CN114337322A - 一种制氢电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制氢电源系统，其在电源之间设置有两级变换模块，并通过第二级变换模块的各个输出端分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连，进而为各制氢设备提供了独立的供电，避免了各制氢设备间因负荷不均匀而导致的产气量损失。而且，该制氢电源系统无需现有技术中的定制化工频变压器来匹配电压，进而能够避免线损大的问题。

Description

一种制氢电源系统
技术领域
本发明涉及新能源制氢技术领域，特别涉及一种制氢电源系统。
背景技术
氢气作为一种重要的二次能源和工业原料，在工业活动中发挥着重要的作用，并且在可预期的未来，氢气可以在民生领域拓展应用场景。目前，氢气的制取主要是化石燃料的高温重整，会产生大量的CO2及污染物排放，不利于国家30/60目标的实现。采用可再生能源发电-电解水制氢，可以实现制氢环节的零碳排放，是当前国内乃至世界范围内大力发展的技术。
现有的电解水制氢电源系统，如图1所示，通常采用AC/DC变换器来为多个电解槽供电，使这些电解槽均能够实现各自的制氢工作；但是，实际应用中，多个电解槽之间可能会由于出厂参数差异、维护周期不一致或不同厂家生产而造成参数不一致等因素，导致电解槽间负荷不均匀，形成木桶效应，损失产气量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种制氢电源系统，以避免产气量损失的问题。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种制氢电源系统，包括：第一级变换模块和第二级变换模块；其中，
所述第一级变换模块的输入端与电源相连；
所述第一级变换模块的输出端与所述第二级变换模块的输入端相连；
所述第二级变换模块的各个输出端分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连。
可选的，所述第二级变换模块，包括：至少两路第二变换单元；
各所述第二变换单元的输入端，分别与所述第一级变换模块的各输出端一一对应相连；
各所述第二变换单元的输出端，分别与各个所述制氢设备的供电端一一对应相连。
可选的，各所述第二变换单元，分别包括：至少一个DC/DC变换器；
所述第二变换单元中所述DC/DC变换器的个数大于1时，各所述DC/DC变换器并联连接。
可选的，各所述第二变换单元中所述DC/DC变换器的主电路拓扑相同。
可选的，所述第一级变换模块，包括：第一变换单元；
所述第一变换单元的输入端连接所述电源；
所述第一变换单元的输出端分别与各所述第二变换单元的输入端相连。
可选的，所述第一级变换模块，包括：至少两路第一变换单元；
各所述第一变换单元的输入端，均连接所述电源；
各所述第一变换单元的输出端，分别与各所述第二变换单元的输入端一一对应相连。
可选的，所述电源为交流电源时，所述第一变换单元，包括：至少一个AC/DC变换器；所述第一变换单元中所述AC/DC变换器的个数大于1时，各所述AC/DC变换器并联连接；
所述电源为直流电源时，所述第一变换单元，包括：至少一个DC/DC变换器；所述第一变换单元中所述DC/DC变换器的个数大于1时，各所述DC/DC变换器并联连接。
可选的，所述AC/DC变换器的主电路为：二极管整流电路、晶闸管整流电路或者全控性器件整流电路。
可选的，还包括：控制器；
所述控制器分别与所述第一级变换模块、所述第二级变换模块及各个所述制氢设备通信连接，用于根据所述第一级变换模块的输入端信息和所述第二级变换模块的输出端信息，调节所述第一级变换模块的输出端电气量。
可选的，所述第二级变换模块中包括至少两路第二变换单元时，各所述第二变换单元均与所述控制器通信连接，且分别为对应的所述制氢设备调节自身的输出端电气量。
本发明提供的制氢电源系统，其在电源之间设置有两级变换模块，并通过第二级变换模块的各个输出端分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连，进而为各制氢设备提供了独立的供电，避免了各制氢设备间因负荷不均匀而导致的产气量损失。而且，该制氢电源系统无需现有技术中的定制化工频变压器来匹配电压，避免了线损大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的制氢电源系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的制氢电源系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的制氢电源系统的一种具体结构示意图；
图4a和图4b分别为本发明实施例提供的制氢电源系统的两种具体结构示意图；
图5a和图5b分别为本发明实施例提供的制氢电源系统的另外两种具体结构示意图；
图6为本发明实施例提供的制氢电源系统的另外一种具体结构示意。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种制氢电源系统，以避免产气量损失的问题。
如图2所示，该制氢电源系统，包括：第一级变换模块10和第二级变换模块20；其中：
第一级变换模块10的输入端与电源相连，直接接收电源供电。
第一级变换模块10的输出端与第二级变换模块20的输入端相连，进而，第一级变换模块10将电源的供电电能进行初步变换后，输入至第二级变换模块20。
第二级变换模块20的输出侧设置有多个输出端，且其各个输出端分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连；也即，第二级变换模块20能够为各个制氢设备提供相互独立的供电电能。
实际应用中，该制氢设备可以是水电解制氢设备，也可以是碱液制氢设备等，此处不做具体限定，视其应用环境而定即可。
本实施例提供的该制氢电源系统，其在电源之间设置有两级变换模块，也即采用两级式结构，通过第二级变换模块20的各个输出端分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连，进而为各制氢设备提供了独立的供电，可以减小电解设备参数不一致造成的木桶效应，避免了各制氢设备间因负荷不均匀而导致的产气量损失。
值得说明的是，现有技术图1所示的方案中，为了适应AC/DC变换器两端的电压差异，在其交流侧还需要额外设置定制化的工频变压器来做电压匹配，进而会造成线损大的问题。
而实施例提供的该制氢电源系统，通过上述两级变换模块，即可为各制氢设备供电，可以更好的匹配电力来源和制氢设备之间的电压，无需现有技术中的定制化工频变压器来匹配电压，进而避免了线损大的问题。
在上一实施例的基础之上，优选的，参见图3，该制氢电源系统中，其第二级变换模块20，包括：至少两路第二变换单元201；其中，各第二变换单元201的输入端，分别与第一级变换模块10的各输出端一一对应相连，以接收第一级变换模块10相应输出端输出的电能；各第二变换单元201的输出端，分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连，进而为各个制氢设备提供相互独立的供电电能。
需要说明的是，各第二变换单元201可以分别是一个DC/DC变换器，如图4a所示。
或者，实际应用中，受DC/DC变换器内部功率半导体器件容量的限制，各第二变换单元201中可以分别包括：至少两个DC/DC变换器；第二变换单元201中各DC/DC变换器并联连接，如图4b所示。而且，还可以视其具体的实际应用环境，根据各制氢设备的额定功率来为其配备合适数量的DC/DC变换器并联构成相应的第二变换单元201。
另外，实际应用中，各第二变换单元201中DC/DC变换器的主电路拓扑，可以是相同的拓扑，也可以是不相同的拓扑；视其具体的应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
本实施例提供的该制氢电源系统中，其第二级变换模块20包含两个及以上的独立变换单元，每个独立变换单元分别连接一个对应的制氢设备，实现对于单个制氢设备的独立供电。
在上一实施例的基础之上，优选的，参见图5a(以在图3的基础上为例进行展示)，该制氢电源系统中，其第一级变换模块10，包括：第一变换单元101；其中，第一变换单元101的输入端连接电源；第一变换单元101的输出端分别与各第二变换单元201的输入端相连。
对于图5a所示的结构，各第二变换单元201的输入端并联连接至第一变换单元101的输出端，也即各第二变换单元201的输入端是等电位的，此时，各个第二变换单元201共用第一级电力电子拓扑，可以节省成本。
实际应用中，该制氢电源系统也可以如图5b所示，其第一级变换模块10，包括：至少两路第一变换单元101；各第一变换单元101的输入端，均连接电源；各第一变换单元101的输出端，分别与各第二变换单元201的输入端一一对应相连。
对于图5b所示的结构，各个第二变换单元201分别配备有自身的第一变换单元101，其结构成本高于图5a所示的结构，但仍处于本申请的保护范围内。
不论采用图5a所示的结构，还是采用图5b所示的结构，当电源为交流电源时，例如电网、风力发电机等，此时，该第一变换单元101，包括：至少一个AC/DC变换器；而当电源为直流电源时，例如光伏发电等，此时，该第一变换单元101，包括：至少一个DC/DC变换器。而且，受该第一变换单元101内部功率半导体器件容量的限制，当第一变换单元101中AC/DC变换器的个数大于1时，各AC/DC变换器并联连接；第一变换单元101中DC/DC变换器的个数大于1时，各DC/DC变换器并联连接。
实际应用中，该AC/DC变换器的主电路可以是：二极管组成的整流电路、晶闸管组成的整流电路，或者全控性器件如IGBT等组成的整流电路；此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
在上述实施例的基础之上，优选的，参见图6(以在图5a的基础上为例进行展示)，该制氢电源系统中，还包括：控制器30。
该控制器30分别与第一级变换模块10、第二级变换模块20及各个制氢设备通信连接，用于根据第一级变换模块10的输入端信息和第二级变换模块20的输出端信息，调节第一级变换模块10的输出端电气量。
如图6中所示，该控制器30和第一级变换模块10，第二级变换模块20中每个独立的第二变换单元201及各个制氢设备进行双向通讯。第一级变换模块10、第二级变换模块20中每个独立的第二变换单元201及各个制氢设备，向控制器30发送状态信息，控制器30向第一级变换模块10、第二级变换模块20中每个独立的第二变换单元201及各个制氢设备发送控制指令。第一级变换模块10可以采集电源侧的电压、电流和功率等信息；第二级变换模块20可以采集制氢设备侧电压、电流和功率等信息。
控制器可以根据电源侧状态和制氢设备侧电压差异等情况，自动调节第一级变换模块10的输出电压、电流或功率。
而且，当第二级变换模块20中包括至少两路第二变换单元201时，各第二变换单元201均与控制器30通信连接，且分别为对应的制氢设备调节自身的输出端电气量。
具体的，第二级变换模块20内部每个独立的第二变换单元201，可以根据相应制氢设备的特性、运行情况及电源侧的功率情况，独立的调节自身输出电压、输出电流和输出功率等参数。
实际应用中，第二级变换模块20内部每个独立的第二变换单元201，还可以根据检测仪表的情况，独立的关闭某一路制氢设备。
需要说明的是，该控制器30可以是独立设置的，也可以和其它控制器进行集成；此处不做限定，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
本实施例提供的该制氢电源系统，采用两级式电力电子拓扑结构，第一级变换模块10做电能的初步变换，第二级变换模块20做电压和电流的精细调节，适应各制氢设备的具体需求。实际应用中，第一级变换模块10具体可以是降压变换，而第二级变换模块20具体可以是升压变换，但并不仅限于此，能够匹配电力来源和制氢设备之间的电压即可。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种制氢电源系统，其特征在于，包括：第一级变换模块和第二级变换模块；其中，
所述第一级变换模块的输入端与电源相连；
所述第一级变换模块的输出端与所述第二级变换模块的输入端相连；
所述第二级变换模块的各个输出端分别与各个制氢设备的供电端一一对应相连。
2.根据权利要求1所述的制氢电源系统，其特征在于，所述第二级变换模块，包括：至少两路第二变换单元；
各所述第二变换单元的输入端，分别与所述第一级变换模块的各输出端一一对应相连；
各所述第二变换单元的输出端，分别与各个所述制氢设备的供电端一一对应相连。
3.根据权利要求1所述的制氢电源系统，其特征在于，各所述第二变换单元，分别包括：至少一个DC/DC变换器；
所述第二变换单元中所述DC/DC变换器的个数大于1时，各所述DC/DC变换器并联连接。
4.根据权利要求3所述的制氢电源系统，其特征在于，各所述第二变换单元中所述DC/DC变换器的主电路拓扑相同。
5.根据权利要求2所述的制氢电源系统，其特征在于，所述第一级变换模块，包括：第一变换单元；
所述第一变换单元的输入端连接所述电源；
所述第一变换单元的输出端分别与各所述第二变换单元的输入端相连。
6.根据权利要求2所述的制氢电源系统，其特征在于，所述第一级变换模块，包括：至少两路第一变换单元；
各所述第一变换单元的输入端，均连接所述电源；
各所述第一变换单元的输出端，分别与各所述第二变换单元的输入端一一对应相连。
7.根据权利要求5或6所述的制氢电源系统，其特征在于，所述电源为交流电源时，所述第一变换单元，包括：至少一个AC/DC变换器；所述第一变换单元中所述AC/DC变换器的个数大于1时，各所述AC/DC变换器并联连接；
所述电源为直流电源时，所述第一变换单元，包括：至少一个DC/DC变换器；所述第一变换单元中所述DC/DC变换器的个数大于1时，各所述DC/DC变换器并联连接。
8.根据权利要求7所述的制氢电源系统，其特征在于，所述AC/DC变换器的主电路为：二极管整流电路、晶闸管整流电路或者全控性器件整流电路。
9.根据权利要求1至6任一项所述的制氢电源系统，其特征在于，还包括：控制器；
所述控制器分别与所述第一级变换模块、所述第二级变换模块及各个所述制氢设备通信连接，用于根据所述第一级变换模块的输入端信息和所述第二级变换模块的输出端信息，调节所述第一级变换模块的输出端电气量。
10.根据权利要求9所述的制氢电源系统，其特征在于，所述第二级变换模块中包括至少两路第二变换单元时，各所述第二变换单元均与所述控制器通信连接，且分别为对应的所述制氢设备调节自身的输出端电气量。
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