一种用于制氢电解槽系统的频率特性检测方法

技术领域

本发明属于电解水制氢技术领域，涉及一种用于制氢电解槽系统的频率特性检测方法。

背景技术

随着可在生能源的迅速发展且因为可在生能源出力的不确定性，电解水制氢受到了越来越多的关注并迅速发展起来。但电解槽具有低压、大电流、耐受电压电流纹波小和功率变化范围大的特点，因此电解槽的频率特性也就被人们所关注。电解槽由于其本身的特点，当流入电解槽的电流纹波过大时会对电解槽的阴极以及阳极造成不可逆的损伤，长时间的大纹波电流会导致电解槽寿命的减少，严重可能会危及操作人员的人生安全。

通常电解槽的应用中都会有频率特性的检测，通过电化学阻抗谱(EIS)可以分析电解槽内部电化学反应机理从而得到其频率特性，而EIS的获取一般采用电化学工作站对电解槽进行连续交流扫频，逐点扫描机制会耗费大量的时间，特别是在低频带的测量时间过长。公开日期为2021年的文献《基于电化学阻抗谱的锂离子电池内部温度在线估计方法研究》(中国电机工程学报，范文杰等)提出了在较宽的温度范围内对EIS进行测量，该文献中电池的电化学阻抗谱利用PARSTART MS完成。但是测量电池的电化学阻抗需要对电池进行充放电老化实验，需要将电池在一定的条件下进行充放电次数达到300次，也会耗费时间。

电解槽是将Buck电路斩波输出的低压大电流的直流电通过一系列的电化学反应将水点解为氢气和氧气，其中产生的氢气在阴极析出，产生的氧气在阳极析出。但电解槽具有低压、大电流、耐受电压电流纹波小和功率变化范围大的特点，因此电解槽的频率特性也就被人们所关注。通常电解槽的应用中都会有频率特性的检测，通过电化学阻抗谱(EIS)可以分析电解槽内部电化学反应机理从而得到其频率特性，而EIS的获取一般采用电化学工作站对电解槽进行连续交流扫频，逐点扫描机制会耗费大量的时间，特别是在低频带的测量时间过长。因此，如何快速获得电解槽的频率特性受到了人们的广泛关注。

发明内容

本发明的技术方案用于解决现有技术采用电化学阻抗谱获取电解槽频率特性测量时间过长的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种用于制氢电解槽系统的频率特性检测方法，包括以下步骤：

S1、采用PRBS生成器生成PRBS信号；

S2、将生成的PRBS信号注入制氢电解槽系统的控制系统中，具体如下：将采集的电解槽的电压U

S3、通过PRBS验证器接收制氢电解槽系统的响应，生成系统的伯德图，从而获得系统的频率特性。

进一步地，所述的制氢电解槽系统包括：变压器、二极管不控整流电路、Buck电路；变压器一次侧绕组作为输入端与电源相连接，变压器二次侧绕组与一次侧绕组相耦合，在提供隔离的同时，将一次侧的高等级交流电压变换为低等级电压供给后级二极管不控整流电路；二极管不控整流电路与变压器二次侧绕组相连接，将二次侧绕组提供的低等级交流电整流为直流电给Buck电路提供能量，其中第一整流二极管D

进一步地，所述的PRBS信号的频率范围为[F

进一步地，所述的PRBS信号的采样时间T

进一步地，所述的PRBS信号的阶数为：Order＝[log(2π/(T

进一步地，步骤S3中所述的生成系统的伯德图，从而获得系统的频率特性的方法具体如下：在某一频率点采用快速傅里叶变换处理制氢电解槽系统的输入信号以及输出信号，得到输入信号的幅值和相角分别为In

进一步地，所述的快速傅里叶变换处理的过程如下：

其中，DFT是将长度为N的数据列x(n)计算出对应的频率列X(k)：

本发明的优点在于：

相较于传统EIS获取的方法是采用电化学工作站对电解槽进行连续交流扫频，逐点扫描机制浪费大量的时间，本发明的方法通过对电解槽控制系统注入PRBS信号，更快的获得电解槽的频率特性，使用PRBS输入信号与使用正弦波输入信号相比，减少总估计时间，同时产生可比较的估计结果；与使用线性调频输入信号相比，以更高的频率分辨率获得更快的频率响应估计。

附图说明

图1为本发明的制氢电解槽系统的电路拓扑图；

图2为本发明的制氢电解槽系统的控制流程图；

图3为本发明的制氢电解槽系统的频率特性检测流程图。

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：

实施例一

1、制氢电解槽系统的拓扑

如图1所示，本发明实施例的制氢电解槽系统，包括：变压器、二极管不控整流电路、Buck电路；变压器一次侧绕组作为输入端与电源相连接，变压器二次侧绕组与一次侧绕组相耦合，在提供隔离的同时，将一次侧的高等级交流电压变换为低等级电压供给后级二极管不控整流电路；二极管不控整流电路与变压器二次侧绕组相连接，将二次侧绕组提供的低等级交流电整流为直流电给Buck电路提供能量，其中第一整流二极管D

2、PRBS(Pseudo Random Bit Sequence)信号

PRBS(Pseudo Random Bit Sequence)信号是指伪随机码，是一种在两个值之间切换的确定性信号，具有类似白噪的特性，并且两者的频谱特征非常接近，而白噪声就是在一个比较宽的频域里功率密度谱均匀分布，也就是所有的频率都具有相同的能量，因此PRBS能够模拟各种不同频率数据组成的情况。PRBS信号本身具有周期性，最大周期长度为2

注入PRBS信号时，需要指定以下参数：

信号幅度——信号的峰峰值范围；

采样时间——设置采样时间以匹配与输入和输出线性分析点对应的信号处的采样时间；

信号阶数——PRBS信号的最大长度为2

周期数——PRBS信号中的周期数N

3、频率特性检测

如图2和图3所示，用于制氢电解槽系统的频率特性检测方法，包括以下步骤：

S1、采用PRBS生成器生成PRBS信号；

S2、将生成的PRBS信号注入制氢电解槽系统的控制系统中；具体如下：将采集的电解槽的电压U

S3、通过PRBS验证器接收制氢电解槽系统的响应，生成系统的伯德图从而获得系统的频率特性。

常用的PRBS生成器、PRBS验证器的主要型号有：PRBS7、PRBS9、PRBS9、PRBS11、PRBS15、PRBS220、PRBS23和PRBS31。

在设置PRBS信号参数时，需要考虑以下事项：

设置振幅，以便系统为应用程序正确激励。如果输入幅度太大，信号可能会偏离模型工作点太远。如果输入幅度太小，则PRBS信号与模型中的噪声和纹波无法区分。

对于给定的采样时间，如果需要提高低频范围内的分辨率，需要增加PRBS信号的阶数。

所述的PRBS信号的频率范围为[F

在获得所求系统的频率响应的过程中，需要考虑估计时间：估计时间是经过的时钟时间(使用注入的PRBS运行所用的时间)以及频率响应的计算时间(计算输入对输出的快速傅里叶变换的时间)；频率点数：所求对象频率响应的频率点数取决于使用的输入信号；可辨识频率：最小可辨识频率为仿真时间的倒数，最大可辨识频率为奈奎斯特频率。

在获取所求系统的频率特性过程中，在指定的输入分析点注入PRBS信号，则输出中应包含与注入的PRBS相同的响应，在输出分析点测量响应，然后对每一个输入与响应分别通过快速傅里叶变换获得对应的幅值和相角，也就获得了对应系统的伯德图，也就获得了系统的频率响应。

在某一频率点采用快速傅里叶变换处理制氢电解槽系统的输入信号以及输出信号，得到输入信号的幅值和相角分别为In

所述的快速傅里叶变换处理的过程如下：

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。