一种适用于中压交流电网的大容量制氢电源及其控制方法

1.本发明涉及大功率电力电子技术领域，具体涉及一种适用于中压交流电网的大容量制氢电源及其控制方法。


背景技术：

2.氢能是一种环保无污染、高热值的清洁能源。大力发展制氢储能产业符合提升电力系统灵活性、提升新能源消纳能力、减少弃风弃光的需求。
3.目前在大功率制氢电源领域中，往往难以在成本与性能达到平衡。传统制氢电源常采用变压器与晶闸管组成的整流器，容量较大但存在谐波污染严重、功率因数低、响应慢、效率较低的缺点，易对电网的电能质量与稳定性带来影响，若晶闸管整流器故障，甚至会使系统无法工作。若采用pwm整流方案，虽然可以提高功率因数、减小谐波污染、提高响应速度，但其容量较小，不适合应用于大容量制氢电源。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种适用于中压交流电网的大容量制氢电源及其控制方法，以解决现有技术中，可再生能源制氢生产时输入电压高、电解容量大、电能质量要求高的难题。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种适用于中压交流电网的大容量制氢电源，包括：多脉波整流电路、直流变压器模块、制氢电解槽和控制模块。
7.所述多脉波整流电流位于制氢设备起始端与中压电网连接，由多脉波移相整流变压器和不控整流电路级联构成。所述多脉波移相整流变压器与中压交流电网相连并输出移相电压，其低压侧绕组数目为m，产生m组移相线电压幅值相同相角依次相差π/(3m)的移相电压。所述中压电网可为10kv或35kv电网；当然也不仅限于上述说明，视实际情况而定即可，均在本技术的保护范围内。所述多脉波整流变压器可为12脉波整流变压器、18脉波整流变压器、24脉波整流变压器或其他多脉波整流变压器。所述不控整流电路为三相二极管整流桥，其输入端与多脉波移相整流变压器相连，二极管整流桥数目与多脉波移相整流器低压侧绕组数量相同且为m个，其输出端相并联以达到谐波对消的目的，形成(6m)脉波整流电路，与后级直流变压器模块相连。所述不控整流电路通过提升输出直流电压的脉波数，减小了输出电压谐波含量，采用不控器件也降低了成本、提升了可靠性且无需额外控制电路。可选的，不控整流电路输入端可安装额外的无源滤波器，以提升滤波能力。
8.所述直流变压器模块采用输入串联输出并联结构。直流变压器输入侧由k个子模块串联，从而减轻了开关器件的分压负担，降低了对开关器件的耐压要求和电压应力，直流变压器输出侧由k个子模块并联，以满足制氢电解槽所需的大电流要求。所述直流变压器其子模块采用dab变换器，clllc变换器，移相全桥变换器，llc变换器等隔离型直流变换器中的一种或多种，在实现电气隔离的同时也实现了较高电压变比的电压转换。
9.所述制氢电解槽，其输入端与所述直流变压器模块相连，由输入串联输出并联直流变压器供电并进行电解制氢。
10.所述控制模块由采样电路、dsp控制器、驱动电路构成。采样电路将直流变压器输入侧各子模块电容电压、直流变压器输出侧电容电压、直流变压器输出侧各子模块输出电流等电气量转换为0-3.3v的模拟信号量，其模拟信号量进一步输出到dsp控制器的adc端口中。dsp控制器负责控制算法和保护算法的实现，计算出占空比后，通过epwm端口输出pwm信号给驱动电路，若直流变压器子模块数量较多，dsp控制器可进行适当扩展。驱动电路采用光隔离或磁隔离以实现电气隔离，并实现电平转换，对i gbt模块进行驱动。
11.进一步地，本发明还提供一种如上述任意一项所述的适用于中压交流电网的大容量制氢电源的控制方法，包含对直流变压器的三闭环解耦控制算法和过流保护算法。三闭环控制算法包含输入均压环、输出电压环、电流内环，为避免输入均压环对输出电压环路造成干扰，需将输入均压环和输出电压环进行解耦。在输入均压环中，第n个基本电路单元对应的输入电压均压控制信号dsn并不是直接求得，而是将前n-1个输入均压环的输出信号相加获得，以实现解耦控制，避免输入均压环对输出电压环产生影响，便于对各环路进行控制参数设计。所述保护算法包括过压保护、过流保护、短路保护等算法，用于对直流变压器进行保护。
12.本发明的有益效果：
13.本发明所述制氢电源，输出电压纹波小，对制氢电解槽工况好，制氢效率高，输出电流具有较宽的调节范围，输出功率可达兆瓦级，对电网的谐波污染小，可节省谐波治理方面的投资。本发明所述制氢电源前级多脉波整流电路采用不控型器件，降低了成本，提高了可靠性，并采用移相整流技术减少了注入电网的谐波电流，提高了电能质量。本发明所述制氢电源后级直流变压器采用隔离型电源方案，控制精度更佳、安全性高。适用于高电压变比场合，能同时满足输入高电压，输出低电压大电流的需求。
附图说明
14.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
15.图1是本发明的整流装置结构示意图；
16.图2是本发明实施例的系统拓扑示意图；
17.图3是本发明实施例的系统控制示意图；
18.图4是本发明实施例前级整流电路的仿真波形图；
19.图5是本发明实施例后级直流变压器的仿真波形图。
具体实施方式
20.下面结合附图和一个电压等级35kvac/346v dc，容量为1mva的制氢电源的实施例对本发明的具体实施方式进行说明，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有对图1做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。实施例采用plecs软件针对系统进行仿真验证。
21.如图1所示，本发明由多脉波移相整流变压器、不控整流电路、直流变压器模块、制
氢电解槽构成。
22.如图2所示，本发明实施例采用了24脉波整流电路与isop-dab直流变压器级联的方案。制氢电源中的前级24脉波整流电路将35kv交流电ug整流为4kv直流电u
in
。前级24脉波整流电路由2个三绕组移相整流变压器与4个三相不控整流电路构成。每个三绕组变压器低压侧绕组分别采用y型和d型绕组，其线电压形成30
°
的相位差，2个三绕组移相整流变压器高压侧绕组采用延边三角形接法，分别产生﹢7.5
°
和-7.5
°
的相位移，因而使得两个三绕组移相整流变压器的四套低压侧绕组线电压u
abc,1
,u
abc,2
,u
abc,3
,u
abc,4
互差15
°
相位。4个不控整流电路其输入侧分别与2个三绕组移相变压器低压侧绕组相连，其输出侧并联得到中压直流电压u
in
，从而形成24脉波整流电路。为减小u
in
的纹波，本实施例在不控整流后级加装无源滤波器z
filter
。本实施例isop-dab直流变压器包含6个dab模块，使每个dab仅需承担小于1kv的电压，而输出侧并联也使每个dab的igbt可以分散输出电解制氢所需电流，提升系统安全性。对于单个dab模块，其隔离变压器变比为n:1，lr为其隔离变压器漏感，r
p
为其寄生电阻，co为输出电容。isop-dab直流变压器将4kv直流电转换为346v直流电，以满足制氢电源低压大电流的需求。制氢电源的控制模块包含dsp控制器、驱动电路和采样电路。采样电路将直流变压器的电气量转换为0-3.3v的模拟量，并将其传递给dsp控制器的adc模块。dsp控制器的adc模块输入模拟信号后，进行三闭环解耦控制算法的运算。直流变压器的保护算法中，电流内环中的指令电流增加限幅值，以防止输出电流过大，避免igbt过流，同时对输入电压和输出电压进行检测以实现过电压保护。dsp控制器在每个开关周期内实时更新pwm占空比数值，并输出pwm信号给驱动电路。驱动电路将dsp控制器与直流变压器开关器件进行电气隔离，并进行电平转换，输出驱动信号以驱动直流变压器中的开关器件。本实施例中，制氢电解槽用阻性负载r
l
代替。
23.如图3所示，本发明实施例控制方案采用三闭环解耦控制策略，包含了输入均压控制器g
ui
，输出电压控制器g
uo
，输出电流控制器gi；三闭环控制在传统双闭环控制策略基础上增加了电流内环以实现提高动态响应、防止过流的目的。最后一台dab输入均压的控制信号d
sn
由之前的d
s1
,d
s2
…dsn-1
决定，从而实现了解耦控制，避免了输入均压环对输出电压环的影响。对于第j台dab模块，其输出电压环和输入均压环共同决定了其输出电流参考值i*oj，在电流环中i*oj与其实际输出电流i oj作差经gi得到移相比dj，再经移相单元得到其开关信号s1,s2,s3,s4，s5,s6,s7,s8，进而驱动dab模块。本实施例中，取n＝6，即有6个dab模块构成isop-dab变换器。
24.如图4所示，本发明实施例中，24脉波整流电路将中压交流电压ug整流输出为中压直流电压u
in
，经无源滤波器z
filter
滤波后，u
in
含有较小的纹波分量。图中u
a1
,u
a2
,u
a3
,u
a4
,u
b1
,u
b2
,u
b3
,u
b4
,u
c1
,u
c2
,u
c3
,u
c4
为各移相整流变压器输出的线电压。
25.如图5所示，本发明实施例中，isop-dab直流变压器将前级整流电路输出的直流电压u
in
转换为制氢电解槽所需直流电压uo，i
out
为直流变压器的输出电流，isop-dab直流变压器具有较好的动态响应，系统启动后，uo和i
out
能在较短时间内达到稳态。
26.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。