电解水制氢整流原理及二次设备选型

唐雪阳

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定  201801

电解水制氢依托风电、光伏等可再生能源发电制取零碳排放绿氢，是化石能源制氢最核心的低碳替代路线，既是新型电力系统消纳新能源的关键储能载体，也是工业、交通、化工深度脱碳的刚需路径。风电光伏具有间歇性、波动性，大量新能源基地存在发电富余无法并网。电解水把多余电能转化为氢能储存，实现电能→氢能→再发电/工业利用长时储能，大幅提升风光利用率，是远距离新能源消纳最*方案之一。

一、制氢工艺分类及电气原理

电解制氢工艺主要有ALK碱性电解、PEM质子交换膜、SOEC固体氧化物高温电解、AEM 阴离子交换膜等几种路线，其中ALK碱性电解为目前市场主流，占比超80%,本文以电解水制氢站为核心讲解电解水制氢整流原理及电气二次设备选型。

图1 碱性电解制氢电气示意图

这是一套光伏自发自用+电网备用供电的碱性电解水制氢全系统原理图，整体分为10kV高压配电系统、24脉波移相整流直流供电系统、电解制氢工艺系统、0.4kV辅机配电系统四大板块。

·优先使用光伏绿电，经24脉整流变成直流电驱动电解槽制绿氢；

·光照不足时，市政10kV电网补足电量，保证制氢连续；

·高低压两级无功补偿配合24脉整流，解决大功率整流谐波和直流纹波难题；

·全套水、冷、气、储配套设备由0.4kV统一供电，形成完整可连续运行的光伏绿氢站。

二、二次设备选型

1.10kV变配电部分

依据NB/T10447-2020《整流变压器组保护装置通用技术要求》及相关电力变压器继电保护标准，结合10kV双移相变压器构成24脉整流、光伏+电网双电源供电、碱性电解水制氢工况，分为电气电量主保护、电气后备保护、非电量保护、整流阀侧专项保护、系统联动保护五大类。两台移相整流变独立配置全套保护，配合整流桥、直流母线形成全链路防护。

图2 电解制氢10kV电气部分保护配置

10kV部分配置清单如下表

2.10kV光伏并网部分

分布式光伏采用10kV并网，自发自用，余电不上网。并网合规是光伏电站投运的前提，电能质量设计直接决定电站能否长期稳定并网、避免电网考核。10kV进线处配置防逆流保护，升压箱变配置箱变保护测控装置，并网柜配置防孤岛保护、电能质量在线监测装置和电能计量仪表，安科瑞同时提供Acrel-1000DP光伏监控系统，帮助项目对接电网调度系统，安全合规并网。

图3 分布式光伏保护配置

3.0.4kV保护测控

图4 0.4kV部分保护配置

4.直流绝缘监测

电解槽工作在直流低压、大电流工况下，碱液导电，潮湿、漏碱极易造成直流对地漏电，氢气易燃易爆，绝缘监测是电解槽标配安全保护。

5.交直流计量

交直流回路配置多功能计量电表，包括10kV、0.4kV、直流回路，通过多功能电表计量发/用电量，部分回路需要监测谐波畸变率、直流纹波系数等电能质量参数。

6.防爆区域本安信号隔离

由于氢气易燃易爆，在制氢的控制过程中，防爆区域内需要本安信号隔离，隔离式安全栅必不*少。

三、制氢站能源管理

Acrel-2000MG能量管理系统能够对制氢站源（市电、分布式光伏、风机）、网（内部配电网）、荷（电解槽及辅助设备）、储能系统等负荷进行实时监测和优化控制，保护制氢站电网系统运行安全，实现不同目标下源网荷储资源之间的灵活互动，增加多策略控制下系统的灵活控制，促进新能源消纳、合理削峰填谷，减少电网建设投资，提升电网运行安全，降低运行成本。同时为制氢站提供交直流电气、环境等异常告警和控制，保障制氢站稳定运行。

图5 制氢站能量管理系统