【技术实现步骤摘要】
基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统及其控制方法
[0001]本专利技术涉及大功率电力电子
,尤其是基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统及其控制方法
。
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
。
氢能具有无污染
、
无碳排放等突出优点,被视为未来最有希望的清洁能源
。
利用可再生能源电解水制备氢气,亦称绿氢,有利于促进清洁能源的高效利用,实现能源结构由传统化石能源向低碳
、
低污染的可再生能源转变
。
[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
。
目前,大功率电解制氢电源一般使用晶闸管相控整流器来实现,可以通过控制晶闸管导通角的大小来调整晶闸管相控整流器输出直流电压的高低,从而使得输入交流电被整流成电压可控的直流电
。
但是,现有技术中晶闸管相控整流器方案在进行整流时会在电网侧产生大量无功功率和谐波电流,且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
。
[0004]中国专利技术专利
CN113328639A
公开了一种大功率的电解制氢整流电源及控制方法(以下称为现有技术1),该方案采用主变换 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述系统包括主变换器(3)
、
辅变换器(
13
)
、
三相
LC
滤波器(2)和直流滤波电容(6);所述主变换器(3)包括第一三相电流源整流桥(4)和至少一个平波电抗器(5);所述辅变换器(
13
)为软开关固态变压器,包括第二三相电流源整流桥(
12
)
、
第一谐振电路(
11
)
、
高频变压器(
10
)
、
第二谐振电路(9)和电流变换电路(8);所述第一三相电流源整流桥(4)的直流端口与至少一个平波电抗器(5)串联后,构成主变换器(3)的直流输出端口;第一三相电流源整流桥(4)的三相交流端口构成主变换器(3)的三相交流输入端口;所述主变换器(3)的输入端口
、
辅变换器(
13
)的输入端口与三相
LC
滤波器(2)的输出端口的同相端子分别相连,即主变换器(3)与辅变换器(
13
)共用
LC
滤波器(2);所述主变换器(3)的输出端口
、
辅变换器(
13
)的输出端口与直流滤波电容(6)并联,构成整个混合整流器的输出端口;该端口直接与电解槽负载(7)的直流输入端口连接,或经电感与负载(7)连接,为负载(7)供电;所述三相
LC
滤波器(2)包括三个交流滤波电感(
15
)和三个交流滤波电容(
14
),三个交流滤波电感(
15
)的一端与三个交流滤波电容(
14
)的一端相连,构成
LC
滤波器(2)的输出端口;三个交流滤波电容(
14
)的另一端短接;三个交流滤波电感(
15
)的另一端构成
LC
滤波器(2)的输入端口,亦即整个混合整流器的输入端口,接三相交流电源(1);所述电流变换电路(8)为具有四个逆阻型桥臂的完整电流源
H
桥,或仅有三个逆阻型桥臂的不完整电流源
H
桥,或仅有两个逆阻型桥臂的电流源半桥电路;所述逆阻型桥臂由逆阻型开关构成,所述逆阻型开关在无门极信号时,至少有一个方向不能流过电流
。2.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述谐振电路包括第一谐振电路(
11
)和第二谐振电路(9);第一谐振电路(
11
)和第二谐振电路(9)均包括谐振电容(
17
)
、
谐振电感(
18
)
、
钳位二极管(
16
)和第一逆阻型开关(
19
);第一逆阻型开关(
19
)的电流流入端与谐振电感(
18
)的一端连接,构成串联支路,该支路与谐振电容(
17
)并联,构成并联支路;该并联支路与钳位二极管(
16
)串联构成谐振电路;所述第一谐振电路(
11
)与第二三相电流源整流桥(
12
)的直流端口
、
高频变压器(
10
)的原边绕组并联;所述第二谐振电路(9)与电流变换电路(8)的输入端口
、
高频变压器(
10
)的副边绕组并联;与第二三相电流源整流桥(
12
)的直流端口电流流出端连接的高频变压器(
10
)原边绕组端子,和与电流变换电路(8)输入端口电流流出端连接的高频变压器(
10
)副边绕组端子为同名端;第二三相电流源整流桥(
12
)的交流端口构成软开关固态变压器的三相交流输入端口,亦即辅变换器(
13
)的输入端口;电流变换电路(8)的输出端口,构成软开关固态变压器的输出端口,亦即辅变换器(
13
)的输出端口
。3.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述第一三相电流源整流桥(4),包括六个第二逆阻型开关(
24
);除门极端子外,第二逆阻型开关(
24
)的电流流入端称为阳极,电流流出端称为阴极;其中三个第二逆阻型开关(
24
),作为三个上桥臂,其阴极连在一起,引出整流桥输出端口(
22
)的整流桥正输出端子(
21
);另外三个第二逆阻型开关(
24
),作为三个下桥臂,其阳极连接在一起,引出整流桥输出端口(
22
)的整流桥负输出端子(
23
);三个上桥臂开关的阳极与三个下桥臂开关的阴极分别连接,三
个连接点引出整流桥输入端口(
20
)
。4.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述电流变换电路(8)为完整电流源
H
桥,包括四个第三逆阻型开关(
26
);除门极端子外,第三逆阻型开关(
26
)的电流流入端称为阳极,电流流出端称为阴极;其中两个第三逆阻型开关(
26
),作为两个上桥臂,其阴极连在一起,引出电流变换电路输入端口(
25
)的电流变换电路负输入端子(
29
);另外两个第三逆阻型开关(
26
),作为两个下桥臂,其阳极连接在一起,引出电流变换电路输入端口(
25
)的电流流入端;两个上桥臂的阳极与两个下桥臂的阴极分别连接,两个连接点引出电流变换电路输出端口(
27
)
。5.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述电流变换电路(8)为不完整电流源
H
桥,包括三个第三逆阻型开关(
26
),构成不完整电流源
H
桥的三个桥臂;除门极端子外,开关的电流流入端称为阳极,电流流出端称为阴极;其中两个第三逆阻型开关(
26
),构成共阴极结构或共阳极结构;当两个第三逆阻型开关(
26
)构成共阴极结构时,它们作为两个上桥臂,其阴极连接在一起,引出电流变换电路负输入端子(
29
);另外一个开关则作为下桥臂,其阳极引出电流变换电路正输入端子(
28
),其阴极与一个上桥臂的阳极相连,引出电流变换电路输出端口(
27
)的一个端子;另一个上桥臂的阳极引出电流变换电路输出端口(
27
)的另一个端子;当两个第三逆阻型开关(
26
)构成共阳极结构时,它们作为两个下桥臂,其阳极连接在一起,引出电流变换电路正输入端子(
28
);另外一个开关则作为上桥臂,其阴极引出电流变换电路负输入端子(
29
),其阳极与一个下桥臂的阴极相连,引出电流变换电路输出端口(
27
)的一个端子;另一个下桥臂的阴极引出电流变换电路输出端口(
27
)的另一个端子
。6.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述电流变换电路(8)为电流源半桥,包括两个第三逆阻型开关(
26
),构成电流源半桥的两个桥臂;除门极端子外,两个第三逆阻型开关(
26
)的电流流入端称为阳极,电流流出端称为阴极;两个第三逆阻型开关(
26
)构成共阴极结构或共阳极结构;当两个第三逆阻型开关(
26
)构成共阴极结构时,它们的阴极相连,引出电流变换电路负输入端子(
29
),其中一个第三逆阻型开关(
26
)的阳极引出电流变换电路正输入端子(
28
)和电流变换电路输出端口(
27
)的一个端子,另一个开关的阳极引出电流变换电路输出端口(
27
)的另一个端子;当两个第三逆阻型开关(
26
)构成共阳极结构时,它们的阳极相连,引出电流变换电路正输入端子(
28
),其中一个第三逆阻型开关(
26
)的阴极引出电流变换电路负输入端子(
29
)和电流变换电路输出端口(
27
)的一个端子,另一个开关的阴极引出电流变换电路输出端口(
27
)的另一个端子
。7.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述第一三相电流源整流桥的逆阻型开关为半控型开关器件或全控型逆阻开关器件,或者由全控型开关器件与二极管串联构成,或由全控型逆导开关器件反向串联构成;第二三相电流源整流桥的逆阻型开关为全控型逆阻开关器件,或者由全控型开关器件与二极管串联构成,或者由全控型逆导开关器件反向串联构成
。8.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述电流变换电路的逆阻型开关为全控型逆阻开关器件,或者由全控型开关器件与二极管串
联构成,或者由全控型逆导开关器件反向串联构成,或者为二极管;其中,至少有两个逆阻开关器件不同时为二极管,且相连的上下两桥臂的逆阻开关器件不同时为二极管
。9.
根据权利要求1所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,其特征在于:所述谐振电路的逆阻型开关为全控型逆阻开关器件或半控型开关器件;或由全控型开关器件与二极管串联构成;或由全控型逆导开关器件反向串联构成
。10.
一种基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统的控制方法,其特征在于:使用如权利要求1~9任一项所述的基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统,包括两个阶段:第一阶段采用预充电控制;第二阶段采用正常模式控制;所述预充电控制,包括以下步骤:
StepA1
:保持第一三相电流源整流桥和电流变换电路各开关闭锁,接入三相交流电源;
StepA2
:检测归算到原边的高频变压器励磁电流
i
m
是否高于可工作的阈值
i
mth
;是则进入正常模式;否则进入
StepA3
;
StepA3
:判断占空比
D
是否大于某一限幅值
D
c
,是则进入
StepA4
,否则进入
StepA5
;其中
D
的初始值为0;
StepA4
:令
D
在当前值...
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