电解水制氢整流原理及二次设备选型
安科瑞电气股份有限公司 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，是化石能源制氢主要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优化方案之一。
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
名称 | 图片 | 型号 | 功能 | 应用 |
进线保护监测 |
| AM5SE-F | 具有带方向元件的三段式过流保护，重合闸，过负荷告警、跳闸，过电压告警、跳闸等功能对线路进行保护 | 10kV进线 |
| APView500 | 实时监测两路三相回路电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、谐波、电压暂升/暂降/短时中断、电压电流瞬态监测等电能质量，记录各类电能质量事件，记录事件发生前后的波形，辅助用户分析电能质量，满足A级电能质量监测 | 10kV进线 | |
变压器保护 |
| AM5SE-T | 具有带方向元件的三段式过流保护，两段零序过流保护，过负荷保护，具备非电量保护，如高温超温保护，瓦斯保护等保护功能 | 进线柜 |
PT测控 |
| AM5SE-UB | 监测母线三相/线电压、零序电压，并具备过压/欠压/零序过压告警 | PT柜 |
电容器保护 |
| AM5SE-C | 三段式过流保护，过/欠电压保护、不平衡电流/电压保护、零序过流保护等功能 | 10kV电容器、电抗器 |
弧光保护 |
| ARB6 | 适用于开关柜弧光信号和电流信号的采集，并控制进线、母联或母线上所有开关柜分闸 | 10kV母线 |
三侧差动保护 |
| AM5SE-D3 | 整流变三侧差动保护，具备比率制动、二/五次谐波制动，区内相间短路、绕组匝间短路、引线短路瞬时跳闸 | 整流变 保护测控 |
网侧、阀侧后备保护 | AM5SE-TB | 三侧均配置三段相间过流，两段零序过流，两段间隙过流保护、复合电压闭锁、两段零序过压保护，断路器控制 | ||
非电量保护 | AM5SE-FD | 重瓦斯、轻瓦斯、超温、过温、压力释放保护和告警 | ||
测控装置 | AM5SE-K | 遥测、遥信、遥控 |
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
名称 | 图片 | 型号 | 功能 | 应用 |
防孤岛保护 |
| AM5SE-IS | 保护电力系统的稳定运行，电网停电时能迅速切断进线断路器，防止孤岛模式向电网反送电，保障电力设备和人员的安全。 | 光伏 并网柜 |
防逆流保护 | AM5SE-IS | 当光伏电站禁止向电网返送电能的场景下安装在进线柜，监测到逆功率越限可依次断开光伏并网柜，有效防止电能返送电网。 | 进线柜 | |
主从防逆流装置 | AM6-PVM AM6-PVS | 适用于进线柜和并网柜距离较远的防逆流场景，分为防逆流主机和从机，主机安装在进线柜检测逆功率，通过光纤和从机通信，从机安装在并网点，接收主机命令合分光伏并网断路器实现防逆流。 | 进线柜、并网柜 | |
电能质量监测装置 |
| APView500PV | 实时监测一路三相路电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、谐波、电压暂升/暂降/短时中断、电压电流瞬态监测等电能质量 | 光伏 并网柜 |
三合一箱变测控装置 |
| AM6-PWC | 集变压器差动保护/过流保护/温度等非电量保护、变压器温度测量/4-20mA变送输出等测控功能、通讯管理机功能、交换机功能于一体。 | 升压箱变 |
3.0.4kV保护测控
0.4kV部分主要包含0.4kV水泵、电机、线路保护，如补水泵、配碱泵、冷却水供/回水泵、冷冻水供/回水泵、压缩机等。
图4 0.4kV部分保护配置
名称 | 图片 | 型号 | 功能 | 应用 |
电动机测控装置 |
| ARD3M | 适用于额定电压至 660V 的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于一体。（过流、欠流）、电压的（过压、欠压）及断相、堵转、短路、漏电、三相不平衡、过热、接地、轴承磨损、定转子偏心时、绕组老化予以报警或保护控制。 | 低压电动机保护控制 |
抗晃电装置 |
| ARD-KHD | 电压短暂失压时防止接触器脱扣，电压恢复后不间断运行，避免系统受到冲击。 | 抗晃电 |
线路保护 |
| ALP500 | 三段过电流保护，反时限过流保护，零序过流保护，功率保护等等，具备三相电气参数测量，状态采集和开关控制等功能。 | 0.4kV重要馈线 |
无功补偿控制器 |
| ARC | 根据目标功率因数投切电容器实现无功补偿 | 无功补偿控制 |
4. 直流绝缘监测
