一种用于电解水制氢的整流电源拓扑结构及控制方法

技术领域

本发明属于整流电源技术领域，尤其涉及一种用于电解水制氢的整流电源拓扑结构及控制方法。

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；随着可再生能源尤其是太阳能和风能的成本下降，电解水制氢在制氢行业占比越来越高。

整流电源作为电解水制氢的核心装置，其性能直接影响制氢的效率与成本；对于目前工业上广泛应用的级联普通电力滤波器、三相不控整流和直流交换模块的整流电源拓扑方案来说，存在直流变换模块、三相不控整流模块的电压等级高、网测电流谐波大的缺点，同时直流输出电流存在六脉动以及纹波大的问题，导致制氢效率低的问题，进而难以满足一些高要求场合的使用需求。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种用于电解水制氢的整流电源拓扑结构及控制方法，拟至少解决网侧电流谐波大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种用于电解水制氢的整流电源拓扑结构，包括主功率整流器、n分裂移相变压器以及n个低压直流变换模块；

所述主功率整流器包括整流桥

所述n分裂移相变压器的原边绕组与电网相连，副边绕组用于将电网输入的三相电压

n个所述低压直流变换模块的输入端与整流桥

本发明通过n分裂移相变压器，将n个低压直流变换模块并联后给后级电解槽供电，可以减小输入电流谐波畸变，避免对电网造成谐波污染；并且本发明提出低压直流变换模块过电流小，与传统方案相比，降低了低压直流变换模块所使用器件的要求，节约成本。

优选的，所述主功率整流器为并联型三相不控整流器，所述整流桥的结构为三相不可控二极管整流桥臂。

优选的，所述n分裂移相变压器的原边绕组采用星形连接，副边绕组采用三角形连接方式实现移相。

优选的，所述低压直流变换模块为升压斩波电路、降压斩波电路、带隔离的直流-直流变流电路以及直流-交流-直流电路中的任意一种。

优选的，所述n分裂移相变压器为降压型变压器。

一种用于电解水制氢的整流电源控制方法，采用本发明所述的整流电源拓扑结构，包括如下步骤：

利用控制单元中的采样电路采集电解水制氢整流器的输出电压

电解水制氢整流器的输出电压采用反馈控制，中央处理器给定电解水制氢整流器的输出电压参考值，并将参考值与所述输出电压

电压误差信号通过误差放大器计算得到驱动信号，通过电路将驱动信号传递给驱动单元中的PWM驱动电路，PWM驱动电路驱动n个低压直流变换模块改变电解水制氢整流器的输出电压。

优选的，所述PWM驱动电路驱动电解水制氢整流器的功率开关元器件，通过功率开关元器件控制电解水制氢整流电源的功率流动，以在负载两端施加电流及电压，进而达到改变电解水制氢整流器的输出电压。

优选的，所述PWM驱动电路为脉冲宽度调制电路。

本发明的有益效果包括：

1.输出功率大及制氢效率高；

本发明所述的整流器采用多分裂移相变压器，在交流侧形成多脉搏，输出电流纹波小，电解堆栈制氢效率高;

2.谐波小且对电网友好；

通过增加移相变压器绕组的个数和整流桥的个数，可以有效降低整流器的输入电流谐波畸变率，避免对电网造成谐波污染;

3.输出电流可灵活电解；

本发明所述整流器的不控整流和直流变换均使用低压模块，输出电流可以从零开始调节适合制氢电解槽低压及大电流的要求;

4.对器件过流能力要求低；

整流部分采用n个整流桥和低压直流变换模块并联的形式，不控整流使用二极管，低压整流变换模块使用开关管及二极管等器件，通过电流均为传统拓扑的1/n，在使用低压模块的情况下也可以满足大电流工况。

附图说明

图1为本发明的整流电源拓扑结构示意图。

图2为本发明的整流电源总输出的电流和电压波形图。

图3为传统方案中DC/DC变换器电流和本发明的DC/DC变换器的电流对比示意图。

图4为传统普通电力变压器的制氢整流电源方案电网侧a相的电流波形示意图。

图5为本发明的电流侧a相电流波形示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图1-附图5本发明作进一步的详细说明：

参见附图1所示，本发明提供的一种用于电解水制氢的整流电源拓扑结构及控制方法，包括一台n分裂移相变压器T、一台主功率整流器和n个低压直流变换模块；

所述主功率整流器由n个三相不控整流桥

附图1所示，GND为接地，所述n分裂移相变压器T的原边绕组与电网相连；副边绕组用于将电网输入的三相电压

所述n分裂移相变压器T的副边n个绕组采用不同的连接组号，使其输出互相差360/n电角度,以降低系统交流网侧谐波、提高网侧功率因数。

所述主功率整流器实现输出电压从交流到直流的转换；所述DC/DC变换器CH1-CHn用于实现输出电压的调节。

需要说明的是，本发明中所述的n为正整数。

一种用于电解水制氢的整流电源控制方法，采用本发明所述的整流电源拓扑结构，包括如下步骤：

利用控制单元中的采样电路采集电解水制氢整流器的输出电压

电解水制氢整流器的输出电压

电压误差信号通过误差放大器计算得到驱动信号，通过电路将驱动信号传递给驱动单元中的PWM驱动电路，PWM驱动电路驱动DC/DC变换器CH1-CHn改变电解水制氢整流器的输出电压

所述PWM驱动电路驱动电解水制氢整流器的功率开关元器件，通过功率开关元器件控制电解水制氢整流电源的功率流动，以在负载两端施加电流及电压，进而达到改变电解水制氢整流器的输出电压

所述PWM驱动电路为脉冲宽度调制电路。

参见附图2所示，其表示了相同功率、相同负载工况的情况，传统普通电力变压器的制氢整流电源方案中流过DC/DC变换的电流

参见附图3所示，其表示了本发明中流过负载的电压

参见附图4所示，其表示了传统普通电力变压器在制氢整流电源方案时，电网侧a相电流的波形。

参见附图5所示，为与图4相同工况下，使用本发明实施例中所述的整流电源拓扑结构及控制方法时，电网侧a相电流的波形；通过比较图4和图5可知，采用本发明所述的整流电源拓扑结构和控制方法时，电网侧电流更接近正弦，电流畸变率低，对电网带来的谐波污染更小。

本发明通过n分裂移相变压器，将n个DC/DC变换器并联后给后级电解槽供电可以减小输入电流谐波畸变，避免对电网造成谐波污染。本发明所提出的整流电源DC/DC变换器国电流小，与传统方案相比，降低了DC/DC变换器所使用器件的要求，节约成本。

基于上述可知，本发明所提供的一种电解水制氢的整流电源拓扑结构及控制方法，具备交流侧脉波数多、输出电流纹波小、直流输出电压可控、制氢效率高、交流网侧谐波小、功率因素高以及可在低电压工况下输出大电流的特征。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。