臺(tái)達(dá)大功率電源研發(fā)部楊文強(qiáng)博士受邀于2024年7月11-12日在江蘇鹽城舉辦的 2024(第四屆)可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇做主題報(bào)告《可再生能源制氫電源及離并網(wǎng)制氫系統(tǒng)解決方案》。

　　報(bào)告介紹

　　報(bào)告將首先介紹可再生能源制氫對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要作用，分析波動(dòng)性風(fēng)光發(fā)電制氫場(chǎng)景下制氫電源面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，對(duì)比現(xiàn)有的制氫電源技術(shù);針對(duì)綠色化、低成本的氫氣需求導(dǎo)致的制氫來(lái)源的高可再生能源占比和規(guī)?；螅治鰧?duì)比不同的離并網(wǎng)制氫系統(tǒng)解決方案。然后，分享基于直流微網(wǎng)的大規(guī)模離并網(wǎng)風(fēng)光制氫示范工程情況。最后，提出大功率制氫電源和大規(guī)模離并網(wǎng)可再生能源制氫系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　制氫電源主流技術(shù)路線

　　晶閘管(SCR)制氫電源

　　晶閘管電源是一種以晶閘管為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)字電路控制晶閘管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)交流到直流變換的整流設(shè)備，能夠在高電壓、大電流條件下工作。然而，由于晶閘管只能控制導(dǎo)通而不能關(guān)斷，需依靠電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，因此被稱為半控制型整流器。

　　晶閘管制氫電源的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)成熟，適用于大功率場(chǎng)景。但其缺點(diǎn)在于存在低負(fù)荷下高諧波，功率因數(shù)較低的問(wèn)題，需要配備諧波和無(wú)功補(bǔ)裝置，導(dǎo)致綜合轉(zhuǎn)化效率較低。此外，晶閘管電源的響應(yīng)速度和功率調(diào)節(jié)速度較慢，在高波動(dòng)性風(fēng)光制氫場(chǎng)景應(yīng)用中受到一定制約。

　　因此，晶閘管電源未來(lái)的主要突破方向是在低負(fù)荷運(yùn)行情況下如何減少諧波、提高功率因數(shù)，以提升晶閘管制氫電源的整體性能，使其在更多的應(yīng)用場(chǎng)景中具備競(jìng)爭(zhēng)力。

　　絕緣柵雙極晶體管(IGBT)制氫電源

　　IGBT電源是一種以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為基礎(chǔ)，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)交流到直流變換的整流設(shè)備。廣泛應(yīng)用于多種電子設(shè)備中的高效快速開(kāi)關(guān)，具備耐高壓、導(dǎo)通壓降低、開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)。因其具有低諧波、響應(yīng)速度快、綜合轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電設(shè)施的影響較小。

　　相比于晶閘管，IGBT增加了關(guān)斷功能，因此屬于全控型整流器。IGBT制氫電源在低負(fù)荷運(yùn)行條件下具有較高效率。根據(jù)能景研究，當(dāng)制氫系統(tǒng)負(fù)載位于12.5%-100%區(qū)間時(shí)，IGBT電源的整流效率可滿足≥80%的要求，而綠氫項(xiàng)目在運(yùn)行過(guò)程中約有45%的時(shí)間處于低負(fù)荷狀態(tài)，因此使用IGBT電源有助于降低制氫系統(tǒng)的電力損耗。

　　IGBT制氫電源的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

　　1.對(duì)電網(wǎng)友好性突出

　　相比晶閘管，IGBT的開(kāi)關(guān)控制更為精細(xì)，頻率更高，產(chǎn)生的諧波也較少，整流效率更高。較低的諧波含量和較高的功率因數(shù)，使系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)具有更佳的電網(wǎng)友好性。

　　2.功率響應(yīng)速度更快

　　可再生能源發(fā)電的較大波動(dòng)性要求制氫系統(tǒng)具備較快的響應(yīng)速度。晶閘管電源的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度一般在秒級(jí)，而IGBT制氫電源則在毫秒級(jí)。

　　3.在全功率范圍內(nèi)效率更高

　　由于可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性，制氫系統(tǒng)可能在一段時(shí)間內(nèi)處于非滿載運(yùn)行狀態(tài)。IGBT制氫電源在低負(fù)荷工況下的效率能達(dá)到96%以上，而晶閘管電源的功率輸出效率一般在93%-95%之間。

　　從長(zhǎng)期來(lái)看，由于IGBT制氫電源具有優(yōu)異的整流特性和電網(wǎng)適配性，因此吸引了大量公司研發(fā)和生產(chǎn)。在未來(lái)弱并網(wǎng)或純離網(wǎng)制氫的趨勢(shì)下，IGBT憑借與風(fēng)光波動(dòng)電力更高的匹配性，其市場(chǎng)份額將進(jìn)一步擴(kuò)大，成為制氫電源的主流選擇。

　　可再生能源制氫系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

　　隨著全球能源需求的不斷增長(zhǎng)和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源制氫技術(shù)顯得尤為重要。在可再生能源制氫系統(tǒng)中，核心設(shè)備包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電裝置、電解水制氫裝置、儲(chǔ)能裝置、儲(chǔ)氫系統(tǒng)等。這些設(shè)備需要通過(guò)電力電子變換器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　大功率制氫電源的特點(diǎn)是低壓大電流且需耐受電壓、電流紋波小。多相交錯(cuò)并聯(lián)Buck變換器的應(yīng)用方案可以提高系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，具體的控制策略包括改進(jìn)的下垂控制和交錯(cuò)并聯(lián)控制等，以實(shí)現(xiàn)更高效的電能利用 。

　　直流微電網(wǎng)架構(gòu)在制氫系統(tǒng)中具有天然優(yōu)勢(shì)，能夠更好地適應(yīng)風(fēng)光發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性 。

　　在離并網(wǎng)制氫系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在并網(wǎng)和孤島運(yùn)行模式之間的平穩(wěn)過(guò)渡，是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)，具體包括開(kāi)發(fā)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)風(fēng)光發(fā)電波動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)控技術(shù)，以確保制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;建立涵蓋電力、氫能的綜合能源管理系統(tǒng)，優(yōu)化能源的分配和使用，提高整體效率 。

　　圖 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：A為光伏發(fā)電,B為風(fēng)力發(fā)電,C為電解槽,D為燃料電池,E為儲(chǔ)氫罐,F為工業(yè)用氫,G為加氫站,H為運(yùn)氫車

　　臺(tái)達(dá)柔性智能綠電制氫系統(tǒng)解決方案

　　“以電定氫”：精準(zhǔn)控制設(shè)備，穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行

　　為解決綠電制氫系統(tǒng)中可再生能源的寬功率波動(dòng)、電氫耦合及離網(wǎng)制氫的難題，臺(tái)達(dá)提出了“以電定氫”控制原則的柔性綠電制氫系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)光功率預(yù)測(cè)、穩(wěn)定控制、能量調(diào)度及集群控制，實(shí)現(xiàn)制氫負(fù)荷與風(fēng)光出力的動(dòng)態(tài)平衡，確保設(shè)備的精準(zhǔn)控制和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　系統(tǒng)特點(diǎn)

　　1.柔性：柔性風(fēng)光儲(chǔ)氫能量管理、制氫電源及電解槽集群控制、制儲(chǔ)氫協(xié)同控制

　　2.安全：關(guān)鍵設(shè)備在線檢測(cè)與診斷、多級(jí)安全防護(hù)系統(tǒng)

　　3.高效：大功率高效制氫電源、大容量低功耗電解制氫系統(tǒng)

　　4.智慧：綠氫工廠智能診斷與運(yùn)維、綠氫工廠能耗檢測(cè)與優(yōu)化

　　高效IGBT制氫整流電源AC/DC

　　臺(tái)達(dá)制氫電源面向千方級(jí)及以上水電解槽制氫應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)高效地提供所需直流電能。中壓電網(wǎng)側(cè)無(wú)需額外增加電能質(zhì)量治理裝置，適應(yīng)可再生能源綠電制綠氫的寬范圍動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)需求。

　　1.20%~110%寬功率運(yùn)行范圍，完美適配可再生能源功率波動(dòng)性

　　2.整個(gè)功率運(yùn)行范圍內(nèi)功率因數(shù)≥ 0.95，最高效率≥ 97%

　　3.直流高壓和大電流兩個(gè)版本，適配不同技術(shù)方案的千方水電解槽

　　4.模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展到20MW及以上

　　高效IGBT制氫直流電源 DC/DC

　　面向直流微電網(wǎng)水電解槽制氫應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)高效地提供水電解槽所需直流電能，適應(yīng)直流微網(wǎng)可再生能源綠電制綠氫的需求。

　　1.20%~110%寬功率運(yùn)行范圍，完美適配可再生能源功率波動(dòng)性

　　2.滿載最高效率≥98.9%

　　3.微秒級(jí)故障保護(hù)

　　4.模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展到20MW及以上

　　柔性風(fēng)光制氫能量管理系統(tǒng)

　　通過(guò)風(fēng)光發(fā)電功率預(yù)測(cè)，以電定氫，實(shí)現(xiàn)寬波動(dòng)可再生能源發(fā)電功率與制氫負(fù)荷的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)制氫電源及電解槽集群控制、風(fēng)光制氫經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管控優(yōu)化及制氫站智能診斷與運(yùn)維管理。

　　可再生能源綠氫仿真系統(tǒng)

　　面向不同可再生能源制氫場(chǎng)景，建立高精度系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行各種運(yùn)行工況的仿真分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，形成綜合效益最優(yōu)的系統(tǒng)配置方案和技術(shù)方案。

　　圖 臺(tái)達(dá)可再生能源IGBT制氫電源

　　嘉賓介紹

　　楊文強(qiáng)，博士，臺(tái)達(dá)電子(上海)大功率電源研發(fā)部設(shè)計(jì)工程經(jīng)理。2002年在華中科技大學(xué)獲得電氣工程博士學(xué)位，2002年-2004年在上海交通大學(xué)從事博士后研究。2004年加入通用電氣中國(guó)研發(fā)中心，2012年開(kāi)始擔(dān)任電氣技術(shù)首席研究員。2017年6月加入北京低碳清潔能源研究院，擔(dān)任主任工程師兼智慧能源系統(tǒng)研發(fā)部經(jīng)理。2023年1月入職臺(tái)達(dá)電子(上海)。

　　長(zhǎng)期從事大功率可再生能源制氫電源及大規(guī)模風(fēng)光離并網(wǎng)制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)集成與控制、風(fēng)光發(fā)電與并網(wǎng)等技術(shù)研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。近年來(lái)主持5MW~20MW模塊化IGBT制氫電源系列產(chǎn)品及大規(guī)?？稍偕茉措x并網(wǎng)制氫系統(tǒng)方案開(kāi)發(fā)。曾作為課題負(fù)責(zé)人完成國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)制儲(chǔ)氫關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2018YFB1503100)，主持開(kāi)發(fā)基于直流微網(wǎng)的離并網(wǎng)風(fēng)光制儲(chǔ)氫系統(tǒng)集成、運(yùn)行控制與能量管理技術(shù)，首次提出可再生能源制氫“以電定氫”的系統(tǒng)控制原則，以實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電電能的最大化利用;主持研制當(dāng)時(shí)(2020年)業(yè)界功率最大、效率最高(5.7MW/98.9%) DC/DC IGBT制氫電源、業(yè)界首套可再生能源發(fā)電制儲(chǔ)運(yùn)加氫一體化監(jiān)控與安全保護(hù)系統(tǒng); 作為技術(shù)負(fù)責(zé)人，完成當(dāng)時(shí)(2022年)世界上規(guī)模最大風(fēng)光互補(bǔ)制儲(chǔ)氫(6MW風(fēng)、2MW光、1MW/1MWh儲(chǔ)、單臺(tái)1200Nm3/小時(shí)電解槽)示范工程建設(shè)、調(diào)試和試運(yùn)行，服務(wù)于北京冬奧會(huì)張家口賽區(qū)。

　　作為骨干參加國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2項(xiàng)。獲得國(guó)內(nèi)外授權(quán)專利20余項(xiàng)(其中美國(guó)授權(quán)專利11項(xiàng)，歐洲專利6項(xiàng))?，F(xiàn)擔(dān)任中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)常務(wù)理事，《電力電子技術(shù)》雜志編委，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事。

　　臺(tái)達(dá)創(chuàng)立于 1971 年，為全球提供電源管理與散熱解決方案，逐步從關(guān)鍵元器件制造商邁入整體節(jié)能解決方案提供者，深耕“電源及元器件”、“交通”、“自動(dòng)化”與“基礎(chǔ)設(shè)施”四大事業(yè)范疇。臺(tái)達(dá)秉持“環(huán)保 節(jié)能 愛(ài)地球”的經(jīng)營(yíng)使命，將企業(yè)可持續(xù)發(fā)展與商業(yè)模式相結(jié)合，持續(xù)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新節(jié)能產(chǎn)品及解決方案、不斷提升產(chǎn)品的能源轉(zhuǎn)換效率，以減輕全球變暖對(duì)人類生存的沖擊。

　　臺(tái)達(dá)于 1992 年進(jìn)入中國(guó)大陸市場(chǎng)，目前已在廣東東莞、江蘇吳江、安徽蕪湖、 湖南郴州設(shè)立主要生產(chǎn)基地，并于 2022 年在重慶投入建設(shè)西部制造基地。在上海設(shè)有區(qū)域運(yùn)營(yíng)中心及研發(fā)中心，以及負(fù)責(zé)市場(chǎng)營(yíng)銷與服務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的“中達(dá)電通股份有限公司”，為客戶提供本地化、個(gè)性化、 全方位的服務(wù)保障。