陈洁莲:制氢电源用智能化的方案匹配未来制氢工厂自动化和智能化的需求

能见App 2023年10月19日 3428

2023年10月16日-20日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。

10月18日上午,中车株洲所时代电气供电产品技术部部长陈洁莲在“氢能与新能源产业高质量发展论坛”上发表了题目为《绿电制氢电源解决方案》的主旨发言。

   以下为演讲全文:    

各位专家大家中午好,我是来自中车时代电器的陈洁莲。绿电的制氢电源是电气耦合非常重要的环节,跟大家分享我们的方案和见解。

了解株洲所的知道中车时代电气立足于轨道交通企业,目前国内高铁、动车、城轨,有60%的电力装置来自于中车时代电气。它基于算法、器件和材料三大内核技术,电力电子装置有很多业绩积累。同时,具有从芯片到半导体的器件,到系统完整的自主产业链。目前,氢能领域电源订单也超过了50套以上。

今天的报告主要分三个部分,首先是绿电制氢电源需求分析,然后是绿电制氢电源系统解决方案,然后是中车制氢能源产品方案讲解。

绿电制氢这个市场随着中国新型电力系统构建逐步发展,从2022年风光发电量14%的占比到2030年18亿千瓦25%的占比,到2060年60亿千瓦70%。新型电力系统的构建改变了传统电网运动模式。

    从国内电解槽的参数分析,以1000标方为例,也有越来越多大标方的电源需求。从响应侧需要跟随新能源电力变化,并且在一些特殊场景可以满足电力调峰需求。另一方面,在电能质量上做非常大的负荷,需要满足比较好的功率因素,比较好的电流斜坡适配新能源电力需求。从负载侧而言,比较低的电压和电流波指向比较好的电解槽能耗,同时也是比较宽的条件范围需求。

    从发展来说,不管是双极器件还是IGBT都有需求,晶闸管是不可或缺的,IGBT开关频率高,响应速度快,面向中小容量有比较好的性能适配性和性价比,在一些高压的场合有着不可替代性。IGCT目前主流规格在450伏,和国内1000伏以上电解槽有着适配差距,应用不多。绿电制氢的场景是风光储氢场景构建,不同的半导体器件根据电质量的特性发挥着不同的作用,我们后面再具体解析。

说到绿电制氢电源的解决方案,目前最典型的有这样几个方案:一是目前大型的工程,大量使用交流耦合制氢。这个技术路线非常成熟,风光通过交流电力,比如35千伏、10千伏通过变压器进行传输,可以并网也可以离网,适合多场景。还有风电一机一储的方案,快速响应PEM电机厂进行匹配。

直流耦合制氢可以分为低压和中高压直流耦合这两个具体方向,在一些场景相对于刚才的交流制氢具备更高大效率,主要是因为光伏、逆变器和上网变压器的环节。在一些场景,比方在低压耦合制氢的时候,通过1500伏电力进行传输到达近端的制氢工厂,通过隔离型DC/DC制氢电源。在中高压直流耦合制氢方向,国内10千伏或者20千伏进行远距离传输方案。这个方案在新能源侧需要把目前1500伏或者风电1140伏、1800伏,甚至10到20千伏中压,在制氢工厂侧又需要把10到20千伏的中压再转换成电解槽需要1000伏以下的电压。涉及到双边的升降压会比较大损失一定的效率,失去了交流和制氢可比的效率优势,当前的场景我认为中高压直流耦合制氢需要比较长的发展路程。同时,电解槽开关、中压直流保护技术等等,目前的成熟度有限,所以目前不是性价比特别高的方案。

谈到交流耦合制氢的方案,这是目前国内大规模制氢大量使用的。比较典型的传统SCR拓扑,一定要和绿电制氢场景进行结合,最大的特点是电解负荷会随着电力实时变化。在变化工况下,功率因素,损耗以及斜坡会影响到晶闸管电源效率,从而影响到整个系统的效率。另一方面,晶闸管电能质量分析,比较灵活绿电制氢工厂的调度,他希望制氢电源具备更好宽范围的调节和比较灵活的调节。

我们要想获得比较好的电能质量,通常我们会把电源分成多脉波形式一个小组进行调节。当你没有形成多脉波电解槽的分组,如果负荷率不一致会影响到系统。即使系统配置了电能质量装置,希望电源尽量小尺度灵活调节,在不同负荷率的情况下,比如30%的负荷率,有可能调节方法并不是所有的机组都调至30%,有可能是一部分机组停掉,一部分处在高负荷阶段,这样有可能打破原来多脉波的系统效果。

    电源侧会表征为不同的特征,是斜坡的影响,基于在高压侧去配置FC(高压滤波器)的方案有可能是对底层斜坡的放大效果,所以它的电能质量比较难以处理。

    在降负荷的时候可以把电源晶闸管推到比较大的角度实现毫秒级响应,但是在深负荷的时候必须调节变压器档位才能有比较好的电能质量,这样影响到整个系统的调节时间,基本上会是秒级以上的响应。

    相对而言,IGBT方案在整个电能质量和响应上有着它自己独有的一些特性,目前国内IGBT方案比较典型有单极方案和双极方案,里面有不同的拓扑。目前基于国内1000伏以下的电解槽,我们采用AC/DC+DC/CD方案具有更好的匹配性,更适合工作在800到1500伏左右的电解槽,目前只有海外有少量的电解槽是这样的电压等级。整体而言,它从性能上是折中的方案,因为它也需要变压器做多脉波处理,存在多脉波引起不均衡的问题以及斜坡的问题。我们还有一个比较好的特性,变压器的效率可以达到更高,在高压小电流基本上可以达到98%的效率。

一个比较有趣的现象,做电源效率分析的时候,从制氢电源角度来讲,在同等功率情况下,目前电解槽可见的电压区间,基本上1000伏以下,直流电压越高整个效率越好。IGBT电能质量基本上非常小,功率数在0.99以上,常见30%到110%负载,电压斜坡和电流斜坡基本上都在3%以下,可以去很好地匹配。

有些厂家跟我说IGBT是不是会产生谐振?它有很多方法可以抑制,比如采用大率波电源,在同等条件下,一方面它和电网斜坡具备很好的适应性,另外不会因为C而引起系统谐振。采用多重斩波的方案,让直流侧的电耗尽量降低。

IGBT一个重要的特点,比较高的开关频率带来了比较好的响应速度,不管有功还是无功的,响应时间都会在30毫秒以内,保证整个电源快速精准控制。SCR适用于相对稳定的电网,采用多脉波,配合电能质量装置改善供电质量。IGBT更适应新能源功率波动大,支撑能力弱、快速调节能力高的绿电场景,离网场景更应选择IGBT全控方案。

    当光伏电力超过了电解槽需求的时候,可以通过双向变流器把余电上网,一方面满足满负荷率的要求,另一方面满足了工作时长需求。直流耦合制氢拓扑大部分会采用双极DC/DC方案,一方面满足隔离要求,另一方面满足电解槽宽电压范围的需求,所以它的效率并没有大家想象是单极的,非常高的效率。

    我们基于光伏直接制氢5兆瓦1000标方的电源,电流波可以在1%以下,最高效率可以达到98%,全工作段的效率都会在96%以上,相较于交流耦合制氢大概提高了1-2个百分点。

绿电制氢电源方案从更顶层区分一下,我们要构建安全经济的新能源制氢供电系统。我们需要连接更大区域的风电和光伏场站,这样可以有效平缓风电和光伏波动性。风光资源相互之间进行耦合,也可以通过时空互补的方式去解决单一能源在局部尺度上的间歇性和波动性。交流耦合制氢,解决目前大规模制氢的电力问题,低压直流耦合可以构建小型的微电网,用晶闸管制氢可以解决绿电制氢场景中稳定负荷的问题,用IGBT可以解决新能源可变电量的问题,这个也是我们一些项目里边采用比较经济的方案。基于新型电力系统,未来在发电侧要求全面可观、可测、可控,在电网侧需要比较好的调节体系,在用电侧需要聚合海量可调节资源去支撑实时动态响应。未来,我认为制氢它是比较好的可调节资源,基于IGBT会更加适配新型电力系统快速执行和柔性互联要求。长远而言,晶闸管方案和IGBT方案会长期共存,但是我们认为全控方案是趋势。

    简单给大家介绍一下中车产品化方案。目前系列化产品最高电压可以达到1500伏,单机组功率可以到10兆瓦,最高效率达到98%,具备电网友好、模块化、高集成度和智能化的特点。目前通过模块化、平台化、系列化设计理念匹配国内各个厂家不同的电压电流需求。产品集成度非常高。高压系列基本上在3.8米宽度,电压系列在4.8米宽度,可以一定程度上减少绿电制氢电源的占地面积,同比更好跟越来越小的电解槽进行匹配。IGBT电源负载范围内有比较好的电网侧和负载侧性能,更好为场景进行服务。

    绿电制氢电源继承了中车高铁高品质和安全设计体系,很好地管理了目前在大电流场景的磁场以及相关的热,以及西北比较复杂环境的需求,结合绿电制氢场景需求有相关安全链路的设计。制氢电源用智能化的方案匹配未来制氢工厂自动化和智能化的需求。结构形态上有户内机、户外机、一体机方案,减少了现场拼装过程,使整个用户安装和调试更加便捷。目前,整个产品应该在国内2022年3月通过中石化IGBT揭榜挂帅项目和电解槽进行考核,今年6月内蒙古首个万吨级的绿电制氢项目配到我们公司电源成功出氢,制氢电源跟国内很多电解槽厂家以及系统集成商进行服务。

感谢大家的聆听,谢谢!

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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