一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器及控制方法技术

本发明专利技术属于电力技术领域，提出了一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器及控制方法，整流器包括：并联的晶闸管整流器与辅助功率变换器，晶闸管整流器通过变压器二次侧低压输入为电解制氢负荷提供主要的功率支撑，所述辅助功率变换器为模块化多电平变换器MMC级联采用输入串联输出并联结构的移相全桥变换器，辅助功率变换器用于在传输部分功率的同时，在交流侧吸收电流谐波，在直流侧补偿电流纹波。本发明专利技术能够在晶闸管整流器提供大部分功率支撑的条件下，辅助功率变换器传输小部分功率，同时在交流侧补偿电流谐波，在直流侧补偿电流纹波，可以有效提高电解制氢效率，并且网侧电流畸变率小，系统功率因数大。系统功率因数大。系统功率因数大。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器及控制方法


[0001]本专利技术涉及电力
，特别涉及一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器及控制方法。

技术介绍

[0002]我国正加速能源清洁化转型进程，脱碳减排需求日益增长，为实现规模化低碳甚至无碳能源，我国提出“碳达峰”、“碳中和”目标，即二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。
[0003]氢能作为一种未来能源界极具发展潜力的能源，具有清洁、能量密度大、转化效率高等优点。我国提出要加速发展制氢、储氢、用氢等产业链技术装备，大力推动储能系统规模化示范，完善和落实可再生能源电力消纳机制。现有制氢方式主要包括化石燃料制氢、生物质制氢以及电解水制氢。其中，电解水制氢具有零碳排放、制氢纯度高等优点，不依赖化石能源，生产过程十分环保。并且电解水制氢可以消纳风电、光伏等高波动可再生能源，利用“弃水、弃风”电力来制取氢气，减小对于电网的干扰，可以有效解决我国可再生能源消纳及并网稳定性问题，因此具有重要的经济与社会效益以及广阔的发展前景。
[0004]可再生能源大功率电解制氢系统包括可再生能源微网、电解水制氢变换器、电解堆栈以及储氢单元等部分。在交流母线结构的可再生能源电解制氢系统中，AC
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DC变换器作为交流母线与电解制氢负荷之间的能量转换装置，需要满足高降压能力且输出连续可调、转换效率高、高可靠性、输出电流纹波小以及电流谐波符合国家标准等要求。目前用于电解制氢的并网AC
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DC变换器的拓扑结构主要包括可控硅整流器（SCR）和脉宽调制（PWM）整流器。大功率工业应用中一般采用晶闸管整流器，常用的有6脉波整流器与12脉波整流器，由于功率等级高，需要使用隔离变压器实现电气隔离，SCR通过调节晶闸管触发角来生成可变的直流，SCR具有结构简单、容量大、成本低的优点，但谐波严重，功率因数低，因此需要增加额外的滤波器、移相变压器或无功补偿器来减小谐波含量，但同时也增加了变换器的体积与成本。PWM整流器具有良好的控制特性，并且功率因数高、动态特性好，随着功率器件的不断发展，PWM整流器已经在中小功率系统中得到了广泛应用，PWM整流器应用高频调制可以减少谐波并提高功率，但全控型功率器件价格昂贵，因此不适用于大容量制氢场合。
[0005]近年来部分学者对变换器输出电能质量对电解堆栈制氢效率的影响进行了研究，研究结果表明，电解制氢中氢气产量虽然由电流平均值定义，但电流纹波会在电解槽中产生额外的功率损耗，电解堆栈的平均功耗随着电流纹波因数的增加而增加，因此变换器具有低电流纹波因数的输出有利于提高电解制氢效率以及电解槽寿命。有文献提出一种SCR与VSR组合的混合整流器，采用三相两电平电压源型整流器（VSR）级联移相全桥变换器，整体再与晶闸管整流器并联，在提高整体功率等级的同时，还可以有效解决输入电流畸变以及输出电流纹波系数大的问题，具有制氢效率高、低谐波的优点。但其VSC输入侧为低压交流母线，在大容量制氢场合下，尽管只传输小部分功率，也会在交流侧流过相当大的电流，增大制造难度和成本。此外，单级移相全桥变换器对于晶闸管整流器直流纹波分量的补偿
电流可达几百安倍，在实际应用中电感很难满足需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器及控制方法，可以有效克服以上所提变换器拓扑的缺点，能够满足大功率、高效、高可靠性、低成本的电解制氢应用场景。
[0007]本专利技术解决其技术问题，采用的技术方案是：首先，本专利技术提供一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器，包括：并联的晶闸管整流器与辅助功率变换器，所述晶闸管整流器通过变压器二次侧低压输入为电解制氢负荷提供主要的功率支撑，所述辅助功率变换器为模块化多电平变换器MMC级联，采用输入串联输出并联结构的移相全桥变换器，辅助功率变换器用于在传输部分功率的同时，在交流侧吸收电流谐波，在直流侧补偿电流纹波。
[0008]进一步的是， 所述MMC输入端为变压器一次侧，即电网交流母线，输出端为公共直流母线；MMC运行时采用的综合控制策略包括双闭环控制与子模块储能电容控制，MMC采用载波移相调制，双闭环控制产生的调制波叠加子模块储能电容控制产生的调制偏差量后构成总调制波，送入载波移相调制模块后产生PWM信号控制MMC上下桥臂子模块的投入与切出，在输出端将子模块的输出电平叠加，得到直流输出电压。
[0009]进一步的是，所述双闭环控制，包括：电压外环通过采样交流侧的三相电流和三相电压来计算无功功率，再与无功功率参考值比较，经过比例积分控制器得到内环q轴电流指令值的基波分量；通过采样公共直流母线电压，与直流母线电压参考值比较后经过PI控制器得到内环d轴电流指令值的基波分量；通过谐波检测单元提取晶闸管整流器输入端电流谐波分量作为MMC内环电流指令值的谐波分量，其过程包括采样晶闸管整流器输入电流后，经派克变换得到d
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q坐标系下的、分量，通过DFT滑窗迭代算法获得和在d
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q坐标系下的基波分量、，再将晶闸管整流器输入电流d
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q坐标系下的、分量在减去各自的基波分量、，得到MMC内环电流指令值的谐波分量、：MMC内环电流指令值的基波分量与谐波分量叠加构成MMC内环总电流指令值，根据混合整流器电流流向，得到叠加后MMC内环总电流指令值：MMC电流内环采用比例积分控制器与多重比例谐振控制器并联的结构，多重比例谐振控制器的传递函数为：
式中，为比例因数，为谐振因数，为截止角频率，为第i次谐振角频率，s为复频域里的拉普拉斯变量。
[0010]进一步的是，所述子模块储能电容控制，包括：桥臂能量均分控制以及子模块电容电压均压控制；所述桥臂能量均分控制，用于确保各个相单元中所有子模块电容电压的平均值稳定在其额定值，保证能量均衡分配到各相中，同时用于抑制桥臂间环流过大或过小。
[0011]所述子模块电容电压均压控制，用于确保各子模块电容电压实际值稳定在其额定值，将子模块电容电压实际值与参考值进行比较，若实际值偏小，则经过比例控制器得到一个正的控制量，然后根据桥臂电流方向得到调制波参考量，并采样桥臂电流，如果采样值为正，则子模块处于充电状态，控制器输出调制波参考量为正，子模块充电时间增加，那么子模块电容电压升高；同理，如果采样值为负，则子模块处于放电状态，控制器输出调制波参考量为负，子模块放电时间减小，那么阻止子模块电容电压进一步下降。
[0012]进一步的是，所述采用输入串联输出并联结构的移相全桥变换器在各模块参数一致的条件下，通过纹波检测单元提取晶闸管整流器输出端电流直流纹波分量，叠加直流偏置分量后作为移相全桥变换器总电流指令值，通过直接电流控制跟踪电流指令值，实现对于晶闸管整流器输出端直流纹波的补偿。
[0013]进一步的是，所述采用输入串联输出并联结构的移相全桥变换器采用共同占空比控制，首先通过纹波检测单元提取晶闸管整流器输出端电流直流纹波分量，叠加直流偏置分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器，其特征在于，包括：并联的晶闸管整流器与辅助功率变换器，所述晶闸管整流器通过变压器二次侧低压输入为电解制氢负荷提供主要的功率支撑，所述辅助功率变换器为模块化多电平变换器MMC级联，采用输入串联输出并联结构的移相全桥变换器，辅助功率变换器用于在传输部分功率的同时，在交流侧吸收电流谐波，在直流侧补偿电流纹波。2.根据权利要求1所述的一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器，其特征在于， 所述MMC输入端为变压器一次侧，即电网交流母线，输出端为公共直流母线；MMC运行时采用的综合控制策略包括双闭环控制与子模块储能电容控制，MMC采用载波移相调制，双闭环控制产生的调制波叠加子模块储能电容控制产生的调制偏差量后构成总调制波，送入载波移相调制模块后产生PWM信号控制MMC上下桥臂子模块的投入与切出，在输出端将子模块的输出电平叠加，得到直流输出电压。3.根据权利要求2所述的一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器，其特征在于，所述双闭环控制，包括：电压外环通过采样交流侧的三相电流和三相电压来计算无功功率，再与无功功率参考值比较，经过PI控制器得到内环q轴电流指令值的基波分量；通过采样公共直流母线电压，与直流母线电压参考值比较后经过比例积分控制器得到内环d轴电流指令值的基波分量；通过谐波检测单元提取晶闸管整流器输入端电流谐波分量作为MMC内环电流指令值的谐波分量，其过程包括采样晶闸管整流器输入电流后，经派克变换得到d
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q坐标系下的、分量，通过DFT滑窗迭代算法获得和在d
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q坐标系下的基波分量、，再将晶闸管整流器输入电流d
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q坐标系下的、分量在减去各自的基波分量、，得到MMC内环电流指令值的谐波分量、：MMC内环电流指令值的基波分量与谐波分量叠加构成MMC内环总电流指令值，根据混合整流器电流流向，得到叠加后MMC内环总电流指令值：MMC电流内环采用比例积分控制器与多重比例谐振控制器并联的结构，多重比例谐振控制器的传递函数为：式中，为比例因数，为谐振因数，为截止角频率，为第i次谐振角频率，s为复频域里的拉普拉斯变量。
4.根据权利要求2所述的一种基于MMC的大容量电解制氢混合整流器，其特征在于，...

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