台达可再生能源制氢电源及离并网制氢系统解决方案

　　台达大功率电源研发部杨文强博士受邀于2024年7月11-12日在江苏盐城举办的 2024(第四届)可再生能源制氢产业发展论坛做主题报告《可再生能源制氢电源及离并网制氢系统解决方案》。

　　报告介绍

　　报告将首先介绍可再生能源制氢对实现碳中和目标的重要作用，分析波动性风光发电制氢场景下制氢电源面临的技术挑战，对比现有的制氢电源技术;针对绿色化、低成本的氢气需求导致的制氢来源的高可再生能源占比和规模化要求，分析对比不同的离并网制氢系统解决方案。然后，分享基于直流微网的大规模离并网风光制氢示范工程情况。最后，提出大功率制氢电源和大规模离并网可再生能源制氢系统技术的发展趋势。

　　制氢电源主流技术路线

　　晶闸管(SCR)制氢电源

　　晶闸管电源是一种以晶闸管为基础，通过数字电路控制晶闸管导通，实现交流到直流变换的整流设备，能够在高电压、大电流条件下工作。然而，由于晶闸管只能控制导通而不能关断，需依靠电网电压实现关断，因此被称为半控制型整流器。

　　晶闸管制氢电源的优点在于技术成熟，适用于大功率场景。但其缺点在于存在低负荷下高谐波，功率因数较低的问题，需要配备谐波和无功补装置，导致综合转化效率较低。此外，晶闸管电源的响应速度和功率调节速度较慢，在高波动性风光制氢场景应用中受到一定制约。

　　因此，晶闸管电源未来的主要突破方向是在低负荷运行情况下如何减少谐波、提高功率因数，以提升晶闸管制氢电源的整体性能，使其在更多的应用场景中具备竞争力。

　　绝缘栅双极晶体管(IGBT)制氢电源

　　IGBT电源是一种以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为基础，通过脉冲宽度调制技术(PWM)控制IGBT导通和关断，从而实现交流到直流变换的整流设备。广泛应用于多种电子设备中的高效快速开关，具备耐高压、导通压降低、开关速度快的特点。因其具有低谐波、响应速度快、综合转换效率高等优点，对电网及发电设施的影响较小。

　　相比于晶闸管，IGBT增加了关断功能，因此属于全控型整流器。IGBT制氢电源在低负荷运行条件下具有较高效率。根据能景研究，当制氢系统负载位于12.5%-100%区间时，IGBT电源的整流效率可满足≥80%的要求，而绿氢项目在运行过程中约有45%的时间处于低负荷状态，因此使用IGBT电源有助于降低制氢系统的电力损耗。

　　IGBT制氢电源的特点与优势

　　1.对电网友好性突出

　　相比晶闸管，IGBT的开关控制更为精细，频率更高，产生的谐波也较少，整流效率更高。较低的谐波含量和较高的功率因数，使系统在并网时具有更佳的电网友好性。

　　2.功率响应速度更快

　　可再生能源发电的较大波动性要求制氢系统具备较快的响应速度。晶闸管电源的功率调节响应速度一般在秒级，而IGBT制氢电源则在毫秒级。

　　3.在全功率范围内效率更高

　　由于可再生能源发电的波动性，制氢系统可能在一段时间内处于非满载运行状态。IGBT制氢电源在低负荷工况下的效率能达到96%以上，而晶闸管电源的功率输出效率一般在93%-95%之间。

　　从长期来看，由于IGBT制氢电源具有优异的整流特性和电网适配性，因此吸引了大量公司研发和生产。在未来弱并网或纯离网制氢的趋势下，IGBT凭借与风光波动电力更高的匹配性，其市场份额将进一步扩大，成为制氢电源的主流选择。

　　可再生能源制氢系统的关键技术与应用

　　随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益突出，开发清洁、可再生能源制氢技术显得尤为重要。在可再生能源制氢系统中，核心设备包括风力发电、光伏发电装置、电解水制氢装置、储能装置、储氢系统等。这些设备需要通过电力电子变换器进行功率转换和调节，以确保系统的稳定运行。

　　大功率制氢电源的特点是低压大电流且需耐受电压、电流纹波小。多相交错并联Buck变换器的应用方案可以提高系统的功率转换效率和稳定性，具体的控制策略包括改进的下垂控制和交错并联控制等，以实现更高效的电能利用 。

　　直流微电网架构在制氢系统中具有天然优势，能够更好地适应风光发电的间歇性和波动性 。

　　在离并网制氢系统中，如何实现系统在并网和孤岛运行模式之间的平稳过渡，是一个重要的技术挑战，具体包括开发能够实时响应风光发电波动的动态调控技术，以确保制氢系统的稳定运行;建立涵盖电力、氢能的综合能源管理系统，优化能源的分配和使用，提高整体效率 。

　　图 系统基本结构：A为光伏发电,B为风力发电,C为电解槽,D为燃料电池,E为储氢罐,F为工业用氢,G为加氢站,H为运氢车

　　台达柔性智能绿电制氢系统解决方案

　　“以电定氢”：精准控制设备，稳定系统运行

　　为解决绿电制氢系统中可再生能源的宽功率波动、电氢耦合及离网制氢的难题，台达提出了“以电定氢”控制原则的柔性绿电制氢系统。该系统通过风光功率预测、稳定控制、能量调度及集群控制，实现制氢负荷与风光出力的动态平衡，确保设备的精准控制和系统的稳定运行。

　　系统特点

　　1.柔性：柔性风光储氢能量管理、制氢电源及电解槽集群控制、制储氢协同控制

　　2.安全：关键设备在线检测与诊断、多级安全防护系统

　　3.高效：大功率高效制氢电源、大容量低功耗电解制氢系统

　　4.智慧：绿氢工厂智能诊断与运维、绿氢工厂能耗检测与优化

　　高效IGBT制氢整流电源AC/DC

　　台达制氢电源面向千方级及以上水电解槽制氢应用，经济高效地提供所需直流电能。中压电网侧无需额外增加电能质量治理装置，适应可再生能源绿电制绿氢的宽范围动态调节需求。

　　1.20%~110%宽功率运行范围，完美适配可再生能源功率波动性

　　2.整个功率运行范围内功率因数≥ 0.95，最高效率≥ 97%

　　3.直流高压和大电流两个版本，适配不同技术方案的千方水电解槽

　　4.模块化设计，易于扩展到20MW及以上

　　高效IGBT制氢直流电源 DC/DC

　　面向直流微电网水电解槽制氢应用，经济高效地提供水电解槽所需直流电能，适应直流微网可再生能源绿电制绿氢的需求。

　　1.20%~110%宽功率运行范围，完美适配可再生能源功率波动性

　　2.满载最高效率≥98.9%

　　3.微秒级故障保护

　　4.模块化设计，易于扩展到20MW及以上

　　柔性风光制氢能量管理系统

　　通过风光发电功率预测，以电定氢，实现宽波动可再生能源发电功率与制氢负荷的动态平衡调节，实现制氢电源及电解槽集群控制、风光制氢经济运行管控优化及制氢站智能诊断与运维管理。

　　可再生能源绿氢仿真系统

　　面向不同可再生能源制氢场景，建立高精度系统仿真模型，进行各种运行工况的仿真分析和设计验证，形成综合效益最优的系统配置方案和技术方案。

　　图 台达可再生能源IGBT制氢电源

　　嘉宾介绍

　　杨文强，博士，台达电子(上海)大功率电源研发部设计工程经理。2002年在华中科技大学获得电气工程博士学位，2002年-2004年在上海交通大学从事博士后研究。2004年加入通用电气中国研发中心，2012年开始担任电气技术首席研究员。2017年6月加入北京低碳清洁能源研究院，担任主任工程师兼智慧能源系统研发部经理。2023年1月入职台达电子(上海)。

　　长期从事大功率可再生能源制氢电源及大规模风光离并网制氢系统、储能系统集成与控制、风光发电与并网等技术研究及产品开发。近年来主持5MW~20MW模块化IGBT制氢电源系列产品及大规模可再生能源离并网制氢系统方案开发。曾作为课题负责人完成国家重点研发计划项目“大规模风光互补制储氢关键技术与示范”(2018YFB1503100)，主持开发基于直流微网的离并网风光制储氢系统集成、运行控制与能量管理技术，首次提出可再生能源制氢“以电定氢”的系统控制原则，以实现可再生能源发电电能的最大化利用;主持研制当时(2020年)业界功率最大、效率最高(5.7MW/98.9%) DC/DC IGBT制氢电源、业界首套可再生能源发电制储运加氢一体化监控与安全保护系统; 作为技术负责人，完成当时(2022年)世界上规模最大风光互补制储氢(6MW风、2MW光、1MW/1MWh储、单台1200Nm3/小时电解槽)示范工程建设、调试和试运行，服务于北京冬奥会张家口赛区。

　　作为骨干参加国家重点研发计划项目2项。获得国内外授权专利20余项(其中美国授权专利11项，欧洲专利6项)。现担任中国电工技术学会电力电子学会常务理事，《电力电子技术》杂志编委，中关村储能产业技术联盟理事。

　　台达创立于 1971 年，为全球提供电源管理与散热解决方案，逐步从关键元器件制造商迈入整体节能解决方案提供者，深耕“电源及元器件”、“交通”、“自动化”与“基础设施”四大事业范畴。台达秉持“环保 节能 爱地球”的经营使命，将企业可持续发展与商业模式相结合，持续开发创新节能产品及解决方案、不断提升产品的能源转换效率，以减轻全球变暖对人类生存的冲击。

　　台达于 1992 年进入中国大陆市场，目前已在广东东莞、江苏吴江、安徽芜湖、 湖南郴州设立主要生产基地，并于 2022 年在重庆投入建设西部制造基地。在上海设有区域运营中心及研发中心，以及负责市场营销与服务网络建设的“中达电通股份有限公司”，为客户提供本地化、个性化、 全方位的服务保障。