一種光伏制氫多端口變流器研究

引言

伴隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)加速,風(fēng)光儲(chǔ)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(dòng)影響的供電設(shè)備。多端口變流器可以利用光伏、儲(chǔ)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(chǔ)能端口、制氫端口共四個(gè)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(dòng)操作的框架式隔離開關(guān),各個(gè)隔離開關(guān)位于各端口設(shè)備內(nèi)部,在各端口啟停時(shí)順序自動(dòng)控制,降低操作的復(fù)雜性。設(shè)備如圖2所示。

圖2多端口變流器現(xiàn)場圖

2端口設(shè)計(jì)

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(xiàng) 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(jì)額定電壓為AC480 V;儲(chǔ)能端口連接電池柜,設(shè)計(jì)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(duì)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(chǔ)能端口、制氫端口的開關(guān)分合均為各端口啟停時(shí)順序自動(dòng)控制。

2.2 匯流端口設(shè)計(jì)

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(shí),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(hào),匯流端口接入開關(guān)平時(shí)無須操作,配置為手動(dòng)+脫扣保護(hù)以節(jié)省成本,同時(shí)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(jì),同時(shí)考慮到線路損耗,設(shè)備直流母線額定電壓設(shè)計(jì)為DC750 V。

2.3 交流端口設(shè)計(jì)

項(xiàng) 目中設(shè)計(jì)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(shí)自動(dòng)控制。

交流端口采用兩電平DC/AC雙向設(shè)計(jì),LC拓?fù)?利用矢量合成SVPWM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(jì)額定電壓為DC750V,電壓范圍DC700~850 V。交流端口設(shè)計(jì)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(shí),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(chǔ)能端口設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能端口連接電池柜,根據(jù)項(xiàng)目容量比例配置儲(chǔ)能電池PACK,儲(chǔ)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(chǔ)能端口啟停機(jī)時(shí)自動(dòng)控制。

儲(chǔ)能端口采用兩電平雙向DC/DC變流設(shè)計(jì)^[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(chǔ)能電池側(cè)直流連接設(shè)計(jì)額定電壓為DC563V,直流電壓范圍 DC592~642 V,直流母線側(cè)額定電壓DC750 V。儲(chǔ)能端口設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.5制氫端口設(shè)計(jì)

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(shí)自動(dòng)控制。

制氫端口采用兩電平DC/DC設(shè)計(jì),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(jì)電壓范圍為DC0~450 V自適應(yīng)。制氫端口設(shè)計(jì)如圖7所示。

3設(shè)備運(yùn)行及驗(yàn)證

3.1端口運(yùn)行設(shè)計(jì)設(shè)備啟動(dòng)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(dòng)運(yùn)行,穩(wěn)定直流母線電壓, 目標(biāo)值DC750 V,為減小啟動(dòng)沖擊,采用軟啟動(dòng);

3)儲(chǔ)能端 口啟動(dòng)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(dòng)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(shí),交流端口通過交流側(cè)預(yù)充可以直接啟動(dòng),制氫端口優(yōu)先使用儲(chǔ)能端口電能;

2)制氫端口接入異常時(shí),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(shí),儲(chǔ)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(yàn)證

設(shè)備在項(xiàng)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8交流端口電流波形

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。

圖9交直流端口電壓/電流波形

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(shí),解決了光伏發(fā)電受日照影響較大的問題。該設(shè)備在項(xiàng)目上的成功應(yīng)用提升了制氫車間供電的穩(wěn)定性,同時(shí)充分利用光伏、儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)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(dòng)的DCDC變換器[J].價(jià)值工程 ,2018 ,37(15): 132-133.

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

2024年第10期第16篇