用于实现制氢系统最优效率的新型变流器及其控制方法技术方案

本发明专利技术涉及电力电子变流器控制领域，旨在提供一种用于实现制氢系统最优效率的新型变流器及其控制方法。该变流器连接三相交流电源和电解槽，是由两级变流器组成的隔离型AC/DC变流器，包括依次电连接的三相功率校正整流器模块和移相全桥模块，两个模块之间设电解电容；其中，三相功率校正整流器模块由六个开关管组成，各开关管相互连接组成三个H桥结构；移相全桥模块包含DC/AC子模块和AC/DC子模块；其中，DC/AC子模块包含四个开关管组成的原边H桥；AC/DC子模块位于变压器的副边侧，包括同步整流开关管和电感电容滤波电路，其输出端接至电解槽。本发明专利技术具有开关损耗低、负载电压调节范围宽的优点，能满足制氢系统的需求。能满足制氢系统的需求。能满足制氢系统的需求。

【技术实现步骤摘要】
用于实现制氢系统最优效率的新型变流器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子变流器控制领域，尤其涉及一种基于制氢系统最优效率的新型变流器及其控制方法。

技术介绍

[0002]在全球提倡“碳中和，碳达峰”的时代背景，发展高效能、零排放的可再生能源电解氢技术已经成为“碳中和，碳达峰”的关键。作为电解水制氢的核心装置，电解槽需要直流供电。由此，交直流电力电子变流器成为重点研发对象。在此过程中，提高制氢系统的效率也是十分重要的。为提高电解槽的产氢率，变流器需要有输出电流纹波应尽量小，输出低压大电流的特点。
[0003]传统制氢电源的Buck变流器虽能够实现降压，但降压能力有限，并且开关管的电压、电流应力较大，导致开关损耗增加，影响系统的整体效率。此外，传统技术中的制氢系统采用固定直流链路电压的方法，通过调节电解槽端电压、电流以提高电解槽输入电能到化学能的能量转化效率，却未考虑变流器的功率损耗，这往往会造成制氢系统的能量利用效率偏低的后果。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于制氢系统最优效率的新型变流器及其控制方法。
[0005]为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：
[0006]提供一种用于实现制氢系统最优效率的新型变流器，该变流器连接三相交流电源和电解槽，是由两级变流器组成的隔离型AC/DC变流器，包括依次电连接的三相功率校正整流器模块(AC/DC模块)和移相全桥模块(DC/DC模块)，两个模块之间设电解电容；其中，<br/>[0007]所述三相功率校正整流器模块由六个开关管组成，各开关管相互连接组成三个H桥结构；
[0008]所述移相全桥模块包含DC/AC子模块和AC/DC子模块；其中，DC/AC子模块包含四个开关管组成的原边H桥；AC/DC子模块位于变压器的副边侧，包括同步整流开关管和电感电容滤波电路，其输出端接至电解槽。
[0009]本专利技术进一步提供了基于前述新型变流器的实现制氢系统最优效率的控制方法，具体包括以下步骤：
[0010](1)采集电解槽两端电压、电流大小，计算电解过程中电能到化学能的能量转化效率；
[0011](2)进行电解槽最优效率的梯度迭代，得到移相全桥模块的电压环基准值V
0_ref
；
[0012](3)移相全桥模块的电压环控制：以电压环基准值V
0_ref
减去电压采样值V0得到电压误差，将电压误差作为PI控制器的输入，经过PI控制器的运算后得到移相全桥模块的有效占空比，以及三相功率校正整流器模块的电流补偿项I
comp
：
[0013](4)利用步骤(3)中获得的有效占空比，生成移相全桥模块的H桥的PWM波，用于控制H桥中两对开关管各自同时导通的时间长度；
[0014](5)建立级联交直流变流器损耗模型，线性化损耗多项式中分数阶项；
[0015](6)基于级联交直流变流器损耗多项式，求解多项式在V
DC
∈[V
min
，V
max
]中的根的数量；
[0016](7)利用梯度法求解变流器最优效率下的直流链路电压V
DC
；
[0017](8)三相功率校正整流器模块的电压外环控制：以电压环基准值V
DC_ref
减去直流链路电压采样值V
DC
得到电压误差，将该电压误差作为PI控制器的输入，经过PI控制器的运算后加上步骤(3)中的电流补偿项I
comp
，得到电流幅值调节系数；
[0018](9)将电流幅值调节系数与相电压相乘，得到用于三相功率校正整流器模块的三相相电流指令值；
[0019](10)三相功率校正整流器模块的电流内环控制：生成三相调制波，与载波比较得到六路SPWM信号用于对六个开关管分别进行控制。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021]1、本专利技术采用级联型交直流变流器，前级三相升压型功率因数校正整流器输入三相交流，可以降低变换输入端电能谐波率，为后级变流器提供宽范围可调高直流链路电压。后级移相全桥直流变流器输入高压，利用变压器的降压能力为电解槽提供低压大电流，具有开关损耗低、负载电压调节范围宽的优点，能满足制氢系统的需求。
[0022]2、本专利技术基于最优梯度迭代法，能提高电解过程中电解槽输入电能到化学能的能量转化效率；
[0023]3、本专利技术采用可调直流链路电压的方法，可降低级联交直流变流器的功率损耗。相比于传统的Buck变流器而言，本专利技术能显著提高制氢系统的整体效率。
附图说明
[0024]图1为以电解槽为负载的级联交直流变流器拓扑及控制流程。
[0025]图2为确定电解槽最优电能转化效率、电解槽端电压的最优梯度迭代流程图。
[0026]图3为移相全桥PWM控制方式。
[0027]图4为确定交直流变流器最优效率下直流链路电压VDC的流程图。
[0028]图1中附图标记：1外热源；2电解槽。
具体实施方式
[0029]下面根据附图详细说明本专利技术。
[0030]本专利技术中用于实现制氢系统最优效率的新型变流器是由两级变流器组成的隔离型AC/DC变流器，连接三相交流电源和电解槽；该变流器包括依次电连接的三相功率校正整流器模块和移相全桥模块，两个模块之间设电解电容；其中，
[0031]三相功率校正整流器模块由六个开关管组成，各开关管相互连接组成三个H桥结构；针对不同桥臂施加相位相差120度的三相对称正弦调制波信号；其中三相调制信号的相位基准分别由该相相电压相位决定，三相调制信号的幅值由电压外环输出信号决定。
[0032]移相全桥模块包含DC/AC子模块和AC/DC子模块；其中，DC/AC子模块包含四个开关
管组成的原边H桥；AC/DC子模块位于变压器的副边侧，包括同步整流开关管和电感电容滤波电路，其输出端接至电解槽。对于DC/AC子模块，调整其原边H桥中同一桥臂开关管的门极驱动信号占空比均为50％、移相角度为180度，通过控制不同桥臂上管和下管的移相角度使得变压器原端得到不同占空比的方波；然后通过原副边匝数比为n的变压器的隔离变换作用，使副边电压成为相对于原边电压衰减n倍的方波；最后利用AC/DC子模块对副边电压进行整流，得到纹波更小的直流电压和电流以满足电解槽的需求。
[0033]本专利技术基于该变流器提供了一种实现制氢系统最优效率的控制方法，具体包括以下步骤：
[0034]1、采集电解槽两端电压V0、电流大小I0，计算电解氢气中电能到化学能的能量转化效率η：
[0035][0036]上式中，Q
H
为氢气化学能，Q
heat
为外部热源供给能量，Q
power
为输入电能，K为电化学系数，R
h
为氢气化学能热值，β为温度调整系数，F为法拉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于实现制氢系统最优效率的新型变流器，该变流器连接三相交流电源和电解槽；其特征在于，该变流器是由两级变流器组成的隔离型AC/DC变流器，包括依次电连接的三相功率校正整流器模块和移相全桥模块，两个模块之间设电解电容；其中，所述三相功率校正整流器模块由六个开关管组成，各开关管相互连接组成三个H桥结构；所述移相全桥模块包含DC/AC子模块和AC/DC子模块；其中，DC/AC子模块包含四个开关管组成的原边H桥；AC/DC子模块位于变压器的副边侧，包括同步整流开关管和电感电容滤波电路，其输出端接至电解槽。2.根据权利要求1所述的变流器，其特征在于，对于三相功率校正整流器模块，针对不同桥臂施加相位相差120度的三相对称正弦调制波信号；其中三相调制信号的相位基准分别由该相相电压相位决定，三相调制信号的幅值由电压外环输出信号决定；对于移相全桥模块的DC/AC子模块，调整其原边H桥中同一桥臂开关管的门极驱动信号占空比均为50％、移相角度为180度，通过控制不同桥臂上管和下管的移相角度使得变压器原端得到不同占空比的方波；然后通过原副边匝数比为n的变压器的隔离变换作用，使副边电压成为相对于原边电压衰减n倍的方波；最后利用AC/DC子模块对副边电压进行整流，得到纹波更小的直流电压和电流以满足电解槽的需求。3.基于权利要求1所述新型变流器的实现制氢系统最优效率的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)采集电解槽两端电压、电流大小，计算电解过程中电能到化学能的能量转化效率；(2)进行电解槽最优效率的梯度迭代，得到移相全桥模块的电压环基准值V
0_ref
；(3)移相全桥模块的电压环控制：以电压环基准值V
0_ref
减去电压采样值V0得到电压误差，将电压误差作为PI控制器的输入，经过PI控制器的运算后得到移相全桥模块的有效占空比，以及三相功率校正整流器模块的电流补偿项I
comp
：(4)利用步骤(3)中获得的有效占空比，生成移相全桥模块的H桥的PWM波，用于控制H桥中两对开关管各自同时导通的时间长度；(5)建立级联交直流变流器损耗模型，线性化损耗多项式中分数阶项；(6)基于级联交直流变流器损耗多项式，求解多项式在V
DC
∈[V
min
，V
max
]中的根的数量；(7)利用梯度法求解变流器最优效率下的直流链路电压V
DC
；(8)三相功率校正整流器模块的电压外环控制：以电压环基准值V
DC_ref
减去直流链路电压采样值V
DC
得到电压误差，将该电压误差作为PI控制器的输入，经过PI控制器的运算后加上步骤(3)中的电流补偿项I
comp
，得到电流幅值调节系数；(9)将电流幅值调节系数与相电压相乘，得到用于三相功率校正整流器模块的三相相电流指令值；(10)三相功率校正整流器模块的电流内环控制：生成三相调制波，与载波比较得到六路SPWM信号用于对六个开关管分别进行控制。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：
采集电解槽两端电压V0、电流大小I0，计算电解过程中电能到化学能的能量转化效率η：上式中，Q
H
为氢气化学能，Q
heat
为外部热源供给能量，Q
power
为输入电能，K为电化学系数，R
h
为氢气化学能热值，β为温度调整系数，F为法拉第常数，V
rev
为电解单元可逆电压，λ为热能散失系数，r1、r2、s1、s2、s3、t1、t2、t3为经验常数，T1为电解槽温度，S为该温度下氢气的熵值，A为电极面积，N
cell
为电解单元个数。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：将第n时刻采集的电解槽端电压V0(n)，与第n
‑
1时刻采集的电解槽端电压V0(n
‑
1)做差，得到相邻时间下电解槽的电压差ΔV0(n)；将第n时刻计算得到的能量效率η(n)，与第n
‑
1时刻计算得到的能量效率η(n
‑
1)做差，得到相邻时间下电解槽能量效率差Δη(n)；将相邻时间下能量效率差Δη(n)除以相邻时间下的电解槽的电压差ΔV0(n)；若Δη(n)/ΔV0(n)＞0，则下一时刻电解槽端电压V0(n+1)＝V0(n)+ε；若Δη(n)/ΔV0(n)＜0，则下一时刻电解槽端电压V0(n+1)＝V0(n)
‑
ε；并将V0(n+1)作为第n+2时刻移相全桥电压外环基准值V
0_ref
＝V0(n+1)。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：(5.1)计算功率因数校正整流器损耗；(5.2)计算移相全桥变流器损耗；(5.3)在前述两个步骤的基础上，带入材料特性建立以直流电压为自变量的级联交直流变流器损耗P
tot
多项式：其中，其中，其中，其中，其中，
将损耗模型多项式中的分数阶项在直流链路电压的稳态工作点附近线性化：其中，其中，其中，其中，以上各式中，P
P...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勇刚，熊家，韦巍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：