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方案

本发明专利技术提出一种基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统及控制方法，其拓扑主要包括主变换器

【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），该方案采用主变换器与辅变换器并联的架构，主变换器基于多脉波晶闸管整流器构建，辅变换器由三相
PWM
电流源整流器构成，三相
PWM
电流源整流器可以同时补偿主变换器交流侧的无功
、
谐波以及直流侧的纹波
。
但该方案存在如下局限：三相
PWM
电流源整流器由于为非隔离型变换器，主变换器交流侧必须采用体积庞大的工频变压器才能与副边换器交流侧连接，降低了系统的功率密度；
PWM
电流源整流器为硬开关电路，开关损耗较高；辅变换器直流电流要补偿纹波，必然需要较大的直流电流波动，因此与交流侧控制存在强耦合
。
[0005]中国专利技术专利
CN115021593A
公开了一种具有多尺度调频能力的混合整流器控制方法（以下称现有技术2），该方案采用主变换器与辅变换器并联的架构，主变换器基于多脉波晶闸管整流器构建，辅变换器基于移相全桥变换器和电压源型
PWM
整流器构建，辅变换器可以同时补偿主变换器交流侧的无功
、
谐波以及直流侧的纹波
。
但该方案中辅变换器具有以下局限性：辅变换器拓扑不能实现全范围的软开关；辅变换器为两级结构，降低了辅变换器的效率；电压源型
PWM
整流器为升压整流电路，直流侧电压较高，电压应力较高，且为硬开关电路，开关损耗高
。
[0006]此外，上述方案辅变换器对于交流侧补偿电流的控制均为间接控制，即通过控制调整辅变换器电压源
PWM
整流桥的输入电压或电流源
PWM
整流桥的输入电流，间接调整辅变换器
LC
滤波器的滤波电感电流，其辅变换器闭环控制的指令是充满谐波的波动量，对于控制器的跟踪性能要求较高
。
普通控制器难以实现对谐波分量的快速跟踪
。
在直流侧，该方案同样是以间接方式控制辅变换器输出电流，同样存在指令电流波动难以快速跟踪的问题
。
因此，现有技术的补偿效果势必受到一定限制
。
[0007]综上所述，有必要提出新的混合整流器方案及其控制方法，减少变换环节，降低开关损耗，并以更直接的方式对谐波
、
纹波进行补偿，提高补偿的快速性
。
[0008]文献
Soft
‑
Switching Solid
‑
State Transformer (S4T)
（
Hao Chen
，
Deepak Divan
，
2018
，
IEEE Transactions on Power Electronics
）提出一种所谓软开关固态变压器（
SoftSwitching Solid
‑
State Transformer, S4T
）的隔离型变换器
。
文献
Soft
‑
Switching Solid
‑
State Transformer With Reduced Conduction Loss
，（
Liran Zheng
，
RajendraPrasad Kandula, Deepak Divan
，
2021
，
IEEE Transactions on Power Electronics
）进一步改进了其拓扑
。S4T
具有单级变换
、
全范围软开关
、
低
du/dt
等优点，相比传统混合整流器方案所采用的辅变换器具有明显优势
。
然而，采用
S4T
与晶闸管整流电路实现混合整流器的方案尚未有相关研究
。
一方面，在拓扑上如何安排滤波器
、
晶闸管整流和
S4T
变换器的连接关系，尚无可参考的方法
。
如果采用直接连接的方式仍然无法克服现有技术间接补偿的缺点；另一方面，在控制上如何实现
S4T
与晶闸管整流的协同，还需要针对新拓扑的特点重新设计
。
[0009]因此，本专利技术将针对现有技术的不足，提出新的混合整流器及其控制方法
。

技术实现思路

[0010]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种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，能够减少变换环节
、
降低开关损耗并提高谐波
、
纹波补偿的快速性
。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于混合整流器的大功率电解制氢电源系统，所述系统包括主变换器
、
辅变换器
、
三相
LC
滤波器和直流滤波电容；所述主变换器包括第一三相电流源整流桥和至少一个平波电抗器；所述辅变换器为软开关固态变压器，包括第二三相电流源整流桥
、
第一谐振电路
、
高频变压器
、
第二谐振电路和电流变换电路；所述第一三相电流源整流桥的直流端口与至少一个平波电抗器串联后，构成主变换器的直流输出端口；第一三相电流源整流桥的三相交流端口本文档来自技高网...

【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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙乐，王晓晨，郭小强，张哲，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：