大規模電解水制氫的諧波解析與解決方案
《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》指出，可再生能源制氫在終端能源消費中的比重將明顯提升，對能源綠色轉型發展起到重要支撐作用，意味著電解水制氫的比例將不斷加大。
隨著大規模電解水制氫的發展，其中一個關于供電的重要指標“諧波”越來越受到業界的廣泛關注。在此將對什么是諧波、諧波的危害及如何處理諧波進行介紹。
一、什么是諧波
在談到諧波之前，先介紹下什么是基波，在我國的交流電網上，50HZ的正弦波可稱為“基波”，同時電壓會在負載上產生形狀類似的電流波形，如下圖所示，”u”為電壓，“i”為電流波形。
圖1 線性負荷的電壓及電流波形
但在實際的應用中，負載并不是完全線性的，雖然電網電壓還是50HZ正弦波，但是電流可能因為非線性負載而產生非正弦波，此時的波形可能如下圖所示。非線性負荷種類繁多，例如不間斷電源、開關電源、IGBT電源、整流器、變頻器、變頻空調、感應加熱爐、電子計算機、充電器等。
圖2 非線性負荷的電壓及電流波形
雖然電網輸入源是一樣的，但是圖1和圖2的電流波形并不一樣，如果將圖1的線性負荷波形理解成基波，那么圖2中的電流波形與圖1波形的差異，即是諧波。
根據數學原理，通過傅里葉分解可將非線性負荷的波形拆分為50Hz的倍數頻率的波形，基波（50HZ）之外的統稱為諧波，其倍數即是諧波的“次數”，常見的有5次、7次、11次等。5次諧波，即可理解成50HZ的5倍頻率的分量波形，即250HZ的分量。
圖3
圖4
二、諧波的危害
諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴重過熱；使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。引起電網諧振，使得諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統，特別是對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，經常使電容器和電抗器燒毀。諧波會導致繼電保護，特別是微機綜合保護器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經濟損失。
三、諧波相關標準
我國針對諧波的標準為GB/T14549-1993《電能質量：公用電網諧波》，對電流諧波和電壓諧波的規定如下：
表1
表2
國際上針對諧波的標準為IEEE 519-2014，電流諧波和電壓諧波的規定如下：
表3
表4
一、大規模電解水制氫降低諧波措施
針對大規模電解水制氫（500方/小時、1000方/小時及以上產氫量的電解水制氫制氫設備）的整流裝置，目前有兩種主流的降低諧波的整流產品，一是多脈波晶閘管整流，二是IGBT PWM整流+DC/DC斬波。
英特利公司設計生產的多脈波晶閘管整流系統已在多個多臺1000方項目現場使用，在無需增加濾波裝置的情況下，通過單臺24脈波或12脈波+多脈波移相技術可實現比較理想的電流及電壓諧波。即使制氫設備處于不同負荷時，也能滿足諧波要求。
圖5英特利整流柜張家口冬奧項目現場
圖6英特利整流柜寶豐項目現場
圖7英特利整流柜亞洲硅業項目現場
圖8英特利整流柜中石化測試現場
經現場測試，單臺24脈波運行時（單臺運行時為諧波最惡劣的情況）電流諧波總畸變率約為3-4%，電壓諧波約為1.1%。經多臺移相后，即使在不均衡負荷時非理想48脈波的電流諧波也可達到約3%。
圖9
圖10
且針對大規模制氫的應用場景，制氫設備數量越多，可移相組成更高脈波數（如60脈波、72脈波、96脈波），諧波效果越好，可使電流諧波控制在1%以內。無需額外增加諧波濾波裝置，大大節約了成本和占地面積。
IGBT PWM整流+DC/DC斬波方案通過PWM整流電路可使電流諧波低于3%，也能達到低諧波的效果，但目前此方案的成本代價較高。
二、電解水制氫整流相關的其他重要指標
除了諧波之外，與整流系統相關的其他一些指標也比較關鍵，如可靠性、轉換效率、功率因數、投資成本、不同電解槽的適應性、占地面積、維護量等。
針對500方以上的電解水制氫設備，晶閘管整流可實現功率因數0.95（不增加補償裝置情況下）、效率≥98.5%、能適應各種電解槽的電流需求（目前應用在電解水制氫最大電流到35kA）、技術成熟可靠、投資成本低、占地面積小、維護量小。
英特利公司專注于整流設備的研發、設計、制造、服務20余年，被評為湖北省專精特新“小巨人”企業。產品包括晶閘管整流電源、IGBT高頻開關電源、IGBT PWM整流電源、IGBT斬波電源、DC/DC光伏制氫電源，可為電解水制氫設備提供多種整流解決方案，曾參與70余個電解水制氫項目，并出口到德國、荷蘭、韓國、日本、巴西、印度等多個國家的電解水制氫市場，與國內外的電解水制氫設備廠家建立了長期合作。
三、英特利電解水制氫整流一站式解決方案
英特利為可再生能源制氫提供一站式整流解決方案，可覆蓋單臺5Nm3/h到4000Nm3/h的電解水制氫設備，根據產氫量、電源參數、供電特性、現場布局等具體情況，提供定制化的性能更優、成本更優的配置方案，單臺功率可從20kW到20MW，有5種可選產品：晶閘管整流器、PWM整流器、IGBT斬波電源、IGBT高頻開關電源、DC/DC光伏直供變流器，可滿足光伏制氫、風電制氫的特性，近期中標國內外多個光伏制氫、風電制氫整流項目。
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