電解水制氫整流原理及二次設(shè)備選型

更新時(shí)間：2026-07-27 點(diǎn)擊次數(shù)：109

電解水制氫依托風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電制取零碳排放綠氫，是化石能源制氫最核心的低碳替代路線，既是新型電力系統(tǒng)消納新能源的關(guān)鍵儲(chǔ)能載體，也是工業(yè)、交通、化工深度脫碳的剛需路徑。風(fēng)電光伏具有間歇性、波動(dòng)性，大量新能源基地存在發(fā)電富余無(wú)法并網(wǎng)。電解水把多余電能轉(zhuǎn)化為氫能儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)電能→氫能→再發(fā)電/工業(yè)利用長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，大幅提升風(fēng)光利用率，是遠(yuǎn)距離新能源消納的方案之一。

一、制氫工藝分類及電氣原理

電解制氫工藝主要有ALK堿性電解、PEM質(zhì)子交換膜、SOEC固體氧化物高溫電解、AEM 陰離子交換膜等幾種路線，其中ALK堿性電解為目前市場(chǎng)主流，占比超80%,本文以電解水制氫站為核心講解電解水制氫整流原理及電氣二次設(shè)備選型。 35f14c55cbf4a2f69e25bb0f3824b53

圖1 堿性電解制氫電氣示意圖

這是一套光伏自發(fā)自用+電網(wǎng)備用供電的堿性電解水制氫全系統(tǒng)原理圖，整體分為10kV高壓配電系統(tǒng)、24脈波移相整流直流供電系統(tǒng)、電解制氫工藝系統(tǒng)、0.4kV輔機(jī)配電系統(tǒng)四大板塊。

· 優(yōu)先使用光伏綠電，經(jīng)24脈整流變成直流電驅(qū)動(dòng)電解槽制綠氫；

· 光照不足時(shí)，市政10kV電網(wǎng)補(bǔ)足電量，保證制氫連續(xù)；

· 高低壓兩級(jí)無(wú)功補(bǔ)償配合24脈整流，解決大功率整流諧波和直流紋波難題；

· 全套水、冷、氣、儲(chǔ)配套設(shè)備由0.4kV統(tǒng)一供電，形成完整可連續(xù)運(yùn)行的光伏綠氫站。

二、二次設(shè)備選型

1.10kV變配電部分

依據(jù)NB/T10447-2020《整流變壓器組保護(hù)裝置通用技術(shù)要求》及相關(guān)電力變壓器繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合10kV雙移相變壓器構(gòu)成24脈整流、光伏+電網(wǎng)雙電源供電、堿性電解水制氫工況，分為電氣電量主保護(hù)、電氣后備保護(hù)、非電量保護(hù)、整流閥側(cè)專項(xiàng)保護(hù)、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)保護(hù)五大類。兩臺(tái)移相整流變獨(dú)立配置全套保護(hù)，配合整流橋、直流母線形成全鏈路防護(hù)。 10f332153159dc74e0df3c7313b51a7

圖2 電解制氫10kV電氣部分保護(hù)配置

10kV部分配置清單如下表

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
進(jìn)線保護(hù)監(jiān)測(cè)		AM5SE-F	具有帶方向元件的三段式過(guò)流保護(hù)，重合閘，過(guò)負(fù)荷告警、跳閘，過(guò)電壓告警、跳閘等功能對(duì)線路進(jìn)行保護(hù)	10kV進(jìn)線
進(jìn)線保護(hù)監(jiān)測(cè)		APView500	實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩路三相回路電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諧波、電壓暫升/暫降/短時(shí)中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測(cè)等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件，記錄事件發(fā)生前后的波形，輔助用戶分析電能質(zhì)量，滿足電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)	10kV進(jìn)線
變壓器保護(hù)		AM5SE-T	具有帶方向元件的三段式過(guò)流保護(hù)，兩段零序過(guò)流保護(hù)，過(guò)負(fù)荷保護(hù)，具備非電量保護(hù)，如高溫超溫保護(hù)，瓦斯保護(hù)等保護(hù)功能	進(jìn)線柜
PT測(cè)控		AM5SE-UB	監(jiān)測(cè)母線三相/線電壓、零序電壓，并具備過(guò)壓/欠壓/零序過(guò)壓告警	PT柜
電容器保護(hù)		AM5SE-C	三段式過(guò)流保護(hù)，過(guò)/欠電壓保護(hù)、不平衡電流/電壓保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)等功能	10kV電容器、電抗器
弧光保護(hù)		ARB6	適用于開(kāi)關(guān)柜弧光信號(hào)和電流信號(hào)的采集，并控制進(jìn)線、母聯(lián)或母線上所有開(kāi)關(guān)柜分閘	10kV母線
三側(cè)差動(dòng)保護(hù)		AM5SE-D3	整流變?nèi)齻?cè)差動(dòng)保護(hù)，具備比率制動(dòng)、二/五次諧波制動(dòng)，區(qū)內(nèi)相間短路、繞組匝間短路、引線短路瞬時(shí)跳閘	整流變保護(hù)測(cè)控
網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)后備保護(hù)		AM5SE-TB	三側(cè)均配置三段相間過(guò)流，兩段零序過(guò)流，兩段間隙過(guò)流保護(hù)、復(fù)合電壓閉鎖、兩段零序過(guò)壓保護(hù)，斷路器控制
非電量保護(hù)		AM5SE-FD	重瓦斯、輕瓦斯、超溫、過(guò)溫、壓力釋放保護(hù)和告警
測(cè)控裝置		AM5SE-K	遙測(cè)、遙信、遙控

2.10kV光伏并網(wǎng)部分

分布式光伏采用10kV并網(wǎng)，自發(fā)自用，余電不上網(wǎng)。并網(wǎng)合規(guī)是光伏電站投運(yùn)的前提，電能質(zhì)量設(shè)計(jì)直接決定電站能否長(zhǎng)期穩(wěn)定并網(wǎng)、避免電網(wǎng)考核。10kV進(jìn)線處配置防逆流保護(hù)，升壓箱變配置箱變保護(hù)測(cè)控裝置，并網(wǎng)柜配置防孤島保護(hù)、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置和電能計(jì)量?jī)x表，安科瑞同時(shí)提供Acrel-1000DP光伏監(jiān)控系統(tǒng)，幫助項(xiàng)目對(duì)接電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)，安全合規(guī)并網(wǎng)。

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圖3 分布式光伏保護(hù)配置

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
防孤島保護(hù)		AM5SE-IS	保護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)停電時(shí)能迅速切斷進(jìn)線斷路器，防止孤島模式向電網(wǎng)反送電，保障電力設(shè)備和人員的安全。	光伏并網(wǎng)柜
防逆流保護(hù)		AM5SE-IS	當(dāng)光伏電站禁止向電網(wǎng)返送電能的場(chǎng)景下安裝在進(jìn)線柜，監(jiān)測(cè)到逆功率越限可依次斷開(kāi)光伏并網(wǎng)柜，有效防止電能返送電網(wǎng)。	進(jìn)線柜
主從防逆流裝置		AM6-PVM AM6-PVS	適用于進(jìn)線柜和并網(wǎng)柜距離較遠(yuǎn)的防逆流場(chǎng)景，分為防逆流主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)安裝在進(jìn)線柜檢測(cè)逆功率，通過(guò)光纖和從機(jī)通信，從機(jī)安裝在并網(wǎng)點(diǎn)，接收主機(jī)命令合分光伏并網(wǎng)斷路器實(shí)現(xiàn)防逆流。	進(jìn)線柜、并網(wǎng)柜
電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置		APView500PV	實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一路三相路電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)和閃變、諧波、電壓暫升/暫降/短時(shí)中斷、電壓電流瞬態(tài)監(jiān)測(cè)等電能質(zhì)量	光伏并網(wǎng)柜
三合一箱變測(cè)控裝置		AM6-PWC	集變壓器差動(dòng)保護(hù)/過(guò)流保護(hù)/溫度等非電量保護(hù)、變壓器溫度測(cè)量/4-20mA變送輸出等測(cè)控功能、通訊管理機(jī)功能、交換機(jī)功能于一體。	升壓箱變

3.0.4kV保護(hù)測(cè)控

0.4kV部分主要包含0.4kV水泵、電機(jī)、線路保護(hù)，如補(bǔ)水泵、配堿泵、冷卻水供/回水泵、冷凍水供/回水泵、壓縮機(jī)等。

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圖4 0.4kV部分保護(hù)配置

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
電動(dòng)機(jī)測(cè)控裝置		ARD3M	適用于額定電壓至 660V 的低壓電動(dòng)機(jī)回路，集保護(hù)、測(cè)量、控制、通訊、運(yùn)維于一體。（過(guò)流、欠流）、電壓的（過(guò)壓、欠壓）及斷相、堵轉(zhuǎn)、短路、漏電、三相不平衡、過(guò)熱、接地、軸承磨損、定轉(zhuǎn)子偏心時(shí)、繞組老化予以報(bào)警或保護(hù)控制。	低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制
抗晃電裝置		ARD-KHD	電壓短暫失壓時(shí)防止接觸器脫扣，電壓恢復(fù)后不間斷運(yùn)行，避免系統(tǒng)受到?jīng)_擊。	抗晃電
線路保護(hù)		ALP500	三段過(guò)電流保護(hù)，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)，零序過(guò)流保護(hù)，功率保護(hù)等等，具備三相電氣參數(shù)測(cè)量，狀態(tài)采集和開(kāi)關(guān)控制等功能。	0.4kV重要饋線
無(wú)功補(bǔ)償控制器		ARC	根據(jù)目標(biāo)功率因數(shù)投切電容器實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償	無(wú)功補(bǔ)償控制

4. 直流絕緣監(jiān)測(cè)

電解槽工作在直流低壓、大電流工況下，堿液導(dǎo)電，潮濕、漏堿極易造成直流對(duì)地漏電，氫氣易燃易爆，絕緣監(jiān)測(cè)是電解槽標(biāo)配安全保護(hù)。

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
直流絕緣監(jiān)測(cè)		AIM-D100-TH	監(jiān)測(cè)DC100-1000V直流系統(tǒng)絕緣狀況	安裝于電解槽正負(fù)極

5. 交直流計(jì)量

交直流回路配置多功能計(jì)量電表，包括10kV、0.4kV、直流回路，通過(guò)多功能電表計(jì)量發(fā)/用電量，部分回路需要監(jiān)測(cè)諧波畸變率、直流紋波系數(shù)等電能質(zhì)量參數(shù)。

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
智能儀表		APM500	具有全電量測(cè)量，諧波畸變率、電壓合格率統(tǒng)計(jì)、分時(shí)電能統(tǒng)計(jì)，開(kāi)關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出。	主要用于高低壓電能監(jiān)測(cè)和電能管理
智能儀表		AEM96	具有全電量測(cè)量，諧波畸變率、分時(shí)電能統(tǒng)計(jì)，開(kāi)關(guān)量輸入輸出，模擬量輸入輸出。	主要用于電能計(jì)量和監(jiān)測(cè)
多功能計(jì)量?jī)x表		ADL400	三相電流、電壓、分時(shí)電能，復(fù)費(fèi)率設(shè)置，適用多個(gè)時(shí)段費(fèi)率，內(nèi)置分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)，可分?jǐn)?0A以內(nèi)三相電流。	饋線柜
多功能計(jì)量?jī)x表		DTSD352		饋線柜
多功能儀表		ADW300	主要用于計(jì)量三相電氣參數(shù)，采集狀態(tài)量并控制斷路器，可靈活安裝于配電箱內(nèi)，自帶開(kāi)口式互感器，可實(shí)現(xiàn)不停電安裝，具備RS485、4G、LoRaWan無(wú)線通信功能，適用于改造安裝。	進(jìn)/饋線
直流電能表		DJSF1352	可測(cè)量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，配套霍爾傳感器(可選)。	直流計(jì)量
直流電能表		DJSF1352-RN	可測(cè)量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率以及正反向電能等，配套霍爾傳感器(可選)。	直流計(jì)量
霍爾傳感器		AHKC-KA AHKC-HB	測(cè)量DC0~(500-20000)A電流，輸出DC5V/4V或DC4-20mA,工作電源DC±12V/±15V或12/24V。	直流大電流監(jiān)測(cè)

6. 防爆區(qū)域本安信號(hào)隔離

由于氫氣易燃易爆，在制氫的控制過(guò)程中，防爆區(qū)域內(nèi)需要本安信號(hào)隔離，使用隔離式安全柵。

名稱	圖片	型號(hào)	功能	應(yīng)用
隔離式安全柵		BM200	采用了限壓、限流、隔離等措施，防止危險(xiǎn)能量從本安端子進(jìn)入危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力。輸入4-20mA、0-5V、PT100/0-10kΩ等信號(hào)，輸出4-20mA、0-5V等信號(hào)。	模擬量信號(hào)安全隔離
信號(hào)隔離器		BM100	對(duì)電流、電壓等電量參數(shù)或溫度、電阻等非電量參數(shù)進(jìn)行快速精確測(cè)量，經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)輸出。既可以直接與指針表、數(shù)顯表相接，也可以與自控儀表（如PLC）、各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備配接。	信號(hào)轉(zhuǎn)換隔離

三、制氫站能源管理

Acrel-2000MG能量管理系統(tǒng)能夠?qū)?/span>制氫站源（市電、分布式光伏、風(fēng)機(jī)）、網(wǎng)（內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（電解槽及輔助設(shè)備）、儲(chǔ)能系統(tǒng)等負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制，保護(hù)制氫站電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)下源網(wǎng)荷儲(chǔ)資源之間的靈活互動(dòng)，增加多策略控制下系統(tǒng)的靈活控制，促進(jìn)新能源消納、合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設(shè)投資，提升電網(wǎng)運(yùn)行安全，降低運(yùn)行成本。同時(shí)為制氫站提供交直流電氣、環(huán)境等異常告警和控制，保障制氫站穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 制氫站能量管理系統(tǒng)