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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(shè)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(shè)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(shè)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
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
進線保護監(jiān)測 |
| AM5SE-F | 具有帶方向元件的三段式過流保護，重合閘，過負荷告警、跳閘，過電壓告警、跳閘等功能對線路進行保護 | 10kV進線 |
| APView500 | 實時監(jiān)測兩路三相回路電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波、電壓暫升/暫降/短時中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件，記錄事件發(fā)生前后的波形，輔助用戶分析電能質(zhì)量，滿足電能質(zhì)量監(jiān)測 | 10kV進線 | |
變壓器保護 |
| AM5SE-T | 具有帶方向元件的三段式過流保護，兩段零序過流保護，過負荷保護，具備非電量保護，如高溫超溫保護，瓦斯保護等保護功能 | 進線柜 |
PT測控 |
| AM5SE-UB | 監(jiān)測母線三相/線電壓、零序電壓，并具備過壓/欠壓/零序過壓告警 | PT柜 |
電容器保護 |
| AM5SE-C | 三段式過流保護，過/欠電壓保護、不平衡電流/電壓保護、零序過流保護等功能 | 10kV電容器、電抗器 |
弧光保護 |
| ARB6 | 適用于開關(guān)柜弧光信號和電流信號的采集，并控制進線、母聯(lián)或母線上所有開關(guān)柜分閘 | 10kV母線 |
三側(cè)差動保護 |
| AM5SE-D3 | 整流變?nèi)齻?cè)差動保護，具備比率制動、二/五次諧波制動，區(qū)內(nèi)相間短路、繞組匝間短路、引線短路瞬時跳閘 | 整流變 保護測控 |
網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)后備保護 | AM5SE-TB | 三側(cè)均配置三段相間過流，兩段零序過流，兩段間隙過流保護、復合電壓閉鎖、兩段零序過壓保護，斷路器控制 | ||
非電量保護 | AM5SE-FD | 重瓦斯、輕瓦斯、超溫、過溫、壓力釋放保護和告警 | ||
測控裝置 | AM5SE-K | 遙測、遙信、遙控 |
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(shè)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
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
防孤島保護 |
| AM5SE-IS | 保護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，電網(wǎng)停電時能迅速切斷進線斷路器，防止孤島模式向電網(wǎng)反送電，保障電力設(shè)備和人員的安全。 | 光伏 并網(wǎng)柜 |
防逆流保護 | AM5SE-IS | 當光伏電站禁止向電網(wǎng)返送電能的場景下安裝在進線柜，監(jiān)測到逆功率越限可依次斷開光伏并網(wǎng)柜，有效防止電能返送電網(wǎng)。 | 進線柜 | |
主從防逆流裝置 | AM6-PVM AM6-PVS | 適用于進線柜和并網(wǎng)柜距離較遠的防逆流場景，分為防逆流主機和從機，主機安裝在進線柜檢測逆功率，通過光纖和從機通信，從機安裝在并網(wǎng)點，接收主機命令合分光伏并網(wǎng)斷路器實現(xiàn)防逆流。 | 進線柜、并網(wǎng)柜 | |
電能質(zhì)量監(jiān)測裝置 |
| APView500PV | 實時監(jiān)測一路三相路電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諧波、電壓暫升/暫降/短時中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測等電能質(zhì)量 | 光伏 并網(wǎng)柜 |
三合一箱變測控裝置 |
| AM6-PWC | 集變壓器差動保護/過流保護/溫度等非電量保護、變壓器溫度測量/4-20mA變送輸出等測控功能、通訊管理機功能、交換機功能于一體。 | 升壓箱變 |
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
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
電動機測控裝置 |
| ARD3M | 適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于一體。（過流、欠流）、電壓的（過壓、欠壓）及斷相、堵轉(zhuǎn)、短路、漏電、三相不平衡、過熱、接地、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心時、繞組老化予以報警或保護控制。 | 低壓電動機保護控制 |
抗晃電裝置 |
| ARD-KHD | 電壓短暫失壓時防止接觸器脫扣，電壓恢復后不間斷運行，避免系統(tǒng)受到?jīng)_擊。 | 抗晃電 |
線路保護 |
| ALP500 | 三段過電流保護，反時限過流保護，零序過流保護，功率保護等等，具備三相電氣參數(shù)測量，狀態(tài)采集和開關(guān)控制等功能。 | 0.4kV重要饋線 |
無功補償控制器 |
| ARC | 根據(jù)目標功率因數(shù)投切電容器實現(xiàn)無功補償 | 無功補償控制 |
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。
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
直流絕緣監(jiān)測 |
| AIM-D100-TH | 監(jiān)測DC100-1000V直流系統(tǒng)絕緣狀況 | 安裝于電解槽正負極 |
5. 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)。
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
智能儀表 |
| APM500 | 具有全電量測量，諧波畸變率、電壓合格率統(tǒng)計、分時電能統(tǒng)計，開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出。 | 主要用于高低壓電能監(jiān)測和電能管理 |
智能儀表 |
| AEM96 | 具有全電量測量，諧波畸變率、分時電能統(tǒng)計，開關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出。 | 主要用于電能計量和監(jiān)測 |
多功能 計量儀表 |
| ADL400 | 三相電流、電壓、分時電能，復費率設(shè)置，適用多個時段費率，內(nèi)置分斷開關(guān)，可分斷80A以內(nèi)三相電流。 | 饋線柜 |
| DTSD352 | |||
多功能 儀表 |
| ADW300 | 主要用于計量三相電氣參數(shù)，采集狀態(tài)量并控制斷路器，可靈活安裝于配電箱內(nèi)，自帶開口式互感器，可實現(xiàn)不停電安裝，具備RS485、4G、LoRaWan無線通信功能，適用于改造安裝。 | 進/饋線 |
直流電能表 |
| DJSF1352 | 可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，配套霍爾傳感器(可選)。 | 直流計量 |
| DJSF1352-RN | |||
霍爾傳感器 |
|
AHKC-KA AHKC-HB | 測量DC0~(500-20000)A電流，輸出DC5V/4V或DC4-20mA,工作電源DC±12V/±15V或12/24V。 | 直流大電流監(jiān)測 |
6. 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，隔離式安全柵很有必要。
名稱 | 圖片 | 型號 | 功能 | 應(yīng)用 |
隔離式安全柵 |
| BM200 | 采用了限壓、限流、隔離等措施，防止危險能量從本安端子進入危險現(xiàn)場，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。輸入4-20mA、0-5V、PT100/0-10kΩ等信號，輸出4-20mA、0-5V等信號。 | 模擬量信號安全隔離 |
信號隔離器 |
| BM100 | 對電流、電壓等電量參數(shù)或溫度、電阻等非電量參數(shù)進行快速精確測量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成標準的模擬信號輸出。既可以直接與指針表、數(shù)顯表相接，也可以與自控儀表（如PLC）、各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計算機系統(tǒng)等設(shè)備配接。 | 信號轉(zhuǎn)換隔離 |
三、制氫站能源管理
Acrel-2000MG能量管理系統(tǒng)能夠?qū)?/span>制氫站源（市電、分布式光伏、風機）、網(wǎng)（內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（電解槽及輔助設(shè)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(shè)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)
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