基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源及电源控制方法技术

本发明专利技术公开了基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源及电源控制方法，包括电压源型PWM变换器，移相全桥变换器，多脉波晶闸管变换器，三相LC滤波器，直流平波电抗器L1、L2，解耦电容器Cs，控制装置。多脉波晶闸管变换器与两级AC

【技术实现步骤摘要】
基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源及电源控制方法


[0001]本专利技术涉及制氢电源领域，具体是基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源及电源控制方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会发展的动力源泉，随着社会经济的高速发展，能源的需求量也在持续增加。与此同时，环境和能源危机日益加深，减少使用传统含碳化石能源已经迫在眉睫。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。与其他制氢方式相比，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、光伏等不稳定能源，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流用于电解水制氢。需要满足低压大电流输出、高可靠性、高效率及低电流纹波等特点。传统大功率电解堆栈整流电源通常采用二极管或晶闸管整流器(多脉波变换器)，其直流输出电压或电流中的纹波分量较大，导致制氢效率降低。并且整流器产生的谐波在不加任何补偿装置的情况下总谐波失真度往往大于5%，不能满足IEEE519标准对谐波的要求。在中小功率应用中直接采用脉宽调制（PWM）型整流器虽然具有较宽的调节范围，输出纹波小、功率因数高、输入电流畸变程度低、动态性能好等特点，但是其输出电流较小，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，提供基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源控制方法，包括如下步骤：步骤一，获取三相交流电源的输入电压va，vb，vc、多脉波晶闸管变换器三相输入电流ira，irb，irc、电压源型PWM变换器三相输入电流ica，icb，icc、解耦电容器两端反馈电压vCs、多脉波晶闸管变换器的输出电流idc1、移相全桥变换器输出电流idc2、整流电源输出电压udc和输出电流idc；步骤二，对所述的三相交流电源的输入电压va、vb、vc进行派克变换得到同步旋转坐标系下的输入电压的dq分量vd、vq；对所述的多脉波晶闸管变换器的三相输入电流ira、irb、irc进行派克变换得到同步旋转坐标系下的dq分量ird、irq；对所述的电压源型PWM变换器三相输入电流ica、icb、icc进行派克变换得到同步旋转坐标系下的dq分量icd、icq；步骤三，利用锁相算法对同步旋转坐标系下的输入电压的q轴分量vq的误差进行积分，得到三相交流输入电压的周期和参考相位θ；步骤四，对多脉波晶闸管变换器的输入电流的dq分量ird、irq进行DFT滑窗均值滤
波得到输入电流的dq分量的基波电流分量ird1、irq1，对多脉波晶闸管变换器的输出电流idc1进行DFT滑窗均值滤波得到多脉波晶闸管变换器的输出电流的平均值idc1_avg，通过ird和ird1的差值得到整流电源的谐波电流d轴补偿指令值idh，通过irq和irq1的差值得到整流电源的谐波电流q轴补偿指令值iqh，通过idc1和idc1_avg的差值得到整流电源的纹波电流补偿指令值Δidc1；步骤五，根据解耦电容器电压参考值VCs*与解耦电容器两端的反馈电压vCs的差值得到电压误差，电压误差经过解耦电容器电压控制器后得到电压源型PWM变换器的输入电流有功控制量idCS，根据多脉波晶闸管变换器的输出电流参考idc1*和多脉波晶闸管变换器的输出电流的平均值idc1_avg的差值得到的电流误差，经过多脉波晶闸管变换器的输出电流控制器输出多脉波晶闸管变换器的触发角α；步骤六，根据获得的icd、icq、vd、vq、v
Cs
、VCs*、idh、iqh、idCS作为电压源型PWM变换器的输入电流控制器的输入信号，输入电流控制器输出第一调制信号；根据获得的Δidc1、idc2、idc、vCs、VCs*作为移相全桥变换器的输出电流控制器的输入信号，输出电流控制器输出第二调制信号；步骤七，通过步骤五和六中所述的触发角α、第一调制信号、第二调制信号，通过对第一调制信号作派克反变换得到第三调制信号，第三调制波信号与载波信号比较后生成电压源型PWM变换器的驱动信号；通过对第二调制波信号与载波信号比较后生成移相全桥变换器的驱动信号；通过对触发角α信号与相位信号θ比较后生成多脉波晶闸管变换器的驱动信号；步骤八，根据电压源型PWM变换器的驱动信号，电压源型PWM变换器输入与多脉波晶闸管变换器输入侧产生的谐波电流大小相等方向相反的补偿电流ica、icb、icc；根据移相全桥变换器的驱动信号，移相全桥变换器输出与多脉波晶闸管变换器输出侧产生的纹波电流大小相等方向相反的补偿电流idc2。
[0005]进一步的，所述的DFT滑窗均值滤波采用如下公式：
式中，l个周期内采样次数为N，第i个采样点的采样值为i (i)，前一个周期内最滞后的采样值为i (i
‑
N)；其中的为第l个周期输入电流的dq分量的基波电流d轴分量，为第i个采样点的输入电流的dq分量的基波电流d轴分量，为第i个采样点的前一个周期内最滞后的输入电流的dq分量的基波电流d轴分量，为第l个周期输入电流的dq分量的基波电流q轴分量，第i个采样点的输入电流的dq分量的基波电流q轴分量，为第i个采样点的前一个周期内最滞后的输入电流的dq分量的基波电流q轴分量，为第l个周期多脉波晶闸管变换器的输出电流，为第i个采样点多脉波晶闸管变换器的输出电流，为第i个采样点的前一个周期内最滞后的多脉波晶闸管变换器的输出电流；通过ird和ird1的差值得到整流电源的谐波电流d轴补偿指令值idh，通过irq和irq1的差值得到整流电源的谐波电流q轴补偿指令值iqh，通过idc1和idc1_avg作差得到电解制氢整流电源的纹波电流补偿指令值Δidc1。
[0006]基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源，包括电压源型PWM变换器、移相全桥变换器、多脉波晶闸管变换器、三相LC滤波器、直流平波电抗器L1、直流平波电抗器L2、解耦电容器Cs；所述的移相全桥变换器、多脉波晶闸管变换器、三相LC滤波器、直流平波电抗器L2和解耦电容器Cs构成两级AC
‑
DC变换器；所述电压源型PWM变换器的桥臂为三相两电平结构，移相全桥变换器的相桥臂中点通过所述三相LC滤波器与电网连接，移相全桥变换器的输出端与所述的解耦电容器Cs一端连接，移相全桥变换器输入端与解耦电容器Cs另一端连接，移相全桥变换器输出端还与
直流平波电抗器L2的一端连接；所述多脉波晶闸管变换器一次侧与电网连接，多脉波晶闸管变换器二次侧与直流平波电抗器L1的一端连接；电压源型PWM变换器和移相全桥变换器串联构成辅助功率回路，直流平波电抗器L1的另一端和平波电抗器L2的另一端并联连接至电解槽负载。
[0007]本专利技术的有益效果是：（1）输出功率大，制氢效率高，本整流电源可输出功率可达兆瓦级，并且输出电流纹波小，电解堆栈制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双级辅助变换器的电解制氢整流电源控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，获取三相交流电源的输入电压va，vb，vc、多脉波晶闸管变换器三相输入电流ira，irb，irc、电压源型PWM变换器三相输入电流ica，icb，icc、解耦电容器两端反馈电压vCs、多脉波晶闸管变换器的输出电流idc1、移相全桥变换器输出电流idc2、整流电源输出电压udc和输出电流idc；步骤二，对所述的三相交流电源的输入电压va、vb、vc进行派克变换得到同步旋转坐标系下的输入电压的dq分量vd、vq；对所述的多脉波晶闸管变换器的三相输入电流ira、irb、irc进行派克变换得到同步旋转坐标系下的dq分量ird、irq；对所述的电压源型PWM变换器三相输入电流ica、icb、icc进行派克变换得到同步旋转坐标系下的dq分量icd、icq；步骤三，利用锁相算法对同步旋转坐标系下的输入电压的q轴分量vq的误差进行积分，得到三相交流输入电压的周期和参考相位θ；步骤四，对多脉波晶闸管变换器的输入电流的dq分量ird、irq进行DFT滑窗均值滤波得到输入电流的dq分量的基波电流分量ird1、irq1，对多脉波晶闸管变换器的输出电流idc1进行DFT滑窗均值滤波得到多脉波晶闸管变换器的输出电流的平均值idc1_avg，通过ird和ird1的差值得到整流电源的谐波电流d轴补偿指令值idh，通过irq和irq1的差值得到整流电源的谐波电流q轴补偿指令值iqh，通过idc1和idc1_avg的差值得到整流电源的纹波电流补偿指令值Δidc1；步骤五，根据解耦电容器电压参考值VCs*与解耦电容器两端的反馈电压vCs的差值得到电压误差，电压误差经过解耦电容器电压控制器后得到电压源型PWM变换器的输入电流有功控制量idCS，根据多脉波晶闸管变换器的输出电流参考idc1*和多脉波晶闸管变换器的输出电流的平均值idc1_avg的差值得到的电流误差，经过多脉波晶闸管变换器的输出电流控制器输出多脉波晶闸管变换器的触发角α；步骤六，根据获得的icd、icq、vd、vq、v
Cs
、VCs*、idh、iqh、idCS作为电压源型PWM变换器的输入电流控制器的输入信号，输入电流控制器输出第一调制信号；根据获得的Δidc1、idc2、idc、vCs、VCs*作为移相全桥变换器的输出电流控制器的输入信号，输出电流控制器输出第二调制信号；步骤七，通过步骤五和六中所述的触发角α、第一调制信号、第二调制信号，通过对第一调制信号作派克反变换得到第三调制信号，第三调制波信号与载波信号比较后生成电压源型PWM变换器的驱动信号；通过对第二调制波信号与载波信...

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