一种光伏制氢多端口变流器研究

引言

伴随着新型电力系统建设加速,风光储新能源和电力电子器件在电网系统中占比持续增加,新能源取代传统能源是必然趋势。2017年以来,中国氢气产业呈现爆发式发展。氢燃料补给站作为氢能的交通基础设施,在全国许多城市都有建设和分布,因此,依托新能源场站电解水制氢需求明显,尤其是西北等偏远地区需求更为突出^[1]。

供电设备作为制氢的关键环节之一,可靠稳定的供电设备尤为重要,尤其是不受光伏波动影响的供电设备。多端口变流器可以利用光伏、储能、电网多接口给制氢车间提供稳定的电源,确保制氢的生产不受光照等因素影响。

1光伏制氢多端口变流器

如图1所示,光伏制氢多端口变流器由汇流端口、交流端口、储能端口、制氢端口共四个端口组成。

各端口之间使用同一母线连接,以减少电缆的使用成本与连接的复杂性,各端口与母线之间配置电动操作的框架式隔离开关,各个隔离开关位于各端口设备内部,在各端口启停时顺序自动控制,降低操作的复杂性。设备如图2所示。

图2多端口变流器现场图

2端口设计

2.1端口连接

汇流端口连接光伏区接入的多路智能MPPT汇流箱(以下简称MPPT),在本次项 目中设有24路接口;交流端口经站内配置的变压器连接电网,交流端口设计额定电压为AC480 V;储能端口连接电池柜,设计额定电压为DC563 V;制氢端口通过管母连接制氢车间电解设备。多端口变流器的外部连接设备示意图如图3所示。

多端口变流器的各端口与外接设备之间配置对应的交/直流开关,开关位于各端口设备内部,除汇流端口之外,交流端口、储能端口、制氢端口的开关分合均为各端口启停时顺序自动控制。

2.2 汇流端口设计

为满足多路MPPT接入要求,汇流端口配备多路开关供MPPT接入,同时,为了方便检修与安全隔离,多路MPPT接入开关与多端口变流器内部直流母线之间配置框架式电操隔离开关。

QF—QFN为各MPPT接入开关编号,汇流端口接入开关平时无须操作,配置为手动+脱扣保护以节省成本,同时各开关状态使用指示灯引出以方便运维人员的日常巡检。汇流端口外部设备接入示意图如图4所示。

MPPT额定输出电压为DC800 V,设备的汇流端口采用最高接入电压为DC1 000 V的设计,同时考虑到线路损耗,设备直流母线额定电压设计为DC750 V。

2.3 交流端口设计

项 目中设计交流端口通过37/0.48 kV干式变压器接入光伏站35 kV母线段,交流端口两侧均配置开关,为交流端口启停时自动控制。

交流端口采用两电平DC/AC双向设计,LC拓扑,利用矢量合成SVPWM调制方式^[2],采用交直流侧自适应充电策略,优先使用直流母线侧缓充,直流连接设计额定电压为DC750V,电压范围DC700~850 V。交流端口设计一次拓扑如图5所示。

直流输出端口配置隔离开关+熔断器方式,交流端口采用断路器,DC/AC故障时,断开交直流开关,光伏阵列发的 电经过DC/DC可直接给制氢设备供电。

2.4储能端口设计

储能端口连接电池柜,根据项目容量比例配置储能电池PACK,储能端口输出、输入侧配置隔离开关+熔断器,隔离开关均为储能端口启停机时自动控制。

储能端口采用两电平双向DC/DC变流设计^[3],采用三桥臂三支路+LC拓扑结构,使用双直流侧自适应充电策略,优先使用直流母线侧缓充,储能电池侧直流连接设计额定电压为DC563V,直流电压范围 DC592~642 V,直流母线侧额定电压DC750 V。储能端口设计如图6所示。

2.5制氢端口设计

制氢端口通过管母连接制氢车间电解设备,制氢端口输出、输入侧配置隔离开关+熔断器,均为制氢端口启停机时自动控制。

制氢端口采用两电平DC/DC设计,采用四桥臂四支路+LC拓扑结构,使用单直流侧充电策略,制氢端口设计电压范围为DC0~450 V自适应。制氢端口设计如图7所示。

3设备运行及验证

3.1端口运行设计设备启动运行:

1)汇流端口各开关闭合,汇流端口给直流母线提供支撑电压;

2)交流端口启动运行,稳定直流母线电压, 目标值DC750 V,为减小启动冲击,采用软启动;

3)储能端 口启动运行,直流母线电压 目标值 DC750 V,设有充放电电压上下限触发阈值及SOC热待机阈值;

4)制氢端口启动运行,根据生产要求控制输出功率。

几种可能存在的运行工况简述:

1)汇流端口接入异常时,交流端口通过交流侧预充可以直接启动,制氢端口优先使用储能端口电能;

2)制氢端口接入异常时,光伏区发电通过交流端口输送电网;

3)交流端口接入异常时,储能端口平衡直流母线电压,并根据光功率预测控制制氢端口出力。

多端口变流器优先的能量传输路径为MPPT—汇流端口—DC/DC—制氢车间,此路径电能损耗最小。

3.2设备运行验证

设备在项目中运行正常稳定,图8所示为交流端口投入初始电流波形,交流端口在稳定直流母线电压方面采用在近母线侧多配置支撑电容加提高开关频率方式降低母线电压纹波。

图8交流端口电流波形

图9为多端口变流器交流端口、制氢端口输入侧电压/电流波形,直流电压纹波与谐波畸变率均满足变流器国标^[4]与运行要求,其中电压谐波远低于标准的2%,控制在1%以下。

图9交直流端口电压/电流波形

4结束语

多端口变流器供电设备在利用光伏源头电力的同时,解决了光伏发电受日照影响较大的问题。该设备在项目上的成功应用提升了制氢车间供电的稳定性,同时充分利用光伏、储能减少了生产用电成本,为电力生产的优化配置提供了强有力的支持。

[参考文献]

[1]  周强 ,杨仕友. 中国西北地区新能源发展总结与展望[J].中国能源 ,2018 ,40(10):25-32.

[2]  常国祥 ,杨金龙 ,刘岫岭 ,等.两电平SVPWM新算法研究与实现[J].工业仪表与自动化装置 ,2015(3):37-39.

[3]  陈丽英 ,赵国权 ,梁培文 ,等.能量双向流动的DCDC变换器[J].价值工程 ,2018 ,37(15): 132-133.

[4] 电化学储能系统储能变流器技术规范:GB/T  34120— 2017[S].

2024年第10期第16篇