一種光伏制氫多端口變流器研究

摘 要：介紹了一種光伏制氫多端口變流器的設(shè)計原理、組成與各端口特性，該設(shè)備可應(yīng)用于光伏電站配屬的制氫站，給制氫車間電解槽提供穩(wěn)定的可調(diào)電源。實驗證明：在光伏制氫應(yīng)用中，該設(shè)備具有為制氫車間提供穩(wěn)定的可調(diào)電源，在光伏區(qū)功率突變或退出后仍然可以持續(xù)供電的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光伏制氫；多端口變流器；匯流端口；交流端口；儲能端口；制氫端口

中圖分類號：TM46? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0063-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.016

0? ? 引言

伴隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)加速，風(fēng)光儲新能源和電力電子器件在電網(wǎng)系統(tǒng)中占比持續(xù)增加，新能源取代傳統(tǒng)能源是必然趨勢。2017年以來，中國氫氣產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展。氫燃料補(bǔ)給站作為氫能的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在全國許多城市都有建設(shè)和分布，因此，依托新能源場站電解水制氫需求明顯，尤其是西北等偏遠(yuǎn)地區(qū)需求更為突出[1]。

供電設(shè)備作為制氫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，可靠穩(wěn)定的供電設(shè)備尤為重要，尤其是不受光伏波動影響的供電設(shè)備。多端口變流器可以利用光伏、儲能、電網(wǎng)多接口給制氫車間提供穩(wěn)定的電源，確保制氫的生產(chǎn)不受光照等因素影響。

1? ? 光伏制氫多端口變流器

如圖1所示，光伏制氫多端口變流器由匯流端口、交流端口、儲能端口、制氫端口共四個端口組成。

各端口之間使用同一母線連接，以減少電纜的使用成本與連接的復(fù)雜性，各端口與母線之間配置電動操作的框架式隔離開關(guān)，各個隔離開關(guān)位于各端口設(shè)備內(nèi)部，在各端口啟停時順序自動控制，降低操作的復(fù)雜性。設(shè)備如圖2所示。

2? ? 端口設(shè)計

2.1? ? 端口連接

匯流端口連接光伏區(qū)接入的多路智能MPPT匯流箱（以下簡稱MPPT），在本次項目中設(shè)有24路接口；交流端口經(jīng)站內(nèi)配置的變壓器連接電網(wǎng)，交流端口設(shè)計額定電壓為AC480 V；儲能端口連接電池柜，設(shè)計額定電壓為DC563 V；制氫端口通過管母連接制氫車間電解設(shè)備。多端口變流器的外部連接設(shè)備示意圖如圖3所示。

多端口變流器的各端口與外接設(shè)備之間配置對應(yīng)的交/直流開關(guān)，開關(guān)位于各端口設(shè)備內(nèi)部，除匯流端口之外，交流端口、儲能端口、制氫端口的開關(guān)分合均為各端口啟停時順序自動控制。

2.2? ? 匯流端口設(shè)計

為滿足多路MPPT接入要求，匯流端口配備多路開關(guān)供MPPT接入，同時，為了方便檢修與安全隔離，多路MPPT接入開關(guān)與多端口變流器內(nèi)部直流母線之間配置框架式電操隔離開關(guān)。

QF-QFN為各MPPT接入開關(guān)編號，匯流端口接入開關(guān)平時無須操作，配置為手動+脫扣保護(hù)以節(jié)省成本，同時各開關(guān)狀態(tài)使用指示燈引出以方便運(yùn)維人員的日常巡檢。匯流端口外部設(shè)備接入示意圖如圖4所示。

MPPT額定輸出電壓為DC800 V，設(shè)備的匯流端口采用最高接入電壓為DC1 000 V的設(shè)計，同時考慮到線路損耗，設(shè)備直流母線額定電壓設(shè)計為DC750 V。

2.3? ? 交流端口設(shè)計

項目中設(shè)計交流端口通過37/0.48 kV干式變壓器接入光伏站35 kV母線段，交流端口兩側(cè)均配置開關(guān)，為交流端口啟停時自動控制。

交流端口采用兩電平DC/AC雙向設(shè)計，LC拓?fù)洌檬噶亢铣蒘VPWM調(diào)制方式[2]，采用交直流側(cè)自適應(yīng)充電策略，優(yōu)先使用直流母線側(cè)緩充，直流連接設(shè)計額定電壓為DC750 V，電壓范圍DC700～850 V。交流端口設(shè)計一次拓?fù)淙鐖D5所示。

直流輸出端口配置隔離開關(guān)+熔斷器方式，交流端口采用斷路器，DC/AC故障時，斷開交直流開關(guān)，光伏陣列發(fā)的電經(jīng)過DC/DC可直接給制氫設(shè)備供電。

2.4? ? 儲能端口設(shè)計

儲能端口連接電池柜，根據(jù)項目容量比例配置儲能電池PACK，儲能端口輸出、輸入側(cè)配置隔離開關(guān)+熔斷器，隔離開關(guān)均為儲能端口啟停機(jī)時自動控制。

儲能端口采用兩電平雙向DC/DC變流設(shè)計[3]，采用三橋臂三支路+LC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用雙直流側(cè)自適應(yīng)充電策略，優(yōu)先使用直流母線側(cè)緩充，儲能電池側(cè)直流連接設(shè)計額定電壓為DC563 V，直流電壓范圍DC592～642 V，直流母線側(cè)額定電壓DC750 V。儲能端口設(shè)計如圖6所示。

2.5? ? 制氫端口設(shè)計

制氫端口通過管母連接制氫車間電解設(shè)備，制氫端口輸出、輸入側(cè)配置隔離開關(guān)+熔斷器，均為制氫端口啟停機(jī)時自動控制。

制氫端口采用兩電平DC/DC設(shè)計，采用四橋臂四支路+LC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用單直流側(cè)充電策略，制氫端口設(shè)計電壓范圍為DC0～450 V自適應(yīng)。制氫端口設(shè)計如圖7所示。

3? ? 設(shè)備運(yùn)行及驗證

3.1? ? 端口運(yùn)行設(shè)計

設(shè)備啟動運(yùn)行：

1）匯流端口各開關(guān)閉合，匯流端口給直流母線提供支撐電壓；

2）交流端口啟動運(yùn)行，穩(wěn)定直流母線電壓，目標(biāo)值DC750 V，為減小啟動沖擊，采用軟啟動；

3）儲能端口啟動運(yùn)行，直流母線電壓目標(biāo)值DC750 V，設(shè)有充放電電壓上下限觸發(fā)閾值及SOC熱待機(jī)閾值；

4）制氫端口啟動運(yùn)行，根據(jù)生產(chǎn)要求控制輸出功率。

幾種可能存在的運(yùn)行工況簡述：

1）匯流端口接入異常時，交流端口通過交流側(cè)預(yù)充可以直接啟動，制氫端口優(yōu)先使用儲能端口電能；

2）制氫端口接入異常時，光伏區(qū)發(fā)電通過交流端口輸送電網(wǎng)；

3）交流端口接入異常時，儲能端口平衡直流母線電壓，并根據(jù)光功率預(yù)測控制制氫端口出力。

多端口變流器優(yōu)先的能量傳輸路徑為MPPT—匯流端口—DC/DC—制氫車間，此路徑電能損耗最小。

3.2? ? 設(shè)備運(yùn)行驗證

設(shè)備在項目中運(yùn)行正常穩(wěn)定，圖8所示為交流端口投入初始電流波形，交流端口在穩(wěn)定直流母線電壓方面采用在近母線側(cè)多配置支撐電容加提高開關(guān)頻率方式降低母線電壓紋波。

圖9為多端口變流器交流端口、制氫端口輸入側(cè)電壓/電流波形，直流電壓紋波與諧波畸變率均滿足變流器國標(biāo)[4]與運(yùn)行要求，其中電壓諧波遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的2%，控制在1%以下。

4? ? 結(jié)束語

多端口變流器供電設(shè)備在利用光伏源頭電力的同時，解決了光伏發(fā)電受日照影響較大的問題。該設(shè)備在項目上的成功應(yīng)用提升了制氫車間供電的穩(wěn)定性，同時充分利用光伏、儲能減少了生產(chǎn)用電成本，為電力生產(chǎn)的優(yōu)化配置提供了強(qiáng)有力的支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 周強(qiáng)，楊仕友.中國西北地區(qū)新能源發(fā)展總結(jié)與展望[J].中國能源，2018，40（10）：25-32.

[2] 常國祥，楊金龍，劉岫嶺，等.兩電平SVPWM新算法研究與實現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2015（3）：37-39.

[3] 陳麗英，趙國權(quán)，梁培文，等.能量雙向流動的DCDC變換器[J].價值工程，2018，37（15）：132-133.

[4] 電化學(xué)儲能系統(tǒng)儲能變流器技術(shù)規(guī)范：GB/T 34120—2017[S].

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：郭偉（1989—），男，江蘇泗洪人，工程師，研究方向：電力電子應(yīng)用技術(shù)。