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

2.1 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：

2.2 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

10kV光伏并網(wǎng)部分配置清單如下表：

2.3 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

0.4kV保護測控配置清單如下：

2.4 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(dǎo)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。

2.5 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)。

2.6 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，隔離式安全柵不可少。

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?、分布式光伏、風(fēng)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)