一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明涉及电解水制氢领域领域，尤其是一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构及控制方法。

背景技术

新能源技术近年来快速发展，在主干网和配电网中所占比例不断提高，新能源的消纳和存储已成为大规模新能源发展的瓶颈之一，如大规模风电场弃风等现象日益严重，急需解决。而电解水制氢为能源消纳提供一条新的解决途径。电解水可以为淡水也可以为经过处理的海水，其原料成本较低，氢气可压缩存储、用于工业生产和制造燃料电池等等。利用新能源制氢的装置中，变流器是关键设备之一。基于海上风电场的制氢设备已在国内建设示范工程，如河北沽源的10MW制氢工程，与200MW风电厂连接，利用剩余风能实现电解水制氢，有效缓解弃风等问题，并可作为现代电力系统中大规模储能的可行方案之一。

制氢变流器可连接于交流母线或直流母线，将电压等级相对较高的交流电和直流电转换为低压直流电能，对制氢电解槽供电。目前文献中针对风能制氢系统通常采用DC/DC变流器连接于风电变流器直流母线，或连接于并网点的交流母线。而制氢装置额定工作电压通常仅几伏，氢气产量与电流成正比，而为了匹配风电机组电压等级，所采用的常规DC/DC或AC/DC变流器通常电压较高，需要采用高变比的变流器，而电流输出能力有限。若采用单向交流电源供电可降低系统电压等级，提高系统效率，而目前，单向交流系统中制氢变流器的研究成果相对较少，且研究基于单向交流电的制氢变流器可扩展制氢系统的应用场合，因此所提出的一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构及其控制方法具有重要研究意义和应用前景。

对连接与风电机组变流器直流母线的风电制氢装置，可采用Buck变换器，实现降压DC/DC变换，通过调节DC/DC变换器占空比调整电解槽电压，从而控制氢气产量。对连接与并网点三相交流母线的制氢装置，首先进行AC/DC的变换，其输出直流电压再经过DC/DC变换转化为低压直流电，对电解槽供电。其中AC/DC变流器控制直流电压，DC/DC变流器控制输出电流。如文献“广东电力，2019，vol.32,No.5基于风电制氢与超级电容器混合储能的可控直驱永磁风电机组建模与控制”所述控制方法能够实现DC/DC变流器控制，其基于PI调节器设计制氢变流器的输出电流控制器，但该方法无法直接连接交流电源，需设计单向AC/DC变换器为制氢装置供电，并提供适合电解槽工作电压等级。考虑实际工程中可多组电解槽串联，提高额定工作电压，但其串联后电压仍然相对较低，因此，需设计变流器拓扑实现AC/DC变换，以及低压和高压侧的隔离；在控制策略方面，应能协调制氢装置和网侧变流器功率平衡，提高系统动态性能。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是目前文献中针对风能制氢系统通常采用DC/DC变流器连接于风电变流器直流母线，或连接于并网点的交流母线。而制氢装置额定工作电压通常仅几伏，氢气产量与电流成正比，而为了匹配风电机组电压等级，所采用的常规DC/DC或AC/DC变流器通常电压较高，需要采用高变比的变流器，而电流输出能力有限。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构，包括，交流电源，所述交流电源为单相交流电压源，所述交流电源与交流电抗串联后与前级整流模块并联，并联后的低压端与接地点相连；

前级整流模块，所述前级整流模块有多组直流输出端，所述前级整流模块的所有直流输出端均与第二级变换模块直流输入端相连；

第二级变换模块，所述第二级变换模块有多组直流输入端和直流输出端，所述第二级变换模块所有的直流输入端均与前级整流模块对应的直流输出端连接，所述第二级变换模块所有的直流输出端相互并联，并联后的直流输出端正极和负极分别与电解槽的阳极和阴极相连；

控制系统模块，采集系统电压、电流信息，计算并输出控制信号，发送至前级整流模块和第二级变换模块。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的一种优选方案，其中：所述交流电源由单相交流电压源、输出断路器、充电电阻和旁路接触器组成，所述单相交流电压源一端接地，另一端与输出断路器和充电电阻串联，充电电阻与旁路接触器并联后与交流电抗器一端相连。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的一种优选方案，其中：所述前级整流模块由多个全桥模块串联组成，串联后一端与交流电抗器连接，另一端与交流电源和接地点连接。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的一种优选方案，其中：所述全桥模块由第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件两两串联再并联，串联的连接点为全桥模块的交流输出端，第三开关器件、第四开关器件并联后再与模块电容、放电电阻和旁路开关并联，模块电容的正负极为全桥模块的直流输出端。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的一种优选方案，其中：所述第二级变换模块包括多个DC/DC模块，每个DC/DC模块的直流输入端与前级整流模块中的一个全桥模块输出端相连，每个DC/DC模块直流输出端的正极和负极均分别与电解槽阳极和阴极连接，所述DC/DC模块中第五开关器件、第六开关器件、第七开关器件、第八开关器件分别与第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管反并联，并以全桥结构相互连接，组成H桥模块，H桥模块的直流侧连接DC/DC模块的直流输入端，H桥模块的交流侧与高频变压器原边绕组并联，高频变压器副边绕组两端分别连接第九二极管和第十二极管的阴极，第九二极管和第十二极管阳极均与输出电容负极连接，输出电容正极与第一直流电抗器和第二直流电抗器一端连接，第一直流电抗器和第二直流电抗器的另一端分别与第九二极管和第十二极管阴极相连。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的一种优选方案，其中：所述控制系统模块，接收所有全桥模块和DC/DC模块电压，以及单相交流电网电压和电流、电解槽电压和电流信息、经计算后输出所有全桥模块和DC/DC模块触发信号，所采用的控制信号计算包括两个的部分，前级整流模块控制结构和第二级变换模块控制结构。

本发明提供如下技术方案：一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的控制方法，其中：所述前级整流模块控制结构包括以下计算过程，

计算电网相位；计算交流电流相位；计算电流幅值信号；计算交流电流给定信号；交流电流控制量计算；稳态调制信号幅值计算；稳态调制信号相位计算；稳态电压调制信号计算；前级整流触发脉冲输出。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的控制方法一种优选方案，其中：所述第二级变换模块控制结构包括以下计算过程，

电解槽给定电流计算；DC/DC模块给定电流计算；移相角计算；触发信号输出。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的控制方法一种优选方案，其中：所述计算电网相位为将交流电压采样值经延时环节与锁相环连接，计算交流电压源相位信号；所述计算交流电流相位为将电容电压平均值给定和所有全桥模块电容电压平均值做差，差值与第一比例-积分调节器输入端连接，第一比例-积分调节器输出为前级整流模块的电压相位调节量，电压相位调节量与比例系数0.5相乘得到电流相位调节量，再将电流相位调节量与交流电压源相位相加得到交流电流相位信号。

作为本发明所述适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的控制方法一种优选方案，其中：所述电解槽给定电流计算包括将电解槽给定电压和电解槽反馈电压值作差，差值经第三PI调节器计算，输出信号为电解槽给定电流值；所述DC/DC模块给定电流计算包括将电解槽给定电流除以DC/DC模块个数n，得到单个DC/DC模块输出电流稳态值，再将第n个DC/DC模块输入电压值与其平均值给定信号作差，并经比例调节器得到第n个DC/DC模块输出电流调节量，将DC/DC模块输出电流稳态值与第n个DC/DC模块输出电流调节量相加，得到第n个DC/DC模块的电流给定信号。

本发明的有益效果：

1、所提的制氢装置能够连接单相交流电网，交流输入端采用单桥臂的模块级联结构，可适用于多种交流电压等级接入，输出端以单个子模块电容作为直流电源，并经过倍流式DC/DC变换，提高电流输出能力。由于采用模块化结构，可再将多个DC/DC变换器并联对电解槽供电，进一步提高电流输出能力，实现高压交流到低压直流的变换，并且易于实现较高的电压变比。

2、针对前级整流模块提出单桥臂电压控制方法，通过改变前级整流模块的输出电压相位，控制交流电源输出有功功率，实现交流和直流侧功率平衡。基于比例-谐振调节器实现电流内环的快速跟踪。同时将电解槽输出的直流功率引入前级整流模块控制回路，以及将前级整流模块电容电压引入第二级变换模块输出电流控制回路，实现前级整流和第二级变换之间的协调控制功能，能够提高系统动态响应速度。

3、所提出的制氢装置和控制方法，拓扑结构和控制模块均采用两级结构，所设计的第二级变换模块，可以很容易的改造为级联结构，将DC/DC变换模块的直流输入端直接改造为首尾依次串联连接，断开前级整流模块即可实现高压直流电网的接入，因此可以应用于传统交流配电网和新型的直流配电网进行制氢，作为其储能手段之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明提供的一种实施例所述的适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的示意图；

图2为本发明提供的一种实施例所述的适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构中前级整流模块中全桥模块的结构示意图；

图3为本发明提供的一种实施例所述的适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构中第二级变换模块中DC/DC模块电压结构示意图；

图4为本发明提供的一种实施例所述的适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构中前级整流模块控制方法示意图；

图5为本发明提供的一种实施例所述的适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构中DC/DC模块控制方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1～3，本实施例提供了一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构，包括交流电源100、前级整流模块200、第二级变换模块300以及控制系统模块400四部分，其中，交流电源100，交流电源100为单相交流电压源，交流电源100与交流电抗串联后与前级整流模块200并联，并联后的低压端与接地点相连；前级整流模块200，前级整流模块200有多组直流输出端，前级整流模块200的所有直流输出端均与第二级变换模块300直流输入端相连；第二级变换模块300，第二级变换模块300有多组直流输入端和直流输出端，第二级变换模块300所有的直流输入端均与前级整流模块200对应的直流输出端连接，第二级变换模块300所有的直流输出端相互并联，并联后的直流输出端正极和负极分别与电解槽的阳极和阴极相连；控制系统模块400，采集系统电压、电流信息，计算并输出控制信号，发送至前级整流模块200和第二级变换模块300，实现电解槽的稳定工作，保持前级整流模块200和第二级变换模块300的功率平衡。

进一步的，交流电源100由单相交流电压源S、输出断路器CB01、充电电阻R和旁路接触器CB02组成，单相交流电压源一端接地，另一端与输出断路器和充电电阻串联，充电电阻与旁路接触器并联后与交流电抗器一端相连；运行时，输出断路器CB01首先闭合，保持旁路接触器CB02为断开状态，前级整流模块经充电电阻R充电，充电至稳态后闭合旁路接触器CB02，前级整流模块进行可控充电，切除部分全桥模块，使所有全桥模块电压上升至额定值。

其中，前级整流模块200由多个全桥模块串联组成，串联后一端与交流电抗器连接，另一端与交流电源和接地点连接。

进一步的，全桥模块由第一开关器件IGBT1、第二开关器件IGBT2、第三开关器件IGBT3、第四开关器件IGBT4两两串联再并联，串联的连接点为全桥模块的交流输出端，第三开关器件、第四开关器件并联后再与模块电容Csm、放电电阻Rsm和旁路开关CBsm并联，模块电容Csm的正负极为全桥模块的直流输出端。

第二级变换模块300包括多个DC/DC模块，每个DC/DC模块的直流输入端与前级整流模块200中的一个全桥模块输出端相连，每个DC/DC模块直流输出端的正极和负极均分别与电解槽阳极和阴极连接，DC/DC模块中第五开关器件IGBT5、第六开关器件IGBT6、第七开关器件IGBT7、第八开关器IGBT8件分别与第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8反并联，并以全桥结构相互连接，组成H桥模块，H桥模块的直流侧连接DC/DC模块的直流输入端，H桥模块的交流侧与高频变压器Tn原边绕组并联，高频变压器Tn副边绕组两端分别连接第九二极管D9和第十二极管D9的阴极，第九二极管D9和第十二极管D10阳极均与输出电容C

进一步的，控制系统模块接收所有全桥模块和DC/DC模块电压，以及单相交流电网电压Ug和电流Iac、电解槽电压u

本实施例所提的制氢装置能够连接单相交流电网，交流输入端采用单桥臂的模块级联结构，可适用于多种交流电压等级接入，输出端以单个子模块电容作为直流电源，并经过倍流式DC/DC变换，提高电流输出能力。由于采用模块化结构，可再将多个DC/DC变换器并联对电解槽供电，进一步提高电流输出能力，实现高压交流到低压直流的变换，并且易于实现较高的电压变比；针对前级整流模块提出单桥臂电压控制方法，通过改变前级整流模块的输出电压相位，控制交流电源输出有功功率，实现交流和直流侧功率平衡。基于比例-谐振调节器实现电流内环的快速跟踪。同时将电解槽输出的直流功率引入前级整流模块控制回路，以及将前级整流模块电容电压引入第二级变换模块输出电流控制回路，实现前级整流和第二级变换之间的协调控制功能，能够提高系统动态响应速度。

实施例2

参照图1～5，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例，且与上一个实施例不同的是：本实施例提供了一种适用于接入单相交流系统的制氢变流器拓扑结构的控制方法，S1中前级整流模块200控制结构包括以下计算过程：

S11：计算电网相位：将交流电压采样值Ug经延时环节,延时5ms，与锁相环PLL连接，计算交流电压源相位信号θ

S12：计算交流电流相位：将电容电压平均值给定

S13：计算电流幅值信号

将制氢输出功率P

S14：计算交流电流给定信号

将第S12步计算得到的交流电流相位信号θ

S15：交流电流控制量计算

将第S14步计算得到交流电流给定信号

S16：稳态调制信号幅值计算

将无功功率给定值Q

S17：稳态调制信号相位计算

将交流电压源相位信号θ

S18：稳态电压调制信号计算

将第S16步计算得到的稳态调制信号幅值u

S19：前级整流触发脉冲输出

将第S15步计算得到的交流电流控制量Δu和第S18步计算得到的稳态电压调制信号u

进一步的，所述S2：第二级变换模块控制结构包括以下计算过程：

S21：电解槽给定电流计算

将电解槽给定电压

S22：DC/DC模块给定电流计算

将电解槽给定电流I

S23：移相角计算

将第S22步计算得到的第n个DC/DC模块给定电流I

S24：触发信号输出

第S22步计算得到的输出移相角α

本发明所提出的制氢装置和控制方法，拓扑结构和控制模块均采用两级结构，所设计的第二级变换模块，可以很容易的改造为级联结构，将DC/DC变换模块的直流输入端直接改造为首尾依次串联连接，断开前级整流模块即可实现高压直流电网的接入，因此可以应用于传统交流配电网和新型的直流配电网进行制氢，作为其储能手段之一。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。