晶闸管整流技术在工业电解水制氢中的应用与实践

电解水制氢背景

在电解水制氢过程中，直流电是必不可少的驱动力量，而电网通常提供的是交流电。因此， 制氢设备需要配备能够转换电能的系统。目前，主流的电解水制氢整流技术主要有两种：一种是IGBT整流电源，其优点在于能将电网侧的电流谐波畸变率控制在3%以下，同时提供功率因数高于0.99的优质电能，但缺点是设备成本相对较高；另一种则是晶闸管整流电源，它在谐波抑制和功率因数方面虽然稍逊一筹，但成本优势明显。本文将重点探讨晶闸管整流技术在大型电解水制氢中的应用，通过系统的设计和分析，构建适用于千方级电解水制氢的晶闸管整流电源解决方案，旨在为工业级制氢设备的工程设计和设备选择提供有力的技术支持。

晶闸管整流技术应用

◉ 系统概述

电解水制氢系统主要包括电网接入、变压器调压、晶闸管整流电源以及电解槽四个核心部分。系统工作时，电网提供的高压交流电（例如35 kV/10 kV）首先经过变压器进行降压处理，随后输入到晶闸管整流电源中。整流电源负责将降压后的交流电高效地转换为直流电，以驱动电解槽进行电解反应。在电解槽内，水分子受到直流电的作用，被分解为氢气和氧气，这两种气体分别从阴极和阳极释放出来。

晶闸管整流电源的核心功能主要体现在以下几个方面：它能够高效地将交流电转换为直流电，确保电解反应的顺利进行，并具备抑制电网谐波干扰的能力，保证总谐波畸变率控制在5%以下，从而保障系统的稳定运行。最后，通过冗余设计，晶闸管整流电源能够进一步确保设备在长期使用过程中的稳定性。

◉ 硬件设计与选型

电流容量设计需考虑电解槽的电流需求，通过合理公式计算，保障系统的稳定性。例如，电解槽所需的总电流，可根据极板面积和电流密度进行合理计算。选取合适的电流密度值，以确保电流的顺畅通过。

在电解过程中， 晶闸管需要承受一定的电压，需进行耐压选型以确保系统安全。根据法拉第定律，每制取1 Nm³氢气所需的理论电量为2390 A·h。实际选用耐压为2800V的晶闸管，并确保有3倍的裕量，以保证系统的稳定性和安全性。

为进一步降低谐波畸变率，我们采用24脉波整流电路。通过并联四组三相全桥整流器，并借助移相变压器，构建了24脉波整流电路。这一设计显著降低了谐波畸变率，从12脉波时的11%降至24脉波时的低于5%。

◉ 控制系统设计

控制系统通过PLC、触摸屏等实现对电解槽的高效监控和管理。 控制系统通过PLC、触摸屏等组件实现逻辑控制及故障联锁保护功能。PLC负责实现逻辑控制，并与上位DCS系统进行硬线通信，确保关键信号如电流、电压以及故障状态等能够实时、准确地传输。

同时，采用24脉全数字控制器，其核心架构包括采用PID算法的数字信号处理器和进行脉冲分配的现场可编程门阵列。该控制系统不仅具备实时呈现关键参数的功能，还拥有 软件实现对电流的闭环控制和高效的故障处理机制。

◉ 软件功能设计

软件实现对电流的闭环控制，并提供故障处理机制。在启动时，系统采用软启动控制策略，使电流平稳爬升，从而有效减轻对电解槽的冲击。进入运行阶段后，软件会根据实时数据动态调整脉冲触发角，确保直流电压的稳定输出。同时，系统还设计了高效的故障处理机制，一旦检测到故障，将立即触发熔断器动作或执行紧急停机。

◉ 实地应用与性能验证

该控制系统与PLC和触摸屏之间的通信采用工业以太网技术，数据传输速率高达100 Mbps，确保了信息交互的实时性和准确性。在2023年9月，我们的设计成功应用于一个1200 Nm³/h碱性水电解制氢项目，并连续稳定运行了3000小时。

在实际应用中，系统显示出良好的输出稳定性和效率。例如，直流电压的波动控制在±1%以内，电流纹波保持在3%以下。此外，系统的综合效率高达92%，与传统的12脉波方案相比，我们的设计能节省5%的能耗。快速熔断器在测试中表现出色，动作准确率达到100%，无任何误触发，晶闸管的温升控制在40℃以下，确保了器件的完好无损。