CN114362568A - 一种用于并网水电解制氢的整流系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于并网水电解制氢的整流系统，包括：三绕组YYD型变压器、两个三相CSR及制氢电解槽；配电网系统与两个所述三相CSR之间串接有所述三绕组YYD型变压器，用于降低电流谐波；两个所述三相CSR的直流输出端相并联，并联后输出端的正极端与所述制氢电解槽的正极端连接，并联后输出端的负极端与所述制氢电解槽的负极端连接；两个并联的三相CSR的直流母线上还加装有环流电抗器，用于均衡两个三相CSR的电流。本发明结构合理，可有效降低对电网的污染和电能的损耗，有较好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种电力电子与电力传动，特别是涉及一种用于并网水电解制氢的整流系统。
背景技术
传统的并网水电解制氢行业采用6脉冲或12脉冲SCR(Silicon ControlledRectifier，可控硅整流器)整流技术来得到满足制氢输出端所需的低电压和大电流，其中，电压范围为40V～400V，电流范围为250A～10KA以上。
SCR整流技术原理是通过控制SCR门极触发脉冲与输入电压间的相位来改变输出电压极性或调节输出电压大小。12脉冲SCR整流技术是在6脉冲SCR整流技术的基础上，在输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲SCR整流器实现，使直流母线电流由12个SCR整流完成。
6脉冲或12脉冲SCR整流技术由于采用晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网污染及电能损耗。在并网水电解制氢这种功率在几十KW至几MW的大功率场合，谐波电流和无功造成的电能损耗巨大，谐波电流在系统中流动会使变压器、配电设备及导线发热，产生电能损耗，谐波电流产生的电能损耗可达到非线性负载总电能损耗的3～5％；同时功率因数越低，说明线路上的无功功率越大，因而通过线路的电流也越大，由于线路具有一定的阻抗，必然造成一定的线路损耗。
国际电工委员会制定的IEC555-2标准对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制，又于1988年对谐波标准进行了修正，欧洲也制定了相应的IEC1000-3-2标准。我国国家技术监督局在1994年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准(GB/T14594-93)。6脉冲或12脉冲SCR整流技术不能满足接入电网的标准，所以在并网水电解制氢场合，需要研制一种新型的低谐波、高功率因数整流器，以满足电网对电能质量的要求并提高效率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于并网水电解制氢的整流系统，用于解决现有技术中水电解制氢行业中采用6脉冲或12脉冲SCR整流技术，造成污染电网及损耗电能的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于并网水电解制氢的整流系统，所述系统包括：三绕组YYD型变压器、两个三相CSR(current source rectifier，电流型PWM整流器)及制氢电解槽；
所述三绕组YYD型变压器的输入端与配电网系统连接，输出端分别与两个所述三相CSR的输入端连接，两个所述三相CSR的直流输出端相并联，并联后输出端的正极端与所述制氢电解槽的正极端连接，并联后输出端的负极端与所述制氢电解槽的负极端连接；
所述三相CSR包括LC滤波器、整流桥、直流电抗器及脉宽调制单元；
所述LC滤波器的输入端作为所述三相CSR的输入端，输出端与所述整流桥的第一输入端连接，所述整流桥的第二输入端与所述脉宽调制单元的输出端连接，所述脉宽调制单元的输入端与配电网系统及所述直流电抗器的一端连接；
所述整流桥的正极输出端与所述直流电抗器的一端连接，所述直流电抗器的另一端作为所述三相CSR的正极输出端，所述整流桥的负极输出端作为所述三相CSR的负极输出端，其中，两个所述三相CSR共用一个直流电抗器；
所述系统还包括两个环流电抗器，所述环流电抗器包括第一接口、第二接口及第三接口；
一个所述环流电抗器的所述第一接口与一个所述整流桥的正极输出端连接，所述第二接口与另一个所述整流桥的正极输出端连接，所述第三接口与所述共用的直流电抗器的一端连接，所述共用的直流电抗器的另一端与所述制氢电解槽的正极端连接；
另一个所述环流电抗器的所述第一接口与一个所述整流桥的负极输出端连接，所述第二接口与另一个所述整流桥的负极输出端连接，所述第三接口与所述制氢电解槽的负极端连接。
于本发明的一实施例中，所述脉宽调制单元包括电流信号采集电路、信号调理电路、主控制器及驱动电路；
所述电流信号采集电路的输入端分别与配电网系统及所述三相CSR的直流输出端连接，输出端与所述信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与所述主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端作为所述脉宽调制单元的输出端，与各所述整流桥的第二输入端连接。
于本发明的一实施例中，所述脉宽调制单元还包括同步信号采集电路，所述同步信号采集电路的输入端与配电网系统连接，输出端与所述信号调理电路的输入端连接。
于本发明的一实施例中，所述主控制器采用DSP芯片。
于本发明的一实施例中，所述环流电抗器包括两个串联的绕组，串联后的一端作为所述环流电抗器的第一接口，串联后的另一端作为所述环流电抗器的第二接口，两个线圈的中间节点作为所述环流电抗器的第三接口；其中，两个所述绕组的绕制方向一致。
采用这种连接方式，可有效减小环流电抗器的直流磁化且降低其体积。
如上所述，本发明的一种用于并网水电解制氢的整流系统，采用三相CSR技术替代现有的6脉冲或12脉冲SCR整流技术，利用三相CSR的交流侧到直流侧的变换具有降压变换器的特性，采用两个并联的三相CSR，可满足制氢电解槽低电压、大电流的要求；同时在配电网系统与三相CSR之间设有三绕组YYD型变压器，可有效降低电流谐波；此外，在两个并联的三相CSR的直流母线上加装环流电抗器，可均衡两个三相CSR的电流。本发明结构合理，可有效降低对电网的污染和电能的损耗，有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1显示为本发明实施例中公开的一种用于并网水电解制氢的整流系统的结构框图。
图2显示为本发明实施例中公开的三相CSR的接线示意图。
图3显示为本发明实施例中公开的一种用于并网水电解制氢的整流系统的接线示意图。
图4显示为本发明实施例中公开的整流桥的接线示意图。
图5显示为本发明实施例中公开的环流电抗器的接线示意图。
图6显示为本发明实施例中公开的脉宽调制单元的结构框图。
图7显示为本发明实施例中公开的电流控制原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1及图3，本发明提供一种用于并网水电解制氢的整流系统，包括：三绕组YYD型变压器、三相CSR1、三相CSR2及制氢电解槽，其中，三相CSR1和三相CSR2的结构相同，为了方便表述，以下统称为三相CSR。
三绕组YYD型变压器的输入端与配电网系统连接，输出端分别与两个三相CSR的输入端连接，两个三相CSR的直流输出端相并联，并联后的正极端与制氢电解槽的正极端连接，并联后的负极端与制氢电解槽的负极端连接。
需要说明的是，三绕组YYD型变压器是一种移相变压器，其具有降低电流谐波的功能，与三相CSR相结合，可以将开关频率做得很低以减小IGBT开关损耗，同时因为采用了变压器的移相技术，可以使电流谐波可以做得很小，功率因数可维持不变，接近于1，且有效地降低了直流平波电抗器的体积。
请参阅图2，三相CSR包括LC滤波器、整流桥、直流电抗器及脉宽调制单元。
LC滤波器位于三相CSR的交流侧，为二阶低通滤波器，用于滤除交流侧电流中的开关谐波。
整流桥包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅极型功率管)和二极管，其中，IGBT和二极管相串联，二极管可阻断反向电流并提高IGBT的耐反压能力。整流桥包括两个输入端，第一输入端与LC滤波器的输出端连接，第二输入端与脉宽调制单元的输出端连接。
请参阅图4，需要说明的是，当制氢输出电流达到几千甚至上万安培时，考虑到单个IGBT的耐电流能力有限，可在每个三相CSR上并联多个IGBT以增强过流能力，并联的个数取决于制氢输出总电流和单个IGBT承受电流的能力。
直流电抗器接在整流桥的直流输出端，可使直流侧电流近似为直流。
直流电抗器后端串接的电阻R为三相CSR的负载，本申请中为制氢电解槽。
请参阅图3，两个三相CSR的直流输出端并联在一起，为节约材料成本，可在两个三相CSR的直流输出端共用一个直流电抗器。
为解决外接三绕组YYD型变压器后，容易造成两个三相CSR直流侧的输出电流不均的问题，可在三相CSR的直流输出端上加装环流电抗器，利用电感具有阻碍电流变化的原理来均衡两个三相CSR的输出电流。
请参阅图5，环流电抗器包括两个串联的绕组，串联后的一端作为环流电抗器的第一接口，串联后的另一端作为环流电抗器的第二接口，两个线圈的中间节点作为环流电抗器的第三接口，其中，两个绕组的绕制方向一致。采用这种连接方式，可有效减小环流电抗器的直流磁化且降低其体积。
请参阅图3，环流电抗器Lx1的第一接口与整流桥LA1的正极输出端连接，第二接口与整流桥LA2的正极输出端连接，第三接口与共用的直流电抗器LDC的一端连接，共用的直流电抗器LDC的另一端与制氢电解槽的正极端连接。
环流电抗器Lx2的第一接口与整流桥LA1的负极输出端连接，第二接口与整流桥LA2的负极输出端连接，第三接口与制氢电解槽的负极端连接。
请参阅图6，脉宽调制单元包括电流信号采集电路、信号调理电路、主控制器及驱动电路。
电流信号采集信号用于对配电网系统各相的电流信号进行采样，得到网侧电流采样值ia、ib、ic；还用于对三相CSR的输出电流IDC进行采样，得到采样值I’DC，各采样值经过信号调理电路，将电压抬升到主控制器的适用电压范围后，输入主控制器。
脉宽调制单元还包括同步信号采集电路，用于采集与配电网系统的电压同步的信号，采集到的同步信号经过信号调理电路，将电压抬升到主控制器的适用电压范围后，输入主控制器。
本实施例中的主控制器采用TI公司的型号为TMS320F2812的DSP芯片，用于实现信号的AD转换、控制算法、PWM信号的产生。
请参阅图7，以A相为例进行说明：
为了实现三相CSR的输出电流IDC的恒定和输入端接近单位功率因数，三相CSR控制采用直接电流控制策略，即双环控制策略。外环是直流电流控制环，其目的是保持电流IDC的恒定。在直流电流控制环中，将电流IDC的采样电流值I’DC与软件预设值I*DC进行比较，产生的误差经过PI调节后，输出作为网侧电流峰值指令I*sm，将指令I*sm与同步信号相乘，作为网侧电流直流信号i*sa，由网侧电流采样值ia和网侧电流直流信号i*sa组成交流电流控制环，其目的是要求网侧电流采样值ia跟踪给定电流i*sa，最终实现单位功率因数控制。
B相及C相的控制策略与A相相同，此处不再赘述。
需要说明的是，在并网水电解制氢系统中，不同的产氢量决定了不同的输出直流电流和直流电压，即功率的不同，也即意味着交流侧的LC滤波器参数和直流电抗器设计的不同，因此，需考虑不同的产氢量对LC滤波器和直流电抗器设计的影响，同时配合合适的控制策略和硬件电路，使产氢效率达到最佳。
综上所述，本发明的一种用于并网水电解制氢的整流系统，利用三相CSR的交流侧到直流侧的变换具有降压变换器的特性，采用两个并联的三相CSR，可满足制氢电解槽低电压、大电流的要求；同时在配电网系统与三相CSR之间设有三绕组YYD型变压器，可有效降低电流谐波；此外，在两个并联的三相CSR的直流母线上加装环流电抗器，可均衡两个三相CSR的电流。本发明结构合理，可有效降低对电网的污染和电能的损耗，有较好的经济效益和社会效益。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种用于并网水电解制氢的整流系统，其特征在于，所述系统包括：三绕组YYD型变压器、两个三相电流型PWM整流器CSR及制氢电解槽；
所述三绕组YYD型变压器的输入端与配电网系统连接，输出端分别与两个所述三相CSR的输入端连接，两个所述三相CSR的直流输出端相并联，并联后输出端的正极端与所述制氢电解槽的正极端连接，并联后输出端的负极端与所述制氢电解槽的负极端连接；
所述三相CSR包括LC滤波器、整流桥、直流电抗器及脉宽调制单元；
所述LC滤波器的输入端作为所述三相CSR的输入端，输出端与所述整流桥的第一输入端连接，所述整流桥的第二输入端与所述脉宽调制单元的输出端连接，所述脉宽调制单元的输入端与配电网系统及所述直流电抗器的一端连接；
所述整流桥的正极输出端与所述直流电抗器的一端连接，所述直流电抗器的另一端作为所述三相CSR的正极输出端，所述整流桥的负极输出端作为所述三相CSR的负极输出端，其中，两个所述三相CSR共用一个直流电抗器；
所述系统还包括两个环流电抗器，所述环流电抗器包括第一接口、第二接口及第三接口；一个所述环流电抗器的所述第一接口与一个所述整流桥的正极输出端连接，所述第二接口与另一个所述整流桥的正极输出端连接，所述第三接口与所述共用的直流电抗器的一端连接，所述共用的直流电抗器的另一端与所述制氢电解槽的正极端连接；
另一个所述环流电抗器的所述第一接口与一个所述整流桥的负极输出端连接，所述第二接口与另一个所述整流桥的负极输出端连接，所述第三接口与所述制氢电解槽的负极端连接。
2.根据权利要求1所述的用于并网水电解制氢的整流系统，其特征在于：所述脉宽调制单元包括电流信号采集电路、信号调理电路、主控制器及驱动电路；
所述电流信号采集电路的输入端分别与配电网系统及所述三相CSR的直流输出端连接，输出端与所述信号调理电路的输入端连接，所述信号调理电路的输出端与所述主控制器的输入端连接，所述主控制器的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端作为所述脉宽调制单元的输出端，与各所述整流桥的第二输入端连接。
3.根据权利要求2所述的用于并网水电解制氢的整流系统，其特征在于：所述脉宽调制单元还包括同步信号采集电路，所述同步信号采集电路的输入端与配电网系统连接，输出端与所述信号调理电路的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的用于并网水电解制氢的整流系统，其特征在于：所述主控制器采用DSP芯片。
5.根据权利要求1所述的用于并网水电解制氢的整流系统，其特征在于：所述环流电抗器包括两个串联的绕组，串联后的一端作为所述环流电抗器的第一接口，串联后的另一端作为所述环流电抗器的第二接口，两个线圈的中间节点作为所述环流电抗器的第三接口；其中，两个所述绕组的绕制方向一致。
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