用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源及控制方法

技术领域

本发明属于高压直流制氢技术领域，涉及一种用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源及控制方法。

背景技术

随着经济社会的发展，人类对能源的需求量日益增加，但我国所利用的能源还是以化石能源为主；在可再生能源中，氢气作为一种零碳的能源载体，在我国能源互联网中应用广泛。在所有的氢气制备方法中，制氢领域占比较高的是天然气制取氢气和石油气化制取氢气，但是这两种方法在制造氢气的同时会造成大量的二氧化碳排放；电解水制氢技术立足于未来碳中和乃至负碳，不存在碳排放造成污染，且技术相对成熟。

随着清洁能源的不断发展，特别是可再生能源如太阳能和风能的大规模应用，高压直流电网成为了将分散式能源接入主电网的有效手段。而在这种高压直流电网中，如何将电能高效、稳定地转化为氢能，成为了一个备受关注的技术问题。

传统制氢电源多是由变压器和晶闸管构成的整流器，这种隔离型制氢电源存在能量损耗高、效率低的问题。模块化多电平换流器具有模块化设计、输出波形谐波含量低、结构灵活便于扩展等优点，属于非隔离制氢电源，不需要使用大型变压器来实现电能的转换和升降压，这降低了系统的复杂性、体积、重量以及成本。

发明内容

本发明的目的在于如何设计一种非隔离制氢电源，以满足高压直流电网直接向制氢电解槽供电的需求。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源，采用至少一个并联在高压直流电网正、负极的模块化多电平换流器(10)；所述的模块化多电平换流器(10)包括：上桥臂(11)、下桥臂(12)、滤波电感L

进一步地，所述的全桥变换器包括：全桥电容C、全控器件S1～S4、二极管D1～D4，其中，全控器件S1～S4、二极管D1～D4构成H桥结构，全桥电容C与H桥结构并联。

进一步地，所述的全桥变换器功率由高压侧向低压侧传输的工作状态分为三种：旁路状态、充电状态、放电状态；1)处于旁路状态时，电流流经二极管D1、全控器件S3，或者流经全控器件S2、二极管D4，不流过电容；2)处于充电状态时，电流流经二极管D1、电容C、二极管D4，此时电容处于充电状态；3)处于放电状态时，电流流经二极管D2、电容C、全控器件S3，此时电容处于放电状态；通过控制全桥变换器的工作状态，在输出侧得到相应的输出电压。

一种应用于所述的用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源的控制方法，包括：直流电压控制和电流均流控制单元、电容电压控制单元以及主导电压控制单元；

所述的直流电压控制和电流均流控制单元：将测量的低压侧电压v

所述的电容电压控制单元包括：桥臂内电容电压控制、桥臂间电容电压平衡控制和全桥变换器电容电压控制；

所述的桥臂内电容电压控制：将桥臂内电容参考电压V

所述的桥臂间电容电压平衡控制：包括桥臂电容电压外环控制和交流电流内环控制，通过对交流电流分量的控制实现上、下桥臂之间的电容电压平衡；将模块化多电平换流器(10)中上桥臂(11)、下桥臂(12)的电容电压平均值v

所述的全桥变换器电容电压控制：将电容参考电压V

所述的主导电压控制单元的主导电压v

进一步地，所述的反馈电流i

i

其中，i

进一步地，所述的前馈信号的计算公式如下：

其中，V

进一步地，所述的主导电压v

v

v

其中，d

进一步地，所述的桥臂中全桥变换器的电容电压参考的计算公式如下：

其中，符号

本发明的优点在于：

本发明的技术方案采用跨接电容将模块化多电平换流器的上、下桥臂中点连接，跨接电容用来传输交流功率，通过控制跨接电容的电流，实现桥臂之间的功率平衡，从而大幅降低全桥变换器电容电压波动；同时模块化多电平换流器采用全桥变换器串联，具有直流故障阻断功能；与现有技术相比，本发明的电源具有无变压器、高变比、成本低的优点；为了实现变流器的稳定运行，采用输出电流控制与电容电压控制相结合的控制方法，能有效的控制输出侧电流和抑制桥臂全桥模块的电容电压波动，同时还能实现最小化桥臂环流，具有较好的输出精度和抗干扰能力。

附图说明

图1为仅采用一个模块化多电平换流器的用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源的电路拓扑图；

图2为采用多个并联的模块化多电平换流器的用于高压直流电网的非隔离制氢电源的电路拓扑图；

图3为模块化多电平换流器的组成结构图；

图4为模块化多电平换流器的全桥变换器的工作状态图；

图5为用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源的控制框图；

图6为采用三个模块化多电平换流器用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源的电路拓扑图；

图7为桥臂电压的仿真波形；

图8为输出电流的仿真波形。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

1、电源的拓扑结构

如图1所示，为仅采用一个模块化多电平换流器(10)的用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源的电路拓扑图，所述的模块化多电平换流器(10)包括：上桥臂(11)、下桥臂(12)、滤波电感L

如图2所示，为采用多个并联的模块化多电平换流器(10)的用于高压直流电网的非隔离制氢电源的电路拓扑图，多个所述的模块化多电平换流器(10)的一个并联公共端作为输入高压直流正极、另一个并联公共端作为输入高压直流负极以及输出低压直流负极，多个所述的模块化多电平换流器(10)的滤波电感L

如图3所示，每个所述的模块化多电平换流器(10)的上桥臂(11)采用2N

如图3或图4所示，所述的全桥变换器包括：全桥电容C、全控器件S1～S4、二极管D1～D4，其中，全控器件S1～S4、二极管D1～D4构成H桥结构，全桥电容C与H桥结构并联。

2、电源的工作原理

以功率由高压侧向低压侧传输为例，将本发明的拓扑的运行原理阐释如下：

全桥变换器的工作状态可按电容充放电状态分为三种：旁路状态、充电状态、放电状态；1)处于旁路状态时，电流流经二极管D1、全控器件S3，或者流经全控器件S2、二极管D4，不流过电容；2)处于充电状态时，电流流经二极管D1、电容C、二极管D4，此时电容处于充电状态；3)处于放电状态时，电流流经二极管D2、电容C、全控器件S3，此时电容处于放电状态；通过控制全桥变换器的工作状态，在输出侧得到相应的输出电压。

3、电源的控制方法

变换器稳定工作的前提是全桥变换器电容电压的恒定，全桥变换器电压取决于电容器与全控器件的配合，而调制信号主要作用就是控制全控器件的动作状态，因此对调制策略优化是变流器稳定工作的重要保障。为使输出电压稳定、各组电流均衡，且系统各部分不出现过压、过流的现象，选择输出电压和各组输出电流作为被控对象，采用电压外环电流内环的控制策略。

全桥电容电压存在两种不平衡类型，包括同一桥臂间的电容电压不平衡和上、下桥臂之间的电容电压存在偏差。同一桥臂内全桥变换器电容电压的不平衡是由充放电不均造成的，本发明中引入桥臂内电容电压控制和全桥变换器电容电压控制进行平衡。直流在桥臂间的流动使上、下桥臂的某一桥臂全桥变换器电容器中的能量逐渐消耗，另一桥臂能量则逐渐增加，导致上、下桥臂的平均电压偏离标称值。为了抵消这种不平衡，本发明中采用桥臂间电容电压平衡控制进行平衡，利用控制交流循环电流使上、下桥臂之间进行有功功率交换。

如图5所示，本发明的用于高压直流电网的模块化多电平制氢电源的控制方法，包括：直流电压控制和电流均流控制单元、电容电压控制单元以及主导电压控制单元；

所述的直流电压控制和电流均流控制单元：将测量的低压侧电压v

所述的电容电压控制单元包括：桥臂内电容电压控制、桥臂间电容电压平衡控制和全桥变换器电容电压控制。

桥臂内电容电压控制：将桥臂内电容参考电压V

所述的反馈电流i

i

其中，i

桥臂间电容电压平衡控制：包括桥臂电容电压外环控制和交流电流内环控制，通过对交流电流分量的控制实现上、下桥臂之间的电容电压平衡。将模块化多电平换流器(10)中上桥臂(11)、下桥臂(12)的电容电压平均值v

所述的前馈信号的计算公式如下：

其中，V

全桥变换器电容电压控制：将电容参考电压V

所述的主导电压控制单元的两个主导电压v

v

v

其中，d

主导分量v

其中，符号

最后，根据桥臂中全桥变换器的电容电压参考，通过脉冲宽度调制对开关器件进行控制。

4、仿真试验

如图6所示，采用三个模块化多电平换流器(10)对本发明的电路拓扑进行仿真，每个桥臂由6个全桥变换器串联而成，电路参数见下表：

如图7所示，为本发明的桥臂电压的仿真波形，在1s时刻加入电容电压均衡控制，V

如图8所示，为本发明的输出电流的仿真波形，在1s时刻加入输出电流均衡控制，i

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。