基于高变比变压器的电解制氢整流电源及控制方法技术

本发明专利技术公开了基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法，采集交流母线电压ua、ub、uc，采集6脉波晶闸管整流器输出电压u

【技术实现步骤摘要】
基于高变比变压器的电解制氢整流电源及控制方法


[0001]本专利技术涉及利用水电解制氢
，具体是基于高变比变压器的电解制氢整流电源及控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着全球环境污染、能源危机以及全球变暖等问题不断加剧，可再生能源的应用和发展得到了越来越广泛的关注，氢能作为零碳绿色可再生能源，具有能量密度大、转化效率高等优点，可实现开发到利用全过程零排放、零污染。氢气的制备是氢能产业链中的重要一环。现有制氢技术主要包括化石燃料及化工副产制氢、生物质制氢及电解水制氢等。其中，电解水制氢具有近零排放和制氢纯度高等优势，并且还可以和光伏、风力可再生能源发电结合起来，有效地消纳风电、光伏等不稳定电力，缓解其波动性对电网的冲击，具有重要的经济及社会效益。
[0003]整流电源作为电解水制氢的核心装置，其性能直接影响了制氢的效率和成本。整流电源输出直流电用于电解水制氢，需要满足低压大电流输出、高降压能力、高可靠性及低电流纹波等特点。现有学者研究表明，整流电源输出纹波越小，电解堆栈制氢效率越高。现有方案中，为了工业化大规模制氢，电解堆栈整流电源通常采用功率大、成本低的二极管或晶闸管整流器，这种电源输出纹波大，制氢效率低。在中小功率制氢中脉宽调制(PWM)型整流器应用较多，虽然其具有输出纹波小、功率因数高、动态性能好等特点，但是功率较小，并且成本高昂，无法用于大功率制氢。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法，包括如下过程：
[0005]采集交流母线电压ua、ub、uc，采集6脉波晶闸管整流器输出电压u
dc1
、单相H桥逆变器输出电压u
inv
；利用锁相电路得到a相电压ua的参考相位；
[0006]DSP控制模块根据6脉波晶闸管整流器输出电压、单相H桥逆变器输出电压的值进行控制计算，根据参考值与a相电压ua的参考相位确定6脉波晶闸管整流器控制信号，通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压；通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量，所述的输出电压纹波分量即为单相H桥逆变器目标电压，根据所述目标电压确定单相H桥逆变器的控制信号，通过控制信号调节单相H桥逆变器的输出电压达到目标值；当单相H桥逆变器输出电压大小为6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量的n倍，n为串联高变比降压变压器变比，通过串联高变比降压变压器后得到幅值和纹波电压分量相等，方向相反的补偿电压ucom实现纹波补偿，使负载两端电压为恒定直流。
[0007]进一步的，所述的通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压，包括如下过程:
[0008]6脉波晶闸管整流器采用PI控制策略，将采集得到的6脉波晶闸管整流器输出电压
u
dc1
经低通滤波器后与给定的参考电流u
dc1*
比较，得到输出的电流误差，所述的输出的电流误差经PI控制器调节后传递给反余弦变换器，得到触发角度α，通过锁相环模块根据电网电压ua、ub、uc得到电网电源相位信息θ，根据触发角α的大小调节晶闸管的触发时刻，改变输出电压。
[0009]进一步的，所述的通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量，包括如下过程：
[0010]令函数Ψ(t)＝u
dc1
若Ψ(t)的傅里叶变换Ψ(ω)满足：
[0011][0012]则Ψ(t)为一个基本小波,并定义以下积分:
[0013][0014]式中：f(t)是以Ψ(t)为基的积分连续小波变换，a为尺度因子，表示与频率相关的伸缩，b为时间平移因子；通过小波变换得到高频信号和低频信号，不断将低频信号中的高频信号分解出去，使低频信号不断趋于基波信号，高频信号趋于谐波信号，最后重构出纹波电压分量。
[0015]进一步的，所述的根据所述目标电压确定单相H桥逆变器的控制信号，通过控制信号调节单相H桥逆变器的输出电压达到目标值，包括如下过程:
[0016]将得到的单相H桥逆变器输出电压u
inv
与给定参考值的差值导入到逆变器输出电压控制模块中,所述的输出电压控制模块包括PI控制器和重复控制器，通过两个控制器的调节，得到单相H桥逆变器的控制信号，将控制信号导入PWM发生器，得到单相H桥逆变器的开关控制信号，根据控制信号控制开关管动作，调节单相H桥逆变器的输出电压达到目标值。
[0017]基于高变比变压器的电解制氢整流电源，包括6脉波晶闸管整流器，单相H桥逆变器、并联整流变压器、LC滤波器、串联高变比降压变压器、DSP控制模块、电压采样电路、驱动电路；所述并联整流变压器一次侧与三相交流母线连接，二次侧与6脉波晶闸管整流器桥臂的中点连接；所述6脉波晶闸管整流器上桥臂阴极与负载正极连接，下桥臂阳极与串联高变比降压变压器二次侧异名端连接；单相H桥逆变器第一桥臂中点与LC滤波器电感一端连接；LC滤波器电容一端以及串联高变比降压变压器一次侧异名端分别与单相H桥逆变器第二桥臂中点连接；LC滤波器电感另一端和LC滤波器电容另一端与串联高变比降压变压器一次侧同名端连接；串联高变比降压变压器二次侧同名端与负载正极连接。
[0018]本专利技术的有益效果是：提供的基于高变比变压器的串联补偿电解制氢整流电源输出功率大，输出功率可达兆瓦级，并且输出电流纹波小，电解堆栈制氢效率高。仅使用6个半控型器件和4个全控器件即可达到兆瓦级功率，器件的使用数量大幅减少，控制简单可靠，由于单相H桥逆变器容量很小，系统总成本大为降低。该整流电源使用串连结构，并经变压器隔离，该整流电源不可能产生环流，更加可靠稳定。
附图说明
[0019]图1为基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法的流程示意图；
[0020]图2为基于高变比变压器的串联补偿电解制氢整流电源的电路拓扑结构框图；
[0021]图3为6脉波晶闸管整流器输出的电流波形图；
[0022]图4为三相电流源型PWM整流器输出的电流波形图；
[0023]图5为整流电源总输出的电流和电压波形图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。
[0025]如图1所示，基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法，包括如下过程：
[0026]采集交流母线电压ua、ub、uc，采集6脉波晶闸管整流器输出电压u
dc1
、单相H桥逆变器输出电压u
inv
；利用锁相电路得到a相电压ua的参考相位；
[0027]DSP控制模块根据6脉波晶闸管整流器输出电压、单相H桥逆变器输出电压的值进行控制计算，根据参考值与a相电压ua的参考相位确定6脉波晶闸管整流器控制信号，通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压；通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量，所述的输出电压纹波分量即为单相H桥逆变器目标电压，根据所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法，其特征在于，包括如下过程：采集交流母线电压ua、ub、uc，采集6脉波晶闸管整流器输出电压u
dc1
、单相H桥逆变器输出电压u
inv
；利用锁相电路得到a相电压ua的参考相位；DSP控制模块根据6脉波晶闸管整流器输出电压、单相H桥逆变器输出电压的值进行控制计算，根据参考值与a相电压ua的参考相位确定6脉波晶闸管整流器控制信号，通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压；通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量，所述的输出电压纹波分量即为单相H桥逆变器目标电压，根据所述目标电压确定单相H桥逆变器的控制信号，通过控制信号调节单相H桥逆变器的输出电压达到目标值；当单相H桥逆变器输出电压大小为6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量的n倍，n为串联高变比降压变压器变比，通过串联高变比降压变压器后得到幅值和纹波电压分量相等，方向相反的补偿电压ucom实现纹波补偿，使负载两端电压为恒定直流。2.根据权利要求1所述的基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法，其特征在于，所述的通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压，包括如下过程:6脉波晶闸管整流器采用PI控制策略，将采集得到的6脉波晶闸管整流器输出电压u
dc1
经低通滤波器后与给定的参考电流u
dc1*
比较，得到输出的电流误差，所述的输出的电流误差经PI控制器调节后传递给反余弦变换器，得到触发角度α，通过锁相环模块根据电网电压ua、ub、uc得到电网电源相位信息θ，根据触发角α的大小调节晶闸管的触发时刻，改变输出电压。3.根据权利要求1所述的基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法，其特征在于，所述的通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量，包括如下过程：令函数Ψ(t)...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺明智，陈茂林，孟鑫，蒋璐岭，郭慧珠，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：