一种大容量制氢电源系统及其启动方法与流程

本发明属制氢，具体涉及一种大容量制氢电源系统及其启动方法。

背景技术：

1、氢气即是一种清洁、高能量密度燃料，其热值是同质量天然气、汽油等化石燃料热值的2.7倍，同时也是一种重要的化工原料，被广泛用于工业、电力、储能、交通四大领域。电解水制氢无污染、制氢纯度高，是一种高效、清洁的制氢技术。

2、制氢系统为低压大电流系统，早期大功率工业应用，采用晶闸管ac/dc变换器为电解器供电，常用的有6脉波整流器及12脉波整流器，具有容量大、电压调节范围宽、效率高、成本低等优点，然而，晶闸管的使用会产生大量谐波，降低系统的功率因数，并会增加系统外的损耗。此外，晶闸管制氢电源在大功率场景下应用时为降低谐波需配套有载调压装置，这会严重影响系统的响应时间。

3、全控型器件的pwm电压源型整流器，能实现单位功率因数和网侧电流正弦化，谐波小，但是pwm整流器容量小，具有升压作用，需要通过两级pwm拓扑及多机并联满足低压大电流系统要求，效率低，成本高。

4、同时，大功率应用场合，制氢电源启动过程冲击电流过大，不仅增加了对功率器件的选型要求，而且将严重影响到元件的使用寿命，易造成功率器件损坏。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大容量制氢电源系统，用以解决现有技术采用两级pwm拓扑及多机并联方案，导致制氢电源效率低、成本高的问题；还提供一种大容量制氢电源系统的启动方法，用以解决上述制氢电源启动过程中冲击电流过大易造成功率器件损坏的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种大容量制氢电源系统，包括并联整流电路、串联降压电路和控制器，并联整流电路包括第一整流器和第一直流支撑电容，且第一直流支撑电容与第一整流器的直流侧并联；串联降压电路包括第二整流器、第二直流支撑电容和直流斩波电路，第二直流支撑电容与第二整流器的直流侧并联，直流斩波电路的高压侧与第二整流器的直流侧连接；第一整流器和第二整流器的交流侧并联，并联后用于与交流电网连接，第一整流器的直流侧和直流斩波电路的低压侧串联后用于连接电解槽的供电端，以为电解槽供电，其中第一整流器的直流侧的正极与直流斩波电路低压侧的正极连接，第一整流器的直流侧的负极和直流斩波电路的低压侧的负极分别接于电解槽的供电端的负正极；控制器用于调节直流斩波电路的脉冲宽度，进而改变电解槽供电端的供电电压。

3、其有益效果为：为解决现有技术中采用两级拓扑及多机并联方案，导致制氢电源效率低、成本高的问题，本发明采用并联整流电路与串联降压电路的交流侧并联且直流侧串联的拓扑方案，通过调节串联降压电路中的直流斩波电路的脉冲宽度来调节串联降压电路的直流电压，进而使电解槽两端的电压改变，有效降低制氢电源直流电压幅值，且串联降压电路容量小，控制灵活，结合开关器件和不控整流器的优点，具有效率高、成本低、直流电压幅值低、功率因数高等优点。

4、进一步地，并联整流电路还包括由第一软启电阻和第一软启开关并联连接组成的第一软启回路，第一软启回路与第一整流器的直流侧串联。

5、其有益效果为：增加一个软启回路，以用于并联整流电路的软启动，使得启动过程平滑可靠，实现简单。

6、进一步地，串联降压电路还包括由第二软启电阻和第二软启开关并联连接组成的第二软启回路，第二软启回路与第二整流器的直流侧串联。

7、其有益效果为：增加一个软启回路，以用于串联降压电路的软启动，使得启动过程平滑可靠，实现简单。

8、进一步地，直流斩波电路包括变换单元、斩波电抗器和直流滤波电容器；变换单元的低压侧与斩波电抗器串联后，与直流滤波电容器并联。

9、进一步地，整流器采用6脉波或多脉波不控整流器，多脉波指脉波数大于6脉波的不控整流器。

10、其有益效果为：整流器容量大、效率高、功率因数高，相比于晶闸管整流器，谐波小。

11、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种大容量制氢电源系统启动方法，大容量制氢电源系统包括：并联整流电路、串联降压电路和控制器，并联整流电路包括第一整流器、第一软启回路和第一直流支撑电容，第一整流器的直流侧与第一软启回路串联后，与第一直流支撑电容并联，且第一软启回路由第一软启电阻和第一软启开关并联组成；串联降压电路包括第二整流器、第二软启回路、第二直流支撑电容和直流斩波电路，第二整流器的直流侧与第二软启回路串联后，与第二直流支撑电容器并联，且第二软启回路由第二软启电阻和第二软启开关并联组成，直流斩波电路的高压侧与第二整流器的直流侧连接；第一整流器和第二整流器的交流侧并联，并联后用于与交流电网连接，第一整流器的直流侧和直流斩波电路的低压侧串联后用于连接电解槽的供电端，以为电解槽供电，其中第一整流器的直流侧的正极与直流斩波电路低压侧的正极连接，第一整流器的直流侧的负极和直流斩波电路的低压侧的负极分别接于电解槽的供电端的负正极；控制器用于调节直流斩波电路的脉冲宽度，进而改变电解槽供电端的供电电压；

12、所述大容量制氢电源系统的启动方法包括：先通过第一整流器和第一软启电阻对第一直流支撑电容进行充电，第一直流支撑电容的电压到达第一设定阈值后通过第一整流器和第一软启开关对第一直流支撑电容进行充电，直到第一直流支撑电容的电压值到达第二设定阈值，并联整流电路软启动完成；其中第一设定阈值小于第二设定阈值；

13、再通过第二整流器和第二软启电阻对第二直流支撑电容进行充电，第二直流支撑电容的电压到达第三设定阈值后通过第二整流器和第二软启开关对第二直流支撑电容进行充电，直到第二直流支撑电容的电压值到达第四设定阈值，再调节直流斩波电路的占空比，以使直流斩波电路软启动，以实现串联降压电路的软启动，从而完成大容量制氢电源系统的软启动；其中第三设定阈值小于第四设定阈值。

14、其有益效果为：为解决上述制氢电源启动过程中冲击电流过大易造成功率器件损坏的问题，本方法并联整流电路先启动，通过软启电阻和软启开关实现对直流电容的预充电；串联降压电路后启动，通过软启电阻和软启开关实现对直流电容的预充电，通过调节直流斩波电路的占空比由零逐渐增大实现直流斩波电路的软启动，从而使启动过程平滑可靠，实现简单，且本方法具有成本低、可靠性高等优点。

15、进一步地，直流斩波电路包括变换单元、斩波电抗器和直流滤波电容器；变换单元的低压侧与斩波电抗器串联后，与直流滤波电容器并联。

16、进一步地，整流器均采用6脉波或多脉波不控整流器，多脉波指脉波数大于6脉波的不控整流器。

技术特征：

1.一种大容量制氢电源系统，其特征在于，包括并联整流电路、串联降压电路和控制器，并联整流电路包括第一整流器和第一直流支撑电容，且第一直流支撑电容与第一整流器的直流侧并联；串联降压电路包括第二整流器、第二直流支撑电容和直流斩波电路，第二直流支撑电容与第二整流器的直流侧并联，直流斩波电路的高压侧与第二整流器的直流侧连接；第一整流器和第二整流器的交流侧并联，并联后用于与交流电网连接，第一整流器的直流侧和直流斩波电路的低压侧串联后用于连接电解槽的供电端，以为电解槽供电，其中第一整流器的直流侧的正极与直流斩波电路低压侧的正极连接，第一整流器的直流侧的负极和直流斩波电路的低压侧的负极分别接于电解槽的供电端的负正极；控制器用于调节直流斩波电路的脉冲宽度，进而改变电解槽供电端的供电电压。

2.根据权利要求1所述的大容量制氢电源系统，其特征在于，并联整流电路还包括由第一软启电阻和第一软启开关并联连接组成的第一软启回路，第一软启回路与第一整流器的直流侧串联。

3.根据权利要求1所述的大容量制氢电源系统，其特征在于，串联降压电路还包括由第二软启电阻和第二软启开关并联连接组成的第二软启回路，第二软启回路与第二整流器的直流侧串联。

4.根据权利要求1所述的大容量制氢电源系统，其特征在于，直流斩波电路包括变换单元、斩波电抗器和直流滤波电容器；变换单元的低压侧与斩波电抗器串联后，与直流滤波电容器并联。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的大容量制氢电源系统，其特征在于，整流器采用6脉波或多脉波不控整流器，多脉波指脉波数大于6脉波的不控整流器。

6.一种大容量制氢电源系统启动方法，其特征在于，大容量制氢电源系统包括：并联整流电路、串联降压电路和控制器，并联整流电路包括第一整流器、第一软启回路和第一直流支撑电容，第一整流器的直流侧与第一软启回路串联后，与第一直流支撑电容并联，且第一软启回路由第一软启电阻和第一软启开关并联组成；串联降压电路包括第二整流器、第二软启回路、第二直流支撑电容和直流斩波电路，第二整流器的直流侧与第二软启回路串联后，与第二直流支撑电容器并联，且第二软启回路由第二软启电阻和第二软启开关并联组成，直流斩波电路的高压侧与第二整流器的直流侧连接；第一整流器和第二整流器的交流侧并联，并联后用于与交流电网连接，第一整流器的直流侧和直流斩波电路的低压侧串联后用于连接电解槽的供电端，以为电解槽供电，其中第一整流器的直流侧的正极与直流斩波电路低压侧的正极连接，第一整流器的直流侧的负极和直流斩波电路的低压侧的负极分别接于电解槽的供电端的负正极；控制器用于调节直流斩波电路的脉冲宽度，进而改变电解槽供电端的供电电压；

7.根据权利要求6所述的大容量制氢电源系统，其特征在于，直流斩波电路包括变换单元、斩波电抗器和直流滤波电容器；变换单元的低压侧与斩波电抗器串联后，与直流滤波电容器并联。

8.根据权利要求6所述的大容量制氢电源系统，其特征在于，整流器均采用6脉波或多脉波不控整流器，多脉波指脉波数大于6脉波的不控整流器。

技术总结
本发明属制氢技术领域，具体涉及一种大容量制氢电源系统及其启动方法。具体包括：由并联整流电路与串联降压电路的交流侧并联且直流侧串联的形式组成，通过调节串联降压电路中的直流斩波电路的脉冲宽度来调节串联降压电路的直流电压，进而使电解槽两端的电压改变，有效降低制氢电源直流电压幅值，具有效率高、直流电压低、功率因数高等优点；并联整流电路先启动，通过软启电阻和软启开关实现对直流电容的预充电；串联降压电路后启动，通过软启电阻和软启开关实现对直流电容的预充电，通过调节直流斩波电路的占空比由零逐渐增大实现直流斩波电路的软启动，本发明的启动方法具有实现简单、成本低、可靠性高、启动过程平滑无冲击等优点。

技术研发人员：宋晓梅,刘欣和,李道洋,王先为,杨美娟,李少帅,李政,梁佩佩
受保护的技术使用者：西安许继电力电子技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15