CN114717604A - 一种双极型电解水制氢装置及其控制方法 - Google Patents

一种双极型电解水制氢装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利公开了一种双极型电解水制氢装置及其控制方法，本发明专利公开的一种双极型电解水制氢装置包括：中压开关柜、降压隔离变压器、双极型制氢变流器、双极型电解槽；双极型制氢变流器包括：输入断路器、预充电电路、第一电流传感器、第二电流传感器、输入滤波电抗器、可控整流单元、正母线滤波电容、负母线滤波电容、双极交错Buck变换电路、正极输出滤波器、负极输出滤波器、正极输出电流传感器、负极输出电流传感器、中线电流传感器、主控制单元。所述方法主要包括整流稳压控制、母线电压中性点电位控制、共模漏电流抑制控制、输出电流控制及故障保护控制。本专利所述一种双极型电解水制氢装置能够实现单位功率因数运行降低变压器和线路损耗，双极输出能够提高电压降低输出电流。

Description

一种双极型电解水制氢装置及其控制方法
技术领域
本发明专利涉及氢能领域的一种电解水制氢领域，更具体的说，涉及一种采用风力发电、光伏发电等可再生能源制氢领域的双极型制氢变流控制方法及其装置。
背景技术
现有技术中，电解水制氢电源多采用变压器和晶闸管构成的整流电源，这种电源装置在工作时会产生大量谐波，对电网造成谐波污染，且无法控制电源的功率因数，有较大的无功功率。采用传统的晶闸管整流电源，需选用带移相的多绕组变压器实现12脉波或24脉波整流以降低谐波含量，但这种变压器结构复杂，成本高，损耗高。常规电解水装置采用单极性电源供电方案，这种方案电流较大，导致电缆成本偏高。
发明内容
本发明专利目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种具高功率因数、高效率、低谐波的双极型电解水制氢装置及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明专利提供的技术方案如下：
本发明专利一种双极型电解水制氢装置的控制方法，具体包括：整流稳压控制方法、共模漏电流抑制控制方法、双极输出电流闭环控制方法及故障保护控制方法。
所述的整流稳压控制方法，以直流母线电压和电网侧功率因数为控制目标，以电网侧电流为控制量。将电网电压和电流变换到2相旋转坐标系(dq旋转坐标系)下，将交流量变变换成直流量，电网侧电流在2相旋转坐标系下进行控制。通过控制d轴电流控制实现母线电压的稳定，通过控制q轴电流来控制系统的无功功率，进而实现功率因数的控制；
整流稳压控制方法还包括半控整流桥的控制，在额定输出电流工况下半控整流桥晶闸管触发角为0，此时电源工作在升压模式，当电解槽需要电流较小时，半控整流桥晶闸管触发角增大，此时电源工作在升降压模式，触发角大小取决于直流母线电压需求值。
所述的共模漏电流抑制控制方法，以正母线电流和负母线电流作为主导控制量，对共模漏电流进行闭环控制，其控制目标是正母线电流与负母线电流之和为零。
所述的出电流闭环控制方法分别以正极输出电流和负极输出电流进行PI(比例积分)闭环控制，通过控制双极交错Buck变换电路的开关管占空比控制输出电流。
所述的故障保护方法包含了输出短路检测与保护、电解槽过压检测与保护、输出开路检测与保护、输入输出过流检测与保护、输入过压/欠压检测与保护、压力保护和氢气泄露保护。所述故障保护方法还包含输出中性线未连接检测，当检测到中性线未连接后不再执行双极电流闭环控制，而是切换控制模式：正极采用电流闭环控制，负极输出采用电压闭环控制，负极控制目标为输出正极电压与负极电压相等。
所述故障保护方法在检测到中性线未连接故障时，并不执行停机操作，而是切换运行模式，可以实现制氢电解槽不连接中线条件运行，即单极模式运行，中性线未连接故障是通过中线电流传感器检测的。
本发明专利提出的一种双极型制氢变流装置，具体包括:中压开关柜、降压隔离变压器、输入断路器、预充电电路、第一电流传感器、第二电流传感器、输入滤波电抗器、可控整流单元、正母线滤波电容、负母线滤波电容、正极交错BUCK变换电路、负极交错Buck电路、正极输出滤波器、负极输出滤波器、正极输出电流传感器、负极输出电流传感器、中线电流传感器、主控制单元。
所述的降压隔离变压器其作用起到隔离作用，避免地线环流的产生，其低压侧中性点不接地，隔离变压器的高压侧与中压开关柜的输出相连接；
所述的预充电电路由二极管整流器和电阻组成，无预充电控制开关，当中压开关柜闭环后通过预充电电路自动给直流母线进行充电，当充电完成后输入断路器闭合，完成预充电过程；
所述的可控整流单元包括一个基于晶闸管的三相半控整流桥和3组由反向串联的IGBT开关管组成，通过控制3组IGBT开关管的开通和关断控制直流母线电压及中性点电位，同时还可以通过控制电网侧的功率因数；基于晶闸管的三相半控整流桥由触发电路控制晶闸管的开通；通过控制3组IGBT开关管进而控制直流母线电压级中性点电位，通过控制q轴电流实现对制氢变流装置输入侧功率因数的调节。
所述双极交错Buck变换电路，通过控制正母线Buck电路的占空比控制正极输出电流，通过控制负母线Buck电路的占空比控制负极输出电流。
所述主控制单元是制氢变流装置的控制核心，其包括模数转换模块、数字量输入输出模块、PWM输出模块、通信模块，主控制单元执行控制方法，控制可控整流单元和双极交错Buck变换电路，从而实现制氢变流装置的母线电压、功率因数和输出电流控制。
所述双极型电解槽有3个电气输入端口：正极、负极和中性点，其中性点与大地相连接，同时与双极交错BUCK变换电路的中性点相连接。双极型电解槽电解液进口设置在电解槽中间部位，即设置在中性点位置，同时，氢气、氧气出口也设置在中间位置；双极型电解槽在中间位置配置了功能板，上述电解液入口、氢气出口、氧气出口、接地点以及中性点输出口都集成在功能板上；功能板两侧配置电解小室，两侧的电解小室数量相同。采用双极输出可以提高系统的电压等级，降低电流从而降低电缆的使用量。
本发明专利提供的一种双极型电解水制氢变流控制方法及装置，通过上述控制方法及电路结构，实现大功率制氢电源高功率因数、高效率、低谐波的特征。
附图说明
图1为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置控制流程图
图2为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置整流稳压控制框图
图3为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置漏抑制电流控制框图
图4为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置输出电流控制框图
图5为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置故障保护控制流程图
图6为本发明专利一种双极型电解水制氢装置结构示意图
图7为本发明专利提供的双极型电解槽示意图
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明专利。本发明专利提供了一种双极型电解水制氢装置及其控制方法，控制方法包括：整流稳压控制方法、共模漏电流抑制控制方法、双极输出电流闭环控制方法及故障保护控制方法。所述双极型制氢装置包括:中压开关柜、降压隔离变压器、输入断路器、预充电电路、第一电流传感器、第二电流传感器、输入滤波电抗器、可控整流单元、正母线滤波电容、负母线滤波电容、正极交错BUCK变换电路、负极交错Buck电路、正极输出滤波器、负极输出滤波器、正极输出电流传感器、负极输出电流传感器、主控制单元、双极型电解槽。
图1为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置控制流程图。
图1中，首先，执行中压开关控制模块S101，当收到启动指令后系统闭合中压开关柜，闭合中压开关后立即执行预充电控制，给所述变流装置母线充电；接下来执行预充电完成判断模块S102，判断是否预充电完成，如果预充电未完成继续等待，直到预充电完成后执行共模漏电流抑制控制模块S103，该模块根据正母线和负母线电流之差经过PI调节器得到中性点电位参考值，进而抑制共模漏电流的输出；
接下来，进入整流稳压控制模块S104，整流稳压控制模块S104控制对象包括IGBT开关管的控制和半控整流桥的控制两部分。整流稳压模块S104主要完成对母线电压的闭环控制和功率因数调节。
整流稳压控制方法还包括半控整流桥的控制，在额定输出电流工况下半控整流桥晶闸管触发角为0，此时电源工作在升压模式，当电解槽需要电流较小时，半控整流桥晶闸管触发角增大，此时电源工作在升降压模式，触发角大小取决于直流母线电压需求值。
接下来，进入输出电流控制模块S105，通过控制双Buck单元的占空比，进而控制输出电流，该模块采用PI闭环控制正极输出电流和负极输出电流；
最后，进入故障保护模块S106，当故障判断模块S107判断系统有故障则跳出控制，执行停机保护系统，若无故障调整到共模漏电流抑制控制模块S103，循环执行控制程序。
所述的故障保护方法包含了输出短路检测与保护、电解槽过压检测与保护、输出开路检测与保护、输入输出过流检测与保护、输入过压/欠压检测与保护、压力保护和氢气泄露保护。所述故障保护方法还包含输出中性线未连接检测，当检测到中性线未连接后不再执行双极电流闭环控制，而是切换控制模式：正极采用电流闭环控制，负极输出采用电压闭环控制，负极控制目标为输出正极电压与负极电压相等。
所述故障保护方法在检测到中性线未连接故障时，并不执行停机操作，而是切换运行模式，可以实现制氢电解槽不连接中线条件运行，即单极模式运行，中性线未连接故障是通过中线电流传感器检测的。
图2示出来本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置共模漏电流抑制控制框图。
图2中，首先，正母线输入电流Idc+与负母线输出电流Idc-之差进入死区限制模块S201，死区限制模块功能是当输入量绝对值小于设定死区时输出为0，当输入量绝对值大于等于死区设定值时输出值等于输入值；
正母线电流Idc+与负母线电流Idc-差值经过死区限制模块S201后进入漏电流控制器模块S202，漏电流控制器模块S202核心为PI调节器，漏电流控制器模块S202输出为中性点电位偏移量ΔVdc*，该偏移量ΔVdc*将作为整流稳压控制模块S104的一个输入量。
图3示出来本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置整流稳压控制框图。
图3中，参考电压Vdcref与实际电压Vdc之差进入电压控制器301，电压控制器301核心为一个PI调节器，经过301之后输出d轴电流参考值idRef，idRef与d轴实际电流id做差进入电流控制器模块302，同时q轴电流参考值也进入电流控制器模块，一般将q轴电流参考值给定为0，此时变流装置电网侧的功率因数为1(即无功功率为0)；
可选地，q轴电流参考值不为0，由于无功功率与q轴电流成正比例，可以通过控制q轴电流参考值调节系统的无功功率。
电流控制器模块302内部具备2个PI调节器，分别条件d轴电流和q轴电流，PI调节器的输出为d轴参考电压和q轴参考电压，dq轴参考电压经过2/3坐标变换得到三相静止坐标系下abc三相参考电压值。
abc三相电压参考值送入中性点电位控制模块303，中性点电位控制模块303主要功能是控制正母线电压Vdc+和负母线电压Vdc-之差与漏电流控制器模块S201输出的ΔVdc*相等。abc三相参考电压值得基础上叠加一个零序分量可以改变正母线电压Vdc+和负母线电压Vdc-的值，且不会改变对输入有功和无功功率的控制，本发明专利采用在abc参考电压值上叠加零序分量的方式调节中性点电位，采用此方法能够在控制母线电压均衡同时保证漏电流最小。
中性点电位控制模块303输出的abc三相电压参考值作为SVPWM调制模块304的输入，SVPWM调制模块304根据abc三相参考电压值得合成矢量(幅值和角度)给出整流单元3组IGBT开通和关断时间，进而实现输出电压的控制；电网电压Vg与所述双极型制氢变流器的电压差经过电感模型305得到三相电流值iabc，三相电流iabc经过abc/dq坐标变换得到d轴电流和q轴电流，将其中的dq轴电流送到电流控制器302中进行闭环控制；三相电流iabc通过经过母线电容与阻抗模型306得到母线电压Vdc。
图4为本发明专利提供的一种双极型电解水制氢装置输出电流控制框图。正极输出电流控制与负极输出电流控制相同，以正极输出电力控制为例说明，图4中，给定输出电流Iref与实际输出电流I的差值进入PI控制模块401，经过PI运算得到交错Buck电路输出占空比，再经过均流控制模块402，均流控制模块402功能是微调交错Buck电路每一相对占空比，使各项最终输出电流均衡，使用的方法是比例控制法，即每相的电流与平均电流做差再乘以比例系数作为占空比微调量，叠加到PI控制模块401的输出上；均流控制模块402的输出进入脉冲调制模块403，脉冲调制模块功能是计算Buck电路每个开关管的占空比D，开通时间为开关周期Ts乘以占空比D；交错并联Buck电流按上述控制方法控制开关管的开通和关断，经过交错Buck电路模型将得到实际电流I。
图6为本发明专利一种双极型电解水制氢装置结构示意图。所述一种双极型电解水制氢变流器装置具体包括:中压开关柜1、降压隔离变压器2、输入断路器3、预充电电路4、第一电流传感器5、第二电流传感器6、输入滤波电抗器7、可控整流单元8、正母线滤波电容9、负母线滤波电容10、正极交错Buck变换电路11、负极交错Buck电路12、正极输出滤波器13、负极输出滤波器14、正极输出电流传感器15、负极输出电流传感器16、主控制单元17。
图6中，中压开关柜的输出端与降压隔离变压器2原边相连接，降压隔离变压2器副边与输入断路器3相连接，预充电模块4输入端与降压隔离变压器2的副边相连接，预充电模块4的输出端正极与直流母线正极相连接，负极与直流母线的负极相连接；
第一电流传感器5用于测量a相电流，第二电流传感器6测量b相电流，c相电流根据a相电流和b相电流计算得到。
可控整流模块8由一个基于晶闸管的半控整流桥和3组反向串联的IGBT构成，三组反向串联的IGBT分别输入滤波电抗器7的输出端，三组反向串联的IGBT另外一端都接到直流母线的中性点上。基于晶闸管的三相半控整流桥由触发电路控制晶闸管的开通。
正母线滤波电容9一端与母线正极相连接，另一端与母线中性点相连接，负母线滤波电容10一端连接母线中性点另一端连接负母线。
正极交错BUCK变换电路11由多相并联的Buck电流组成，本发明专利以三相交错并联Buck电路为实例进行说明，三相Buck电路开通移相120度，移相交错开通能够降低输出电流纹波，负极交错Buck电路12同样由三相并联的Buck电流组成，三相Buck电路开通移相120度。
正极输出滤波器13由电感和电容组成，电感数量与正极交错Buck电路的相数相同，正极输出滤波器13输入端与正极交错Buck电路12的输出端相连，输出端一端接系统输出端正极，另一端与母线中性点相连接。
负极输出滤波器14由电感和电容组成，电感数量与负极交错Buck电路的相数相同，正极输出滤波器13输入端与正极交错Buck电路12的输出端相连，输出端一端接系统输出端正极，另一端与母线中性点相连接。
正极输出电流传感器15和负极输出电流传感器16分别串如输出正极和输出负极中，用于测量输出正极和负极的电流。中线电流传感器18串入输出中性线中，测量中线的电流。
主控制单元17主控制单元是制氢变流装置的控制核心，其包括模数转换模块、数字量输入输出模块、PWM输出模块、通信模块；主控制单元运行本专利所述的控制方法，控制可控整流单元和双极交错BUCK变换电路，从而实现制氢变流装置的母线电压、功率因数和输出电流的控制。
双极型电解槽19有3个电气输入端口：正极、负极和中性点，其中性点与大地相连接，同时与双极交错BUCK变换电路的中性点相连接。双极型电解槽19电解液进口设置在电解槽中间部位，即设置在中性点位置，同时，氢气、氧气出口也设置在中间位置。
图7为本发明专利提供的一种双极型电解槽示意图。
所述双极型电解槽在中间位置配置了功能板703，功能板两侧配置电解小室702，两侧的电解小室702数量相同。所述双极型电解槽两端分别设置电气正极接线端701和电气负极接线端707。氢气出口704、氧气出口705、电解液入口706都配置在功能板703上，中性点708和接地点709也集成在功能板上。采用双极输出可以提高系统的电压等级，降低电流从而降低电缆的使用量。
以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。

Claims (12)

1.一种双极型电解水制氢装置的控制方法，其特征在于所述控制方法包括：
整流稳压控制方法、共模漏电流抑制控制方法、双极输出电流闭环控制方法及故障保护控制方法；
具有双极输出控制模式和单极输出控制模式，根据确定的控制模式，对制氢电解槽电流进行控制。
2.根据权利要求1所述的双极型电解水制氢装置的控制方法，其特征在于所述的整流稳压控制方法，以直流母线电压和电网侧功率因数为控制目标，以电网侧电流为控制量，电网侧3相电压和电流均变换到2相旋转坐标轴(d-q坐标轴)下进行控制，d轴电流控制有功功率，q轴电流控制无功功率，进而实现功率因数的控制；
所述整流稳压控制方法还控制直流母线中点电位，根据电网侧电压、电流瞬时值控制双极型制氢变流器中IGBT开关管状态，当正母线电容电压高压负母线电容电压时，选择对正母线进行放电的电压控制矢量，反之，选择对正母线电容充电的电压矢量进行控制，进而实现了中性点电位的平衡；
所述整流稳压控制方法还包括双极型制氢变流器中半控整流桥的控制，在额定输出电流工况下半控整流桥晶闸管触发角为0，此时电源工作在升压模式，母线电压完全由IGBT开关管控制，当电解槽需要电流较小时，半控整流桥晶闸管触发角增大，此时电源工作在升降压模式，IGBT开关管和晶闸管同时控制母线电压，晶闸管触发角大小取决于直流母线电压需求值。
3.根据权利要求1所述的双极型电解水制氢装置的控制方法，其特征在于所述的共模漏电流抑制控制方法，以正母线电流和负母线电流作为主导控制量，对共模漏电流进行闭环控制，控制目标为正、负母线电流之和为零，共模漏电流控制模块的输出叠加到abc三相电压的参考值上，作为最终整流稳压模块开关管控制的电压参考值。
4.根据权利要求1所述的双极型电解水制氢装置的控制方法，其特征在于所述的出双极电流闭环控制方法分别以正极输出电流和负极输出电流进行PI(比例积分)闭环控制，通过控制双极交错Buck变换电路的开关管占空比控制输出电流。
5.根据权利要求1所述的双极型电解水制氢装置的控制方法，其特征在于所述的故障保护方法包含了输出短路检测与保护、电解槽过压检测与保护、输出开路检测与保护、输入输出过流检测与保护、输入过压/欠压检测与保护、压力保护和氢气泄露保护；
所述故障保护方法还包含输出中性线未连接检测，当检测到中性线未连接后不再执行双极电流闭环控制，而是切换控制模式：正极采用电流闭环控制，负极输出采用电压闭环控制，负极控制目标为输出正极电压与负极电压相等；
所述故障保护方法在检测到中性线未连接故障时，并不执行停机操作，而是切换运行模式，可以实现制氢电解槽不连接中线条件运行，即单极模式运行；
中性线未连接故障是通过中线电流传感器检测的。
6.一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述双极型电解水制氢装置包括:中压开关柜、降压隔离变压器、双极型制氢变流器、双极型电解槽；
上述双极型制氢变流器包括：输入断路器、预充电电路、第一电流传感器、第二电流传感器、输入滤波电抗器、可控整流单元、正母线滤波电容、负母线滤波电容、双极交错Buck变换电路、正极输出滤波器、负极输出滤波器、正极输出电流传感器、负极输出电流传感器、中线电流传感器、主控制单元；
所述双极型制氢变流器有三个输出端；
所述双极型制氢变流器输出具有中性点，中性点与双极型电解槽中性点相连接并接地。
7.根据权利要求6所述的一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述的降压隔离变压器其作用起到隔离作用，避免地线环流的产生，其低压侧中性点不接地，其高压侧与中压开关柜相连接。
8.根据权利要求6所述的一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述的预充电电路无预充电控制开关，其输入端直接与隔离降压变压器的输出端相连接，输出端直接与直流母线的正负极相连接。
9.根据权利要求6所述的一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述的可控整流单元包括一个基于晶闸管的三相半控整流桥和3组由反向串联的IGBT开关管组成，通过控制3组IGBT开关管的开通和关断控制直流母线电压及中性点电位，同时还可以通过控制电网侧的功率因数；
基于晶闸管的三相半控整流桥由触发电路控制晶闸管的开通，触发角取决于直流母线电压需求值。
10.根据权利要求6所述的一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述双极交错Buck变换电路由正极交错Buck电路和负极交错Buck电路构成，其中正极交错Buck电路由N(N≥3)组IGBT桥臂组成，每个IGBT桥臂为2个串联的IGBT，桥臂上下2个IGBT互补开通，通过控制正母线Buck电路的占空比控制正极输出电流；负极交错Buck电路也由N组Buck单元组成，通过控制负母线Buck电路的占空比控制负极输出电流。
11.根据权利要求6所述的一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述双极型电解槽有3个电气输入端口：正极、负极和中性点，其中性点与大地相连接，同时与双极交错BUCK变换电路的中性点相连接；
双极型电解槽电解液进口设置在电解槽中间部位，即设置在中性点位置，同时，氢气、氧气出口也设置在中间位置；双极型电解槽在中间位置配置了功能板，上述电解液入口、氢气出口、氧气出口、接地点以及中性点输出口都集成在功能板上；功能板两侧配置电解小室，两侧的电解小室数量相同。
12.根据权利要求6所述的一种双极型电解水制氢装置，其特征在于所述主控制单元是制氢变流装置的控制核心，其包括模数转换模块、数字量输入输出模块、PWM输出模块、通信模块；主控制单元运行控制程序，即控制可控整流单元也控制双极交错BUCK变换电路，从而实现制氢变流装置的母线电压、功率因数和输出电流的控制。
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