大规模电解水制氢的谐波解析与解决方案

《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》指出，可再生能源制氢在终端能源消费中的比重将明显提升，对能源绿色转型发展起到重要支撑作用，意味着电解水制氢的比例将不断加大。

随着大规模电解水制氢的发展，其中一个关于供电的重要指标“谐波”越来越受到业界的广泛关注。在此将对什么是谐波、谐波的危害及如何处理谐波进行介绍。

一、什么是谐波

在谈到谐波之前，先介绍下什么是基波，在我国的交流电网上，50HZ的正弦波可称为“基波”，同时电压会在负载上产生形状类似的电流波形，如下图所示，”u”为电压，“i”为电流波形。

图1 线性负荷的电压及电流波形

但在实际的应用中，负载并不是完全线性的，虽然电网电压还是50HZ正弦波，但是电流可能因为非线性负载而产生非正弦波，此时的波形可能如下图所示。非线性负荷种类繁多，例如不间断电源、开关电源、IGBT电源、整流器、变频器、变频空调、感应加热炉、电子计算机、充电器等。

图2 非线性负荷的电压及电流波形

虽然电网输入源是一样的，但是图1和图2的电流波形并不一样，如果将图1的线性负荷波形理解成基波，那么图2中的电流波形与图1波形的差异，即是谐波。

根据数学原理，通过傅里叶分解可将非线性负荷的波形拆分为50Hz的倍数频率的波形，基波（50HZ）之外的统称为谐波，其倍数即是谐波的“次数”，常见的有5次、7次、11次等。5次谐波，即可理解成50HZ的5倍频率的分量波形，即250HZ的分量。

图3

图4

二、谐波的危害

谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等；使变压器局部严重过热；使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。引起电网谐振，使得谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，经常使电容器和电抗器烧毁。谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失。谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。

三、谐波相关标准

我国针对谐波的标准为GB/T14549-1993《电能质量：公用电网谐波》，对电流谐波和电压谐波的规定如下：

表1

表2

国际上针对谐波的标准为IEEE 519-2014，电流谐波和电压谐波的规定如下：

表3

表4

一、大规模电解水制氢降低谐波措施

针对大规模电解水制氢（500方/小时、1000方/小时及以上产氢量的电解水制氢制氢设备）的整流装置，目前有两种主流的降低谐波的整流产品，一是多脉波晶闸管整流，二是IGBT PWM整流+DC/DC斩波。

英特利公司设计生产的多脉波晶闸管整流系统已在多个多台1000方项目现场使用，在无需增加滤波装置的情况下，通过单台24脉波或12脉波+多脉波移相技术可实现比较理想的电流及电压谐波。即使制氢设备处于不同负荷时，也能满足谐波要求。 

图5英特利整流柜张家口冬奥项目现场

图6英特利整流柜宝丰项目现场

 图7英特利整流柜亚洲硅业项目现场

 图8英特利整流柜中石化测试现场

经现场测试，单台24脉波运行时（单台运行时为谐波最恶劣的情况）电流谐波总畸变率约为3-4%，电压谐波约为1.1%。经多台移相后，即使在不均衡负荷时非理想48脉波的电流谐波也可达到约3%。

图9

图10

且针对大规模制氢的应用场景，制氢设备数量越多，可移相组成更高脉波数（如60脉波、72脉波、96脉波），谐波效果越好，可使电流谐波控制在1%以内。无需额外增加谐波滤波装置，大大节约了成本和占地面积。

IGBT PWM整流+DC/DC斩波方案通过PWM整流电路可使电流谐波低于3%，也能达到低谐波的效果，但目前此方案的成本代价较高。

二、电解水制氢整流相关的其他重要指标

除了谐波之外，与整流系统相关的其他一些指标也比较关键，如可靠性、转换效率、功率因数、投资成本、不同电解槽的适应性、占地面积、维护量等。

针对500方以上的电解水制氢设备，晶闸管整流可实现功率因数0.95（不增加补偿装置情况下）、效率≥98.5%、能适应各种电解槽的电流需求（目前应用在电解水制氢最大电流到35kA）、技术成熟可靠、投资成本低、占地面积小、维护量小。

英特利公司专注于整流设备的研发、设计、制造、服务20余年，被评为湖北省专精特新“小巨人”企业。产品包括晶闸管整流电源、IGBT高频开关电源、IGBT PWM整流电源、IGBT斩波电源、DC/DC光伏制氢电源，可为电解水制氢设备提供多种整流解决方案，曾参与70余个电解水制氢项目，并出口到德国、荷兰、韩国、日本、巴西、印度等多个国家的电解水制氢市场，与国内外的电解水制氢设备厂家建立了长期合作。

三、英特利电解水制氢整流一站式解决方案

英特利为可再生能源制氢提供一站式整流解决方案，可覆盖单台5Nm3/h到4000Nm3/h的电解水制氢设备，根据产氢量、电源参数、供电特性、现场布局等具体情况，提供定制化的性能更优、成本更优的配置方案，单台功率可从20kW到20MW，有5种可选产品：晶闸管整流器、PWM整流器、IGBT斩波电源、IGBT高频开关电源、DC/DC光伏直供变流器，可满足光伏制氢、风电制氢的特性，近期中标国内外多个光伏制氢、风电制氢整流项目。

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