一種光伏制氫多端口變流器研究

摘 要：介紹了一種光伏制氫多端口變流器的設計原理、組成與各端口特性，該設備可應用于光伏電站配屬的制氫站，給制氫車間電解槽提供穩定的可調電源。實驗證明：在光伏制氫應用中，該設備具有為制氫車間提供穩定的可調電源，在光伏區功率突變或退出后仍然可以持續供電的優點。

關鍵詞：光伏制氫；多端口變流器；匯流端口；交流端口；儲能端口；制氫端口

中圖分類號：TM46? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）10-0063-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.10.016

0? ? 引言

伴隨著新型電力系統建設加速，風光儲新能源和電力電子器件在電網系統中占比持續增加，新能源取代傳統能源是必然趨勢。2017年以來，中國氫氣產業呈現爆發式發展。氫燃料補給站作為氫能的交通基礎設施，在全國許多城市都有建設和分布，因此，依托新能源場站電解水制氫需求明顯，尤其是西北等偏遠地區需求更為突出[1]。

供電設備作為制氫的關鍵環節之一，可靠穩定的供電設備尤為重要，尤其是不受光伏波動影響的供電設備。多端口變流器可以利用光伏、儲能、電網多接口給制氫車間提供穩定的電源，確保制氫的生產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、儲能端口、制氫端口共四個端口組成。

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雜性，各端口與母線之間配置電動操作的框架式隔離開關，各個隔離開關位于各端口設備內部，在各端口啟停時順序自動控制，降低操作的復雜性。設備如圖2所示。

2? ? 端口設計

2.1? ? 端口連接

匯流端口連接光伏區接入的多路智能MPPT匯流箱（以下簡稱MPPT），在本次項目中設有24路接口；交流端口經站內配置的變壓器連接電網，交流端口設計額定電壓為AC480 V；儲能端口連接電池柜，設計額定電壓為DC563 V；制氫端口通過管母連接制氫車間電解設備。多端口變流器的外部連接設備示意圖如圖3所示。

多端口變流器的各端口與外接設備之間配置對應的交/直流開關，開關位于各端口設備內部，除匯流端口之外，交流端口、儲能端口、制氫端口的開關分合均為各端口啟停時順序自動控制。

2.2? ? 匯流端口設計

為滿足多路MPPT接入要求，匯流端口配備多路開關供MPPT接入，同時，為了方便檢修與安全隔離，多路MPPT接入開關與多端口變流器內部直流母線之間配置框架式電操隔離開關。

QF-QFN為各MPPT接入開關編號，匯流端口接入開關平時無須操作，配置為手動+脫扣保護以節省成本，同時各開關狀態使用指示燈引出以方便運維人員的日常巡檢。匯流端口外部設備接入示意圖如圖4所示。

MPPT額定輸出電壓為DC800 V，設備的匯流端口采用最高接入電壓為DC1 000 V的設計，同時考慮到線路損耗，設備直流母線額定電壓設計為DC750 V。

2.3? ? 交流端口設計

項目中設計交流端口通過37/0.48 kV干式變壓器接入光伏站35 kV母線段，交流端口兩側均配置開關，為交流端口啟停時自動控制。

交流端口采用兩電平DC/AC雙向設計，LC拓撲，利用矢量合成SVPWM調制方式[2]，采用交直流側自適應充電策略，優先使用直流母線側緩充，直流連接設計額定電壓為DC750 V，電壓范圍DC700～850 V。交流端口設計一次拓撲如圖5所示。

直流輸出端口配置隔離開關+熔斷器方式，交流端口采用斷路器，DC/AC故障時，斷開交直流開關，光伏陣列發的電經過DC/DC可直接給制氫設備供電。

2.4? ? 儲能端口設計

儲能端口連接電池柜，根據項目容量比例配置儲能電池PACK，儲能端口輸出、輸入側配置隔離開關+熔斷器，隔離開關均為儲能端口啟停機時自動控制。

儲能端口采用兩電平雙向DC/DC變流設計[3]，采用三橋臂三支路+LC拓撲結構，使用雙直流側自適應充電策略，優先使用直流母線側緩充，儲能電池側直流連接設計額定電壓為DC563 V，直流電壓范圍DC592～642 V，直流母線側額定電壓DC750 V。儲能端口設計如圖6所示。

2.5? ? 制氫端口設計

制氫端口通過管母連接制氫車間電解設備，制氫端口輸出、輸入側配置隔離開關+熔斷器，均為制氫端口啟停機時自動控制。

制氫端口采用兩電平DC/DC設計，采用四橋臂四支路+LC拓撲結構，使用單直流側充電策略，制氫端口設計電壓范圍為DC0～450 V自適應。制氫端口設計如圖7所示。

3? ? 設備運行及驗證

3.1? ? 端口運行設計

設備啟動運行：

1）匯流端口各開關閉合，匯流端口給直流母線提供支撐電壓；

2）交流端口啟動運行，穩定直流母線電壓，目標值DC750 V，為減小啟動沖擊，采用軟啟動；

3）儲能端口啟動運行，直流母線電壓目標值DC750 V，設有充放電電壓上下限觸發閾值及SOC熱待機閾值；

4）制氫端口啟動運行，根據生產要求控制輸出功率。

幾種可能存在的運行工況簡述：

1）匯流端口接入異常時，交流端口通過交流側預充可以直接啟動，制氫端口優先使用儲能端口電能；

2）制氫端口接入異常時，光伏區發電通過交流端口輸送電網；

3）交流端口接入異常時，儲能端口平衡直流母線電壓，并根據光功率預測控制制氫端口出力。

多端口變流器優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? ? 設備運行驗證

設備在項目中運行正常穩定，圖8所示為交流端口投入初始電流波形，交流端口在穩定直流母線電壓方面采用在近母線側多配置支撐電容加提高開關頻率方式降低母線電壓紋波。

圖9為多端口變流器交流端口、制氫端口輸入側電壓/電流波形，直流電壓紋波與諧波畸變率均滿足變流器國標[4]與運行要求，其中電壓諧波遠低于標準的2%，控制在1%以下。

4? ? 結束語

多端口變流器供電設備在利用光伏源頭電力的同時，解決了光伏發電受日照影響較大的問題。該設備在項目上的成功應用提升了制氫車間供電的穩定性，同時充分利用光伏、儲能減少了生產用電成本，為電力生產的優化配置提供了強有力的支持。

[參考文獻]

[1] 周強，楊仕友.中國西北地區新能源發展總結與展望[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新算法研究與實現[J].工業儀表與自動化裝置，2015（3）：37-39.

[3] 陳麗英，趙國權，梁培文，等.能量雙向流動的DCDC變換器[J].價值工程，2018，37（15）：132-133.

[4] 電化學儲能系統儲能變流器技術規范：GB/T 34120—2017[S].

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：郭偉（1989—），男，江蘇泗洪人，工程師，研究方向：電力電子應用技術。