Силовая электроника обеспечивает экономию водорода, преобразуя переменный ток в сильноточный постоянный для электролизеров и реверс для топливных элементов.
Водород – один из немногих источников энергии, который может поглощать периодически возобновляемую энергию и накапливать ее неделями или месяцами, что делает его полезным для балансировки энергосистемы в отличие от аккумуляторов. Силовая электроника – один из ключевых факторов, помогающих водороду стать управляемым энергоносителем в современной электросети.
Например, для электролиза, используемого для промышленного производства водорода, требуется высокий постоянный ток с низкой пульсацией тока, чтобы избежать больших электрических и эксплуатационных потерь. Для удовлетворения этих современных потребностей обычно используются технологии электроснабжения, такие как традиционные тиристорные выпрямители или более совершенные преобразователи.
Аналогичным образом, топливным элементам обычно требуется система кондиционирования для повышения мощности низковольтного постоянного тока в соответствии с высоковольтной сетью переменного тока и для надлежащего повторного ввода в сеть. Без передовых топологий питания, полупроводников с широкой запрещенной зоной и сложных контуров управления водород не может быть успешно использован для длительного хранения энергии.
В этой статье разъясняется важность преобразования энергии в цепочке создания стоимости водорода, описываются наиболее часто используемые топологии и обсуждаются инновации, привнесенные полупроводниками с широкой запрещенной зоной.
Высокоточные и низковольтные ректификаторы
Водные электролизеры, которые извлекают водород из воды, являются крупными потребителями энергии. Двумя наиболее коммерчески развитыми технологиями производства экологически чистого водорода являются щелочные электролизеры и электролизеры с протонообменной мембраной (ПЭМ).
Поскольку отдельные электрохимические элементы работают при среднем рабочем напряжении от 1 до 4 В постоянного тока, даже полные блоки из нескольких элементов работают при относительно низком общем напряжении постоянного тока (обычно несколько сотен вольт). Чтобы обеспечить мощность в несколько мегаватт при таких низких напряжениях, система должна потреблять постоянный ток очень высокой интенсивности, часто от тысяч до десятков тысяч ампер. Эта мощность должна эффективно преобразовываться и управляться от высоковольтной трехфазной сети переменного тока, как показано на рис. 1.
Рис. 1: Многоступенчатая схема преобразования мощности от сети переменного тока среднего напряжения к сети электролизеров постоянного тока низкого напряжения и высокой мощности тока
Обычным решением для крупных установок является 12-импульсный диодный выпрямитель с чередующимися прерывателями. Он состоит из 12-импульсного диодного интерфейса переменного/постоянного тока и многофазных преобразователей постоянного тока в постоянный с чередованием. Фазосдвигающий трансформатор питает два шестиимпульсных диодных моста, которые подавляют гармоники низкого порядка, а каскад прерывателей с чередованием на основе БТИЗ управляет током, подаваемым в блок, и сглаживает пульсации.
Альтернативным решением являются тиристорные выпрямители, которые генерируют гармоники значительно более низкого порядка, в отличие от 12-импульсных диодных выпрямителей, для которых требуются мощные пассивные фильтры. Однако они очень надежны и могут надежно работать в сложных промышленных условиях, даже в условиях сильных перегрузок.
С точки зрения силовой электроники, обычные линейно-коммутируемые диодные и тиристорные входы по своей сути являются нелинейными нагрузками. Они генерируют несинусоидальные токи, которые приводят к высоким суммарным гармоническим искажениям и искаженному коэффициенту мощности в сети переменного тока.
Особенно в крупных промышленных проектах по производству экологически чистого водорода (например, электролизных установках мощностью >1 МВт) эти уровни искажений могут превышать пределы гармоник, определенные в стандартах качества электроэнергии IEEE 519 или IEC 61000-3-12.
Для снижения риска возникновения гармоник были предложены активные интерфейсные преобразователи и модульные многоуровневые преобразователи. В отличие от пассивного выпрямления, в активных интерфейсных преобразователях используются управляемые коммутационные устройства (например, БТИЗ) для формирования входного тока, близкого к синусоидальному. Это позволяет им иметь коэффициент мощности, близкий к единице, и низкий коэффициент гармонических искажений.
Остров Чеджудо, Южная Корея (рис. 2), становится испытательным полигоном для промышленного проекта по производству водорода. В прошлом году впервые 100% всей электроэнергии на Чеджудо было произведено за счет возобновляемых источников энергии, вырабатываемых ветровыми и солнечными электростанциями (в течение четырехчасового периода, с 11:00 до 15:00, при благоприятных ветровых и солнечных условиях). Крупные электролизеры и преобразователи энергии, необходимые для их работы, с трудом интегрируют возобновляемые источники энергии.
Компания KraftPowercon, поставщик решений для промышленного электроснабжения, поставила свой выпрямитель мощностью 5 МВт для проекта в Чеджу. Система, основанная на контейнерной концепции H2Kraft, питается от электролизера стороннего производителя, обеспечивающего регулируемое питание постоянным током от сети среднего напряжения. Ее выпрямительная система основана на архитектуре активных интерфейсных преобразователей, и компания заявляет, что коэффициент гармонических искажений тока составляет менее 3% (соответствует строгим сетевым стандартам IEEE 519).
Рис. 2: Вид с высоты птичьего полета на остров Чеджудо, Южная Корея
Часто за выпрямительной ступенью следует ступень преобразования постоянного тока в постоянный. Это особенно актуально для электролизеров, работающих на возобновляемых источниках энергии, где требуется точное регулирование тока для поддержания стабильности сети и сведения пульсаций тока к абсолютному минимуму. Омический нагрев I2R – это не единственный нежелательный эффект высоких пульсаций тока. Он также ускоряет разрушение катализатора и увеличивает пропуск газа (утечку водорода в кислородный канал), что является серьезной угрозой безопасности и ухудшает чистоту газа при работе с низкой нагрузкой.
На данном этапе в основных промышленных установках мощностью в мегаватт преобладают неизолированные многофазные понижающие преобразователи с перемежением фаз, в которых гальваническая развязка обеспечивается входным трансформатором переменного тока линейной частоты. Однако двухточечные топологии преобразователя постоянного напряжения в постоянное, такие как двойной активный мост и резонансные преобразователи по протоколу LLC, набирают популярность в модульных и твердотельных трансформаторных архитектурах следующего поколения. В этих конструкциях используются трансформаторы средней или высокой частоты в небольших модулях постоянного тока для обеспечения локальной гальванической развязки без громоздких и тяжелых магнитопроводов переменного тока.
Эти изолированные и высокочастотные топологии быстро переходят от обычных кремниевых БТИЗ к МОП-транзисторам на карбиде кремния (SiC). При более высоких напряжениях устройства SiC могут переключаться намного быстрее при низких потерях при переключении, что позволяет инженерам уменьшить размеры пассивных элементов и трансформаторов и значительно повысить плотность мощности и КПД.
Используя устройства на основе SiC, инженеры могут проектировать преобразователи, которые переключаются намного быстрее без серьезных тепловых проблем. Более высокие частоты переключения напрямую связаны с уменьшением размера и веса пассивных компонентов (L- и C-фильтров), что позволяет размещать многомегаваттный преобразователь мощности в стандартных наружных корпусах, защищенных от атмосферных воздействий, расположенных непосредственно рядом с электролизерами или блоками топливных элементов.
Платформа Hydra от Prodrive Technologies – это мощная выпрямительная система нового поколения на базе SiC-МОП-транзистора, предназначенная для экологически чистых водородных электролизеров. Она может выдавать мощность 6 МВт в масштабируемой конфигурации, которая может быть расширена до системы мощностью 24 МВт, с высоким пиковым КПД (98,7%) и небольшой площадью, подходящей для крупномасштабных промышленных водородных установок (рис. 3). Hydra обеспечивает коэффициент гармонических искажений тока ниже 1%, защиту от сбоев и регулирование реактивной мощности примерно за 1,7 МВт/м2.
Рис. 3: Испытательная установка Prodrive Technologies мощностью 4 МВт для оценки производительности выпрямительной системы Hydra на основе SiC при различных условиях эксплуатации и нагрузках
Топливные элементы: обратная проблема
В топливных элементах проблема с преобразователями обратная, чем в электролизерах. Система топливных элементов из ПЭМ генерирует постоянное напряжение, которое значительно падает при увеличении тока нагрузки вдоль кривой поляризации. Преобразователь должен принимать это провисающее входное напряжение в широком диапазоне и повышать его до стабильного выходного напряжения с более высокой степенью регулирования для подключения к сети или шине (рис. 4).
Рис. 4: Поток энергии для кондиционирования с однонаправленным повышением постоянного тока от провисающего выхода топливного элемента к общей шине постоянного тока с двунаправленной интеграцией накопителей
Важно отметить, что батареи обычных топливных элементов являются строго однонаправленными источниками энергии, и воздействие на них обратного тока приводит к серьезному необратимому повреждению электродов и мембран. Поэтому порт преобразователя, непосредственно подключенный к батарее топливных элементов, должен быть строго однонаправленным.
В гибридных микросетях постоянного тока двунаправленное преобразование энергии используется только на системном уровне, где один многопортовый или многоступенчатый преобразователь соединяет однонаправленный топливный элемент и двунаправленный порт накопления энергии (например, аккумуляторную батарею или суперконденсаторы) для динамического изменения нагрузки и буферизации энергии. Заметным исключением из этого правила являются обратимые твердооксидные аккумуляторные батареи, в которых одна и та же электрохимическая схема используется как в режиме производства топливных элементов, так и в режиме электролиза воды.
Для решения этих задач можно использовать две основные технологии. Первая – это многофазный повышающий преобразователь с чередованием фаз, который распределяет ток между параллельными фазами для уменьшения пульсаций и распределения тепловой нагрузки по устройствам. Вторая – это топологии с высоким коэффициентом усиления, такие как сети с квази-Z-источником и двумя Z-источниками, усилительные элементы с переключаемой катушкой индуктивности/переключаемым конденсатором, а также топологии с двумя переключателями или двумя входами.
Например, недавно была предложена топология с двумя Z-источниками, подключенная к сети, для водородных топливных элементов мощностью в мегаватт. Такая топология обеспечивает более высокое выходное напряжение примерно на 21,3% и более низкое напряжение переключения примерно на 8,3% при номинальной выходной мощности по сравнению с традиционным повышающим преобразователем Z-источниками. Он предназначен для мощных, подключенных к сети установок на топливных элементах, которые в настоящее время находятся в стадии пилотного проектирования для стационарной выработки электроэнергии.
Siemens сотрудничает с компанией FuelCell Energy в целях ускорения внедрения производства электроэнергии на топливных элементах. В соответствии с меморандумом о взаимопонимании Siemens обеспечит проектирование и поставку системы электронного баланса для установок FuelCell Energy с целью разработки проектов мощностью более 100 МВт (рис. 5).
Партнерство устраняет растущее узкое место: поскольку очереди на подключение к сетям и задержки с выдачей разрешений препятствуют традиционному строительству, энергоемкие отрасли все чаще ищут источники питания на месте. По мнению компаний, опыт Siemens в области электротехники в сочетании с технологией топливных элементов FuelCell Energy может облегчить переход от использования топливных элементов к электросетевому производству.
Рис. 5: Технология топливных элементов FuelCell Energy с системой EBOP от Siemens
Знакомая возобновляемая территория
По мере того, как электролизерные установки становятся достаточно большими, чтобы обеспечивать значительную нагрузку на сеть, а топливные элементы – достаточно большими, чтобы работать в качестве подключенного к сети генерирующего или вспомогательного оборудования, они должны соответствовать тем же требованиям к отказоустойчивости, реактивной мощности и гармоническим искажениям, которые исторически предъявлялись к ветровым и солнечным инверторам. Это, по сути, выводит водородную энергетику на уровень, который инженеры по силовой электронике уже знают по возобновляемым источникам энергии, даже если характеристики нагрузки и источника постоянного тока у них явно свои.
Поскольку производство и потребление водорода расширяется от демонстрационных проектов до инфраструктуры гигаваттного класса, силовой преобразователь перестает быть обычным аксессуаром, прикрепленным болтами к электролизеру или батарее топливных элементов, а становится элементом дизайна первого порядка. Повышение эффективности на несколько десятых процента окажет реальное влияние на экономику проекта, а способность отрасли достигать целевых показателей по затратам и масштабам будет зависеть как от разработки силовой электроники, так и от химии катализаторов.
