具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法技术

本发明专利技术属于整流器控制技术领域，提出了具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法，其中，该整流器包括：带下垂控制的逆变器、多抽头变压器、双向开关器件、相控型整流器和控制器；本发明专利技术的控制方法通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。本发明专利技术能够达到辅助稳定微电网频率的作用，与传统新能源电解制氢情况相比，能够有效避免传统新能源发电的情况下发电侧功率波动时出现的交流母线频率振荡以及更严重的系统崩溃现象。严重的系统崩溃现象。严重的系统崩溃现象。

【技术实现步骤摘要】
具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法


[0001]本专利技术涉及整流器控制
，特别涉及具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法。

技术介绍

[0002]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，有效的消纳风电、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；制氢能源输出直流电流用于电解制氢，并满足低压大电流输出、高可靠性及高效率等特点。目前工业用大功率电解制氢晶闸管整流器通常前级采用有载调压变压器，有载调压变压器的调节档位较多，可以在带负载的情况下对电压等级进行调整，通过调节变压器档位和晶闸管整流器的触发角实现对晶闸管整流器输出功率的调节；但是有载调压变压器档位调节通过切换机械开关实现，档位调节所需时间较长；当采用风电、光伏等波动性可再生能源对电解制氢整流器电源进行供电时，需要根据可再生能源发电功率的变化调节整流电源输出电压（电流）调节电解制氢功率，但采用有载调压变压器动态响应速度慢，无法实现对再生能源发电功率的跟随。并且在离网情况下，交流母线频率的稳定也是一个极为重要的因素，而具备频率调节能力的采用电力电子有载分接开关的新能源电解制氢整流器能够以较快的速度进行功率的调节，因此其能够较好的稳定微电网交流母线的频率。
[0004]为了实现对整流电源输出功率的快速调节，有方法提出采用固定变比的变压器，仅通过调节晶闸管整流器的触发角实现对整流器输出功率的调节；采用该方法虽然可以实现快速调节整流器输出功率，但是在触发角较大时会使整流电源的并网电流谐波、功率因数等变差，使其无法满足并网要求；并且当处于微电网状态时，交流母线的频率的稳定性也因为功率的无法快速控制调整而难以保证，频率的失稳甚至可能导致微电网的崩溃，因此对整流器的控制手段也需要解决。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法，在解决目前采用的有载变压器导致的动态响应速度慢，无法实现对再生能源发电功率跟随的问题同时，当处于风、光等新能源发电的微电网的情况下，还能够通过使用下垂控制方法有效解决微电网母线频率的波动问题。
[0006]本专利技术解决其技术问题，采用的技术方案是：一方面，本专利技术提供了具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，包括：
带下垂控制的逆变器，用于模拟新能源电网的弱电网情况，为后级多抽头变压器提供交流电；多抽头变压器，用于实现电压的变换，其中多抽头变压器的低压侧与相控型整流器连接，所述多抽头变压器中分出有多个抽头，所述多抽头变压器的输入端与带下垂控制的逆变器的输出端连接，通过交流母线为多抽头变压器供电；双向开关器件，用于实现抽头之间的切换；相控型整流器，其输出端与电解槽连接，用于为电解槽供电；控制器，用于通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。
[0007]作为进一步优化，所述使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，是指：通过采用下垂控制的原理将相控整流器一次侧交流母线的频率与负载端的电流相联系起来，并设计交流母线频率的变化值与电流的指令值之间的下垂关系方程，通过检测实时交流母线的频率值用于控制负载端电流指令值。
[0008]作为进一步优化，通过使用锁相环PLL采集带下垂控制的逆变器的交流母线频率，将得到的频率实际值f与已设定的频率参考值fref比较作差之后经过下垂关系方程控制之后得到实时的电流指令值Iref，进而实现了交流母线频率与后级整流器之间的控制联系。
[0009]作为进一步优化，所述在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系，包括：采用电流互感器实时采集新能源发电设备发电时负载侧的电流值I，将采集到的实时的电流值I与电流指令值Iref进行比较，再通过PID控制器之后生成晶闸管触发角的指令值α；控制器基于采集到的晶闸管触发角的指令值，判断指令值α是否大于指定触发角角度αref；若其大于指定触发角角度αref时，控制双向开关器件改变多抽头变压器的高压侧绕组匝数，进而改变多抽头变压器高压侧和低压侧的匝数比，以使整流器输出功率快速变化，使得新能源交流母线频率与负载功率之间的下垂平衡。
[0010]作为进一步优化，当新能源电解制氢整流器输出功率得到调节之后，在整流器下垂控制的作用下，实时的电流值I与电流指令值Iref重新恢复稳定，负载电流与交流母线频率的下垂关系也达到重新的稳定；基于逆变器的下垂关系，在后级整流器负载消耗功率减小之后，交流母线的频率恢复并达到了新的稳定。
[0011]作为进一步优化，所述多抽头变压器的高压侧为星型连接；多个所述抽头经过各抽头所对应的双向开关器件连接至多抽头变压器高压侧绕组的高压端或地端；所述带下垂控制的逆变器采用下垂控制来维持新能源交流母线电压以及频率的稳定；所述相控型整流器采用6脉波晶闸管整流器；
所述双向开关器件采用双向晶闸管器件和/或IGBT。
[0012]另一方面，本专利技术还提供了具备频率调节能力的新能源电解制氢控制方法，应用于所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，包括如下步骤：通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制；通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。
[0013]本专利技术的有益效果是：通过上述具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法，通过前级使用带下垂控制的逆变器模拟以可再生能源为供电源的情况，中间级使用多抽头变压器配合双向开关器件，后级使用晶闸管整流器，通过控制可以迅速调节变压器变比以改变电压等级，从而实现快速变化电解槽的功率；电解制氢在其发电功率出现不稳定的情况时，需要快速调节电解制氢功率跟随新能源发电功率的波动而变化，同时带下垂控制的新能源微电网的频率稳定也需要依靠功率的快速变化。
[0014]与传统有载调压变压器的晶闸管整流器相比，本专利技术减少了变换电压所需的时间，加速了电解槽对于新能源发电功率的匹配，克服了现有的采用机械式有载分接开关新能源电解制氢整流器响应慢的缺点，更适用于新能源供电情况下的大型电解槽；与单纯依靠调节晶闸管整流器的触发角实现整流器输出电压（电流）调节的情况相比，能够避免因为需要改变电压而大幅调整移相角所导致的谐波、无功功率等电能质量问题本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，包括：带下垂控制的逆变器，用于模拟新能源电网的弱电网情况，为后级多抽头变压器提供交流电；多抽头变压器，用于实现电压的变换，其中多抽头变压器的低压侧与相控型整流器连接，所述多抽头变压器中分出有多个抽头，所述多抽头变压器的输入端与带下垂控制的逆变器的输出端连接，通过交流母线为多抽头变压器供电；双向开关器件，用于实现抽头之间的切换；相控型整流器，其输出端与电解槽连接，用于为电解槽供电；控制器，用于通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。2.根据权利要求1所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，所述使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，是指：通过采用下垂控制的原理将相控整流器一次侧交流母线的频率与负载端的电流相联系起来，并设计交流母线频率的变化值与电流的指令值之间的下垂关系方程，通过检测实时交流母线的频率值用于控制负载端电流指令值。3.根据权利要求2所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，通过使用锁相环PLL采集带下垂控制的逆变器的交流母线频率，将得到的频率实际值f与已设定的频率参考值fref比较作差之后经过下垂关系方程控制之后得到实时的电流指令值Iref，进而实现了交流母线频率与后级整流器之间的控制联系。4.根据权利要求1所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，所述在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系，包括：采用电流互感器实时采集新能源发电设备发电时负载侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩冉，孟鑫，贺明智，李珵，谭杨，王雄正，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：