場景應用中受到一定制約。

　　因此，晶閘管電源未來的主要突破方向是在低負荷運行情況下如何減少諧波、提高功率因數，以提升晶閘管制氫電源的整體性能，使其在更多的應用場景中具備競爭力。

　　絕緣柵雙極晶體管(IGBT)制氫電源

　　IGBT電源是一種以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為基礎，通過脈沖寬度調制技術(PWM)控制IGBT導通和關斷，從而實現交流到直流變換的整流設備。廣泛應用于多種電子設備中的高效快速開關，具備耐高壓、導通壓降低、開關速度快的特點。因其具有低諧波、響應速度快、綜合轉換效率高等優點，對電網及發電設施的影響較小。

　　相比于晶閘管，IGBT增加了關斷功能，因此屬于全控型整流器。IGBT制氫電源在低負荷運行條件下具有較高效率。根據能景研究，當制氫系統負載位于12.5%-100%區間時，IGBT電源的整流效率可滿足≥80%的要求，而綠氫項目在運行過程中約有45%的時間處于低負荷狀態，因此使用IGBT電源有助于降低制氫系統的電力損耗。

　　IGBT制氫電源的特點與優勢

　　1.對電網友好性突出

　　相比晶閘管，IGBT的開關控制更為精細，頻率更高，產生的諧波也較少，整流效率更高。較低的諧波含量和較高的功率因數，使系統在并網時具有更佳的電網友好性。

　　2.功率響應速度更快

　　可再生能源發電的較大波動性要求制氫系統具備較快的響應速度。晶閘管電源的功率調節響應速度一般在秒級，而IGBT制氫電源則在毫秒級。

　　3.在全功率范圍內效率更高

　　由于可再生能源發電的波動性，制氫系統可能在一段時間內處于非滿載運行狀態。IGBT制氫電源在低負荷工況下的效率能達到96%以上，而晶閘管電源的功率輸出效率一般在93%-95%之間。

　　從長期來看，由于IGBT制氫電源具有優異的整流特性和電網適配性，因此吸引了大量公司研發和生產。在未來弱并網或純離網制氫的趨勢下，IGBT憑借與風光波動電力更高的匹配性，其市場份額將進一步擴大，成為制氫電源的主流選擇。

　　可再生能源制氫系統的關鍵技術與應用

　　隨著全球能源需求的不斷增長和環境問題的日益突出，開發清潔、可再生能源制氫技術顯得尤為重要。在可再生能源制氫系統中，核心設備包括風力發電、光伏發電裝置、電解水制氫裝置、儲能裝置、儲氫系統等。這些設備需要通過電力電子變換器進行功率轉換和調節，以確保系統的穩定運行。

　　大功率制氫電源的特點是低壓大電流且需耐受電壓、電流紋波小。多相交錯并聯Buck變換器的應用方案可以提高系統的功率轉換效率和穩定性，具體的控制策略包括改進的下垂控制和交錯并聯控制等，以實現更高效的電能利用 。

　　直流微電網架構在制氫系統中具有天然優勢，能夠更好地適應風光發電的間歇性和波動性 。

　　在離并網制氫系統中，如何實現系統在并網和孤島運行模式之間的平穩過渡，是一個重要的技術挑戰，具體包括開發能夠實時響應風光發電波動的動態調控技術，以確保制氫系統的穩定運行;建立涵蓋電力、氫能的綜合能源管理系統，優化能源的分配和使用，提高整體效率 。

　　圖 系統基本結構：A為光伏發電,B為風力發電,C為電解槽,D為燃料電池,E為儲氫罐,F為工業用氫,G為加氫站,H為運氫車

　　臺達柔性智能綠電制氫系統解決方案

　　“以電定氫”：精準控制設備，穩定系統運行

　　為解決綠電制氫系統中可再生能源的寬功率波動、電氫耦合及離網制氫的難題，臺達提出了“以電定氫”控制原則的柔性綠電制氫系統。該系統通過風光功率預測、穩定控制、能量調度及集群控制，實現制氫負荷與風光出力的動態平衡，確保設備的精準控制和系統的穩定運行。

　　系統特點

　　1.柔性：柔性風光儲氫能量管理、制氫電源及電解槽集群控制、制儲氫協同控制

　　2.安全：關鍵設備在線檢測與診斷、多級安全防護系統

　　3.高效：大功率高效制氫電源、大容量低功耗電解制氫系統

　　4.智慧：綠氫工廠智能診斷與運維、綠氫工廠能耗檢測與優化

　　高效IGBT制氫整流電源AC/DC

　　臺達制氫電源面向千方級及以上水電解槽制氫應用，經濟高效地提供所需直流電能。中壓電網側無需額外增加電能質量治理裝置，適應可再生能源綠電制綠氫的寬范圍動態調節需求。

　　1.20%~110%寬功率運行范圍，完美適配可再生能源功率波動性

　　2.整個功率運行范圍內功率因數≥ 0.95，最高效率≥ 97%

　　3.直流高壓和大電流兩個版本，適配不同技術方案的千方水電解槽

　　4.模塊化設計，易于擴展到20MW及以上

　　高效IGBT制氫直流電源 DC/DC

　　面向直流微電網水電解槽制氫應用，經濟高效地提供水電解槽所需直流電能，適應直流微網可再生能源綠電制綠氫的需求。

　　1.20%~110%寬功率運行范圍，完美適配可再生能源功率波動性

　　2.滿載最高效率≥98.9%

　　3.微秒級故障保護

　　4.模塊化設計，易于擴展到20MW及以上

　　柔性風光制氫能量管理系統

　　通過風光發電功率預測，以電定氫，實現寬波動可再生能源發電功率與制氫負荷的動態平衡調節，實現制氫電源及電解槽集群控制、風光制氫經濟運行管控優化及制氫站智能診斷與運維管理。

　　可再生能源綠氫仿真系統

　　面向不同可再生能源制氫場景，建立高精度系統仿真模型，進行各種運行工況的仿真分析和設計驗證，形成綜合效益最優的系統配置方案和技術方案。

　　圖 臺達可再生能源IGBT制氫電源

　　嘉賓介紹

　　楊文強，博士，臺達電子(上海)大功率電源研發部設計工程經理。2002年在華中科技大學獲得電氣工程博士學位，2002年-2004年在上海交通大學從事博士后研究。2004年加入通用電氣中國研發中心，2012年開始擔任電氣技術首席研究員。2017年6月加入北京低碳清潔能源研究院，擔任主任工程師兼智慧能源系統研發部經理。2023年1月入職臺達電子(上海)。

　　長期從事大功率可再生能源制氫電源及大規模風光離并網制氫系統、儲能系統集成與控制、風光發電與并網等技術研究及產品開發。近年來主持5MW~20MW模塊化IGBT制氫電源系列產品及大規模可再生能源離并網制氫系統方案開發。曾作為課題負責人完成國家重點研發計劃項目“大規模風光互補制儲氫關鍵技術與示范”(2018YFB1503100)，主持開發基于直流微網的離并網風光制儲氫系統集成、運行控制與能量管理技術，首次提出可再生能源制氫“以電定氫”的系統控制原則，以實現可再生能源發電電能的最大化利用;主持研制當時(2020年)業界功率最大、效率最高(5.7MW/98.9%) DC/DC IGBT制氫電源、業界首套可再生能源發電制儲運加氫一體化監控與安全保護系統; 作為技術負責人，完成當時(2022年)世界上規模最大風光互補制儲氫(6MW風、2MW光、1MW/1MWh儲、單臺1200Nm3/小時電解槽)示范工程建設、調試和試運行，服務于北京冬奧會張家口賽區。

　　作為骨干參加國家重點研發計劃項目2項。獲得國內外授權專利20余項(其中美國授權專利11項，歐洲專利6項)。現擔任中國電工技術學會電力電子學會常務理事，《電力電子技術》雜志編委，中關村儲能產業技術聯盟理事。

　　臺達創立于 1971 年，為全球提供電源管理與散熱解決方案，逐步從關鍵元器件制造商邁入整體節能解決方案提供者，深耕“電源及元器件”、“交通”、“自動化”與“基礎設施”四大事業范疇。臺達秉持“環保 節能 愛地球”的經營使命，將企業可持續發展與商業模式相結合，持續開發創新節能產品及解決方案、不斷提升產品的能源轉換效率，以減輕全球變暖對人類生存的沖擊。

　　臺達于 1992 年進入中國大陸市場，目前已在廣東東莞、江蘇吳江、安徽蕪湖、 湖南郴州設立主要生產基地，并于 2022 年在重慶投入建設西部制造基地。在上海設有區域運營中心及研發中心，以及負責市場營銷與服務網絡建設的“中達電通股份有限公司”，為客戶提供本地化、個性化、 全方位的服務保障。