CN115940672A - 具备电压快速调节能力的电解制氢整流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于整流器技术领域，尤其涉及具备电压快速调节能力的电解制氢整流器及其控制方法；本发明通过使用前级多抽头变压器配合双向开关器件，后级使用晶闸管整流器，可以迅速调节变压器变比以改变电压等级，从而实现快速变化电解槽的功率；新能源作为电源供电，在其发电功率出现不稳定的情况时，快速调节电解制氢功率跟随新能源发电功率的波动而变化；与有载调压变压器的晶闸管整流器相比，减少了变换电压等级所需的时间，加速了电解槽对于新能源发电功率的匹配；与单纯依靠调节晶闸管整流器的触发角实现整流器输出电压（电流）调节的情况相比，能够避免因为需要改变电压而大幅调整移相角所导致的谐波、无功功率等电能质量问题。

Description

具备电压快速调节能力的电解制氢整流器及其控制方法

技术领域

本发明属于整流器技术领域，尤其涉及一种具备电压快速调节能力的电解制氢整流器及其控制方法。

背景技术

氢能作为零碳绿色可再生能源，具有能量密度大、转化效率高等优点，可实现开发到利用全过程零排放、零污染；氢气的制备是氢能产业链中的重要一环；现有制氢技术主要包括化石燃料及化工副产制氢、生物质制氢及电解水制氢等；与其他制氢方式相比，电解水制氢具有近零排放和制氢纯度高等优势，并且还可以和光伏、风力可再生能源发电结合起来，有效的消纳风电、光伏等不稳定能源，缓解其波动性对电网的冲击，具有重要的经济及社会效益。

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；制氢能源输出直流电流用于电解制氢，并满足低压大电流输出、高可靠性及高效率等特点。目前工业用大功率电解制氢晶闸管整流器通常前级采用有载调压变压器，有载调压变压器的调节档位较多，可以在带负载的情况下对电压等级进行调整，通过调节变压器档位和晶闸管整流器的触发角实现对晶闸管整流器输出电压（电流）的调节；但是有载调压变压器档位调节通过切换机械开关实现，档位调节所需时间较长；当采用风电、光伏等波动性可再生能源对电解制氢整流器电源进行供电时，需要根据可再生能源发电功率的变化调节整流电源输出电压（电流）调节电解制氢功率，但采用有载调压变压器动态响应速度慢，无法实现对再生能源发电功率的跟随。

为了实现对整流电源输出电压的快速调节，有方法提出采用固定变比的变压器，仅通过调节晶闸管整流器的触发角实现对整流器输出电压的调节；采用该方法虽然可以实现快速调节整流器输出电压（电流），但是在触发角较大时会使整流电源的并网电流谐波、功率因素等变差，无法满足并网要求。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种具备电压快速调节能力的电解制氢整流器及其控制方法，至少解决目前采用的有载变压器导致的动态响应速度慢，无法实现对再生能源发电功率跟随的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，包括多抽头变压器、双向开关器件、相控型整流器以及变换器；

所述多抽头变压器用于实现高电压到低电压的变换，多抽头变压器的低压侧与相控型整流器连接；

所述多抽头变压器中分出有多个抽头，并通过所述双向开关器件实现抽头之间的切换；

所述相控型整流器的输出端与电解槽连接，为所述电解槽供电。

本发明通过双向开关器件改变多抽头变压器的高压侧的绕组匝数，进而改变多抽头变压器高压侧和低压侧的绕组匝数比，因此可以达到快速调节变压器低压侧电压（相控型整流器输入电压）的作用，进而配合调节相控型整流器的触发角，可以实现快速调节相控型整流器的输出电压（电流），即可实现快速调节电解制氢功率，使电解制氢负荷功率能跟随新能源发电功率变化，维持系统稳定性。

优选的，所述多抽头变压器的高压侧为星型连接；

多个所述抽头经过各抽头所对应的双向开关器件连接至多抽头变压器高压侧绕组的高压端或地端。

优选的，所述多抽头变压器的高压侧为三角形连接；

多个所述抽头经过各抽头所对应的双向开关器件连接至高压侧绕组的相邻相。例如，多抽头变压器AB侧绕组分出的多个抽头分别经过双向开关器件连接至A相或B相， BC侧绕组分出的多个抽头分别经过双向开关器件连接至B相或C相，CA侧绕组分出的多个抽头分别经过双向开关器件连接至C相或A相。

优选的，所述多抽头变压器的抽头个数为3个；

第一抽头经第一双向开关器件接地，第二抽头经第二双向开关器件接地，第三抽头经第三双向开关器件接地。

优选的，所述相控型整流器采用6脉波或多脉波晶闸管整流器。

优选的，采用6脉波晶闸管整流器时，6个所述晶闸管VT1、VT3及VT5的阳极与晶闸管VT4、VT6及VT2的阴极并联作为变换器的三相输入端，并与多抽头变压器的低压侧连接；

所述晶闸管VT1、VT3以及VT5的阴极共同连接作为变换器的正极输出端；

所述晶闸管VT4、VT6以及VT2的阳极共同连接作为变换器的负极输入端。

优选的，所述双向开关器件采用双向晶闸管器件、IGBT器件、MOS管以及IGCT中的任意一种或多种的组合。

具备电压快速调节能力的电解制氢整流器的控制方法，其特征在于，采用本发明所述的电解制氢整流器，包括以下步骤：

采用电压及电流互感器采集新能源发电设备发电时的电压及电流值；

控制器获取各个时刻采集到的电压及电流值，并基于各时刻采集到的电压及电流值得到每个时刻的功率；

控制器基于当前时刻以及前一时刻的功率值，得到功率的实际变化值；并基于功率的实际变化值，计算出当前时刻电压所需变化的范围；

控制器发出对应电压变化范围的控制信号，控制双向开关器件改变多抽头变压器的高压侧绕组匝数，进而改变多抽头变压器高压侧和低压侧的匝数比。

本发明的有益效果包括：

本发明通过双向开关器件改变多抽头变压器的高压侧的绕组匝数，进而改变多抽头变压器高压侧和低压侧的绕组匝数比，因此可以达到快速调节变压器低压侧电压（相控型整流器输入电压）的作用，进而配合调节相控型整流器的触发角，可以实现快速调节相控型整流器的输出电压（电流），即可实现快速调节电解制氢功率，使电解制氢负荷功率能跟随新能源发电功率变化，维持系统稳定性。

附图说明

图1为本发明的电解制氢整流器的电路拓扑结构框图。

图2为本发明的前级多抽头变压器拓扑结构及后级多脉波晶闸管整流器拓扑结构。

图3为本发明的多抽头变压器连接双向开关器件的拓扑结构框图。

图4为本发明的多抽头变压器连接双向开关器件的另一种拓扑结构框图。

图5为本发明的多脉波整流器输出端的电压波形图。

图6为本发明的多脉波整流器输入端的电压波形图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图1-附图6对本发明作进一步的详细说明：

参见附图1所示，具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，包括多抽头变压器、双向开关器件、相控型整流器以及变换器；

在实施例中，双向开关器件采用双向晶闸管开关；

相控整流器可采用6脉波或多脉波整流器，在实施例中以6脉波晶闸管整流器为例进行说明；6个所述晶闸管VT1、VT3及VT5的阳极与晶闸管VT4、VT6及VT2的阴极并联作为变换器的三相输入端，并与多抽头变压器的低压侧连接；

所述晶闸管VT1、VT3以及VT5的阴极共同连接作为变换器的正极输出端；

所述晶闸管VT4、VT6以及VT2的阳极共同连接作为变换器的负极输入端。

多抽头变压器分出的多个抽头经过双向晶闸管开关连接至多抽头变压器高压侧绕组的高压端或接地端。此处以经过双向晶闸管开关接地为例进行说明，参见附图3所示，多抽头变压器的高压侧绕组所抽取的多个抽头经过双向晶闸管开关接地，以高压侧绕组引出三个抽头为例说明，每切换双向晶闸管开关改变高压侧抽头接地地点，多抽头变压器的高压侧绕组匝数均会发生变化，进而改变高压和低压侧的绕组匝数比，由于多抽头变压器一次电压保持不变，匝数比的变化等效反应为多抽头变压器二次电压发生改变，即晶闸管整流器的交流输入电压发生变化，进而配合调节晶闸管整流器的触发角，可实现快速调节晶闸管整流器的输出电压（电流），即电解制氢功率在较大范围内的快速调节。

参见图2所示，多抽头变压器可根据实际所需引出抽头，此处，以多抽头变压器高压侧引出三个抽头为例进行说明，正常状态下开始上电时，双向开关器件S0闭合，其他双向开关器件均断开，多抽头变压器变比为匝数比，晶闸管整流器输入电压此时为最小；其中当最底侧双向晶闸管开关S1开通时，其他双向晶闸管开关S0、S1以及S3断开，多抽头变压器的抽头T2接地，此时匝数比进一步减少，因此对应晶闸管整流器输入电压也进一步升高，作为档位二的状态；当双向晶闸管开关S3开通时，其他双向晶闸管开关S0、S1以及S2断开，多抽头变压器接抽头T3运行，此时匝数比进一步减少，因此对应晶闸管整流器的输入电压也进一步升高，作为档位三的状态。

参见附图3所示，需要说明的是本发明所述的双向开关器件可以按照实际需要进行选择，例如双向晶闸管器件、IGBT器件、MOS管、IGCT等；在本实施例中以双向晶闸管开关为例进行说明，多抽头变压器引出三个抽头（T1，T2，T3），分别经双向晶闸管开关（S1，S2，S3）接地，通过切换双向晶闸管开关的通断即可实现晶闸管整流器输入电压的快速调节，进而配合调节晶闸管整流器的触发角，可实现晶闸管整流器触发角在较小范围内变化时，其输出电压（电流）在较大范围内的快速调节。

参见附图4，为本发明的多抽头变压器与双向开关的另一种连接方式的拓扑结构框图，多抽头变压器引出三个抽头（T1’，T2’，T3’），分别经双向晶闸管开关（S1’，S2’，S3’）连接高压点。正常状态下开始上电时，双向晶闸管开关S0’闭合，其他双向晶闸管开关均断开，多抽头变压器变比为匝数比，晶闸管整流器输入电压此时为最小；其中当双向开关S1’开通时，其他双向晶闸管开关（S0’，S2’，S3’）断开，多抽头变压器接抽头T1’连接高压点，此时多抽头变压器的匝数比减少，因此对应晶闸管输入电压升高，此时作为档位一状态；当双向晶闸管开关S2’开通时，其他双向晶闸管开关（S0’，S1’，S3’）断开，多抽头变压器接抽头T2’连接高压点，此时匝数比进一步减少，因此对应晶闸管输入电压也进一步升高，作为档位二状态；当双向晶闸管开关S3’开通时，其他双向开关（S0’，S1’，S2’）断开，多抽头变压器接抽头T3’运行，此时匝数比进一步减少，因此对应晶闸管整流器的输入电压也进一步升高，作为档位三状态。通过切换双向晶闸管开关的通断即可实现晶闸管整流器输入电压的快速调节，进而配合调节晶闸管整流器的触发角，可实现晶闸管整流器触发角的较小范围内变化时，其输出电压（电流）在较大范围内快速调节。

参见附图5所示，在附图1及附图3的结构基础上，在MATLAB/SIMULINK平台上建立仿真模型，在仿真中依次开通双向晶闸管开关S1，S2，S3。观察其所引起的电压等级的变化。默认状态双向晶闸管开关S0闭合，S1、S2、S3断开，在0.2秒时闭合双向晶闸管开关S1，断开S0，此时抽头T1接地，在0.4秒时，闭合双向晶闸管开关S2的同时关闭双向晶闸管开关S1，此时抽头T2接地，在0.6秒时，打开双向晶闸管开关S3的同时关闭双向晶闸管开关S2，此时抽头T3接地。通过仿真图可以看出随着双向晶闸管开关的开通变化（晶闸管整流器的触发角保持固定不变），晶闸管整流器的输出电压均能够较快的进行变化，并快速的达到稳定状态。即此时电解槽的输入端的电压能够迅速的进行调节，进而实现电解制氢功率的快速变化，在实际应用中可基于该控制逻辑切换双向晶闸管开关的通断，并配合调节晶闸管整流器的触发角，实现电解制氢负荷迅速跟随新能源发电功率的波动。

图6为晶闸管整流器输入端的电压波形图。由仿真结果可清晰可知，当0.2秒、0.4秒、0.6时，双向晶闸管开关S1、双向晶闸管开关S2以及双向晶闸管开关S3开通，晶闸管整流器的输入电压迅速变化，并快速的达到了稳定状态。

具备电压快速调节能力的电解制氢整流器的控制方法，其特征在于，采用本发明所述的电解制氢整流器，包括以下步骤：

采用电压及电流互感器采集新能源发电设备发电时的电压及电流值；

控制器获取各个时刻采集到的电压及电流值，并基于各时刻采集到的电压及电流值得到每个时刻的功率；

控制器基于当前时刻以及前一时刻的功率值，得到功率的实际变化值；并基于功率的实际变化值，计算出当前时刻电压所需变化的范围；

控制器发出对应电压变化范围的控制信号，控制双向开关器件改变多抽头变压器的高压侧绕组匝数，进而改变多抽头变压器高压侧和低压侧的匝数比。

本发明通过使用前级多抽头变压器配合双向开关器件，后级使用晶闸管整流器，可以迅速调节变压器变比以改变电压等级，从而实现快速变化电解槽的功率；能够实现风、光等新能源作为电源供电，在其发电功率出现不稳定的情况时，快速调节电解制氢功率跟随新能源发电功率的波动而变化；与传统基于有载调压变压器的晶闸管整流器相比，极大的减少了变换电压等级所需的时间，加速了电解槽对于新能源发电功率的匹配；与不采用有载调压变压器，单纯依靠调节晶闸管整流器的触发角实现整流器输出电压（电流）调节的情况相比，能够避免因为需要改变电压而大幅调整移相角所导致的谐波、无功功率等电能质量问题。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，包括多抽头变压器、双向开关器件、相控型整流器以及变换器；

所述多抽头变压器用于实现高电压到低电压的变换，多抽头变压器的低压侧与相控型整流器连接；

所述多抽头变压器中分出有多个抽头，并通过所述双向开关器件实现抽头之间的切换；

所述相控型整流器的输出端与电解槽连接，为所述电解槽供电。

2.根据权利要求1所述的具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，所述多抽头变压器的高压侧为星型连接；

多个所述抽头经过各抽头所对应的双向开关器件连接至多抽头变压器高压侧绕组的高压端或地端。

3.根据权利要求1所述的具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，所述多抽头变压器的高压侧为三角形连接；

多个所述抽头经过各抽头所对应的双向开关器件连接至高压侧绕组的相邻相。

4.根据权利要求2所述的具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，所述多抽头变压器的抽头个数为3个；

第一抽头经第一双向开关器件接地，第二抽头经第二双向开关器件接地，第三抽头经第三双向开关器件接地。

5.根据权利要求1所述的具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，所述相控型整流器采用6脉波或多脉波晶闸管整流器。

6.根据权利要求5所述的具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，采用6脉波晶闸管整流器时，6个所述晶闸管VT1、VT3及VT5的阳极与晶闸管VT4、VT6及VT2的阴极并联作为变换器的三相输入端，并与多抽头变压器的低压侧连接；

所述晶闸管VT1、VT3以及VT5的阴极共同连接作为变换器的正极输出端；

所述晶闸管VT4、VT6以及VT2的阳极共同连接作为变换器的负极输入端。

7.根据权利要求1所述的具备电压快速调节能力的电解制氢整流器，其特征在于，所述双向开关器件采用双向晶闸管器件、IGBT器件、MOS管以及IGCT中的任意一种或多种的组合。

8.具备电压快速调节能力的电解制氢整流器的控制方法，其特征在于，采用权利要求1到权利要求7任意一项所述的电解制氢整流器，包括以下步骤：

采用电压及电流互感器采集新能源发电设备发电时的电压及电流值；

控制器获取各个时刻采集到的电压及电流值，并基于各时刻采集到的电压及电流值得到每个时刻的功率；

控制器基于当前时刻以及前一时刻的功率值，得到功率的实际变化值；并基于功率的实际变化值，计算出当前时刻电压所需变化的范围；

控制器发出对应电压变化范围的控制信号，控制双向开关器件改变多抽头变压器的高压侧绕组匝数，进而改变多抽头变压器高压侧和低压侧的匝数比。

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