CN116707325B - 具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于整流器控制技术领域，提出了具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法，其中，该整流器包括：带下垂控制的逆变器、多抽头变压器、双向开关器件、相控型整流器和控制器；本发明的控制方法通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。本发明能够达到辅助稳定微电网频率的作用，与传统新能源电解制氢情况相比，能够有效避免传统新能源发电的情况下发电侧功率波动时出现的交流母线频率振荡以及更严重的系统崩溃现象。

Description

具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法
技术领域
本发明涉及整流器控制技术领域，特别涉及具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法。
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功率的调节；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。并且在离网情况下，交流母线频率的稳定也是一个极为重要的因素，而具备频率调节能力的采用电力电子有载分接开关的新能源电解制氢整流器能够以较快的速度进行功率的调节，因此其能够较好的稳定微电网交流母线的频率。
为了实现对整流电源输出功率的快速调节，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功率的调节；采用该方法虽然可以实现快速调节整流器输出功率，但是在触发角较大时会使整流电源的并网电流谐波、功率因数等变差，使其无法满足并网要求；并且当处于微电网状态时，交流母线的频率的稳定性也因为功率的无法快速控制调整而难以保证，频率的失稳甚至可能导致微电网的崩溃，因此对整流器的控制手段也需要解决。
发明内容
本发明的目的在于提供具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法，在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同时，当处于风、光等新能源发电的微电网的情况下，还能够通过使用下垂控制方法有效解决微电网母线频率的波动问题。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：
一方面，本发明提供了具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，包括：
带下垂控制的逆变器，用于模拟新能源电网的弱电网情况，为后级多抽头变压器提供交流电；
多抽头变压器，用于实现电压的变换，其中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，所述多抽头变压器的输入端与带下垂控制的逆变器的输出端连接，通过交流母线为多抽头变压器供电；
双向开关器件，用于实现抽头之间的切换；
相控型整流器，其输出端与电解槽连接，用于为电解槽供电；
控制器，用于通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。
作为进一步优化，所述使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，是指：
通过采用下垂控制的原理将相控整流器一次侧交流母线的频率与负载端的电流相联系起来，并设计交流母线频率的变化值与电流的指令值之间的下垂关系方程，通过检测实时交流母线的频率值用于控制负载端电流指令值。
作为进一步优化，通过使用锁相环PLL采集带下垂控制的逆变器的交流母线频率，将得到的频率实际值f与已设定的频率参考值fref比较作差之后经过下垂关系方程控制之后得到实时的电流指令值Iref，进而实现了交流母线频率与后级整流器之间的控制联系。
作为进一步优化，所述在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系，包括：
采用电流互感器实时采集新能源发电设备发电时负载侧的电流值I，将采集到的实时的电流值I与电流指令值Iref进行比较，再通过PID控制器之后生成晶闸管触发角的指令值α；
控制器基于采集到的晶闸管触发角的指令值，判断指令值α是否大于指定触发角角度αref；若其大于指定触发角角度αref时，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，以使整流器输出功率快速变化，使得新能源交流母线频率与负载功率之间的下垂平衡。
作为进一步优化，当新能源电解制氢整流器输出功率得到调节之后，在整流器下垂控制的作用下，实时的电流值I与电流指令值Iref重新恢复稳定，负载电流与交流母线频率的下垂关系也达到重新的稳定；
基于逆变器的下垂关系，在后级整流器负载消耗功率减小之后，交流母线的频率恢复并达到了新的稳定。
作为进一步优化，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；
所述带下垂控制的逆变器采用下垂控制来维持新能源交流母线电压以及频率的稳定；
所述相控型整流器采用6脉波晶闸管整流器；
所述双向开关器件采用双向晶闸管器件和/或IGBT。
另一方面，本发明还提供了具备频率调节能力的新能源电解制氢控制方法，应用于所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，包括如下步骤：
通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制；
通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。
本发明的有益效果是：通过上述具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器及控制方法，通过前级使用带下垂控制的逆变器模拟以可再生能源为供电源的情况，中间级使用多抽头变压器配合双向开关器件，后级使用晶闸管整流器，通过控制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；电解制氢在其发电功率出现不稳定的情况时，需要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，同时带下垂控制的新能源微电网的频率稳定也需要依靠功率的快速变化。
与传统有载调压变压器的晶闸管整流器相比，本发明减少了变换电压所需的时间，加速了电解槽对于新能源发电功率的匹配，克服了现有的采用机械式有载分接开关新能源电解制氢整流器响应慢的缺点，更适用于新能源供电情况下的大型电解槽；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；同时通过本发明的控制逻辑能够利用功率与频率的关系，相控整流器可以通过使用下垂控制的原理，达到辅助稳定微电网频率的作用；与传统新能源电解制氢情况相比，能够有效避免传统新能源发电的情况下发电侧功率波动时出现的交流母线频率振荡以及更严重的系统崩溃现象。
附图说明
图1为本发明实施例的新能源电解制氢整流器的电路拓扑结构框图。
图2为本发明实施例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为本发明实施例的多抽头变压器连接双向开关器件的拓扑结构框图。
图4为本发明实施例的控制逻辑结构框图。
图5为不加入本发明控制的多脉波整流器输入端交流母线的频率波形图。
图6为不加入本发明控制的多脉波整流器输出端的电压波形图。
图7为不加入本发明控制的多脉波整流器输出端的电流波形图。
图8为加入本发明控制的多脉波整流器输入端交流母线的频率波形图。
图9为加入本发明控制的多脉波整流器输出端的电压波形图。
图10为加入本发明控制的多脉波整流器输出端的电流波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
参见附图1所示，本发明实施例提供的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，包括带下垂控制的逆变器、多抽头变压器、双向开关器件、相控型整流器，其中，双向开关器件采用双向晶闸管开关，多抽头变压器的输入端与带下垂控制的逆变器的输出端连接，通过交流母线为多抽头变压器供电，相控整流器可采用6脉波或多脉波整流器，在本实施例中以6脉波晶闸管整流器为例进行说明。
参见附图2所示，在前级为带下垂控制的逆变器的情况下，多抽头变压器可根据实际所需选择引出抽头的个数，以此来满足实际工况的效果。同时相控整流器也可以灵活选择，也可采用十二脉波以及以上的整流器来完成整流部分的作用。在采用上述设备的情况下加入下垂控制来控制整流器可以达到快速调节功率的作用，同时起到辅助稳定新能源交流母线频率的作用。因此若当新能源供电侧的频率发生失稳时，本控制器可以迅速通过下垂控制调节后级整流器功率，进而稳定新能源供电侧的频率，避免系统的震荡和崩溃。
参见附图3所示，需要说明的是本发明实施例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，通过检测晶闸管整流器的触发角大小，实现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，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，进而较快的调节功率的变化。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运行，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运行，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，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，实现对功率的调节，进而与带下垂控制的逆变器协同控制频率进行调节。
参见附图4所示，本发明实施例所述的新能源电解制氢整流器通过采用图中的控制逻辑将整流器一次侧交流母线的频率与新能源电解制氢整流器负载端的电流相联系起来，并设计交流母线频率的变化值与电流的指令值之间的下垂关系方程，进而实现通过检测实时交流母线的频率值以达到控制新能源电解制氢整流器负载端电流指令值的目的。
需要指出的是，本实施例中，可以通过使用锁相环PLL采集带下垂控制的逆变器的交流母线频率，将得到的频率实际值f与已设定的频率参考值fref比较作差之后经过下垂关系方程控制之后得到实时的电流指令值Iref，实现了交流母线频率与后级整流器之间的控制联系；采用电流互感器实时采集新能源发电设备发电时负载侧的电流值I，将采集到的实时的电流值I与电流指令值Iref进行比较，再通过PID控制器之后生成晶闸管触发角的指令值α；控制器基于采集到的晶闸管触发角的指令值，判断指令值α是否大于指定触发角角度αref；若其大于指定触发角角度αref时，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，以达到快速变化整流器输出功率的作用，进而实现了新能源交流母线频率与负载功率之间的下垂平衡；当新能源电解制氢整流器输出功率得到调节之后，在整流器下垂控制的作用下，实时的电流值I与电流指令值Iref重新恢复稳定，负载电流与交流母线频率的下垂关系也达到重新的稳定。同时由于逆变器的下垂关系，在后级整流器负载消耗功率减小之后，交流母线的频率也得到了有效的恢复并达到了新的稳定。
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，在仿真中增大负载功率，此时因为逆变器采用下垂控制的原因，交流母线的频率下降，当不加入控制时，双向晶闸管开关开关不动作，此时的交流母线的频率、晶闸管整流器负载端电压和电流的波形变化分别如图5、图6和7所示。
在仿真中增大负载功率，当加入控制时，交流母线的频率、晶闸管整流器负载端电压和电流的波形变化分别如图8、图9和图10所示。在1秒之后交流母线频率稳定在50Hz，在2秒时增大负载功率，由于前级逆变器的下垂作用导致交流母线频率降低，此时频率的实际值与频率指令值的差距增大，在相控整流器下垂控制的作用下，使相控整流器的电流指令值降低，进而导致晶闸管的触发角增大。
初始状态下双向晶闸管S1闭合，S0、S2、S3断开，当晶闸管的触发角不断增大到大于指定触发角度时，控制在关闭双向晶闸管开关S1的同时打开S2，此时抽头T2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，晶闸管整流器的输出电压均能够较快的进行变化，并快速的达到稳定状态，并且交流母线的频率也有明显的提升。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调节晶闸管整流器的触发角，进而控制双向晶闸管开关的通断，实现电解制氢负荷迅速跟随新能源发电功率的波动，并配合起到稳定交流母线频率的作用。
图5和图8分别为加入本发明控制前后的晶闸管整流器输入端的交流母线的频率波形图。由仿真结果可清晰可知，当不加入控制时频率维持在49.3Hz，而当加入控制后频率维持在49.75Hz，晶闸管整流器输入端的交流母线的频率频率有明显的回升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，进一步说明了本发明控制的有效性。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例提供的是具备频率调节能力的新能源电解制氢控制方法，采用本发明实施例1所述的新能源电解制氢整流器，包括以下步骤：
整流器通过采用下垂控制的原理将整流器一次侧交流母线的频率与新能源电解制氢整流器负载端的电流相联系起来，设计交流母线频率的变化值与电流的指令值之间的下垂关系，进而通过实时检测交流母线的频率值以达到控制新能源电解制氢整流器负载端电流指令值的作用；
使用锁相环PLL采集带下垂控制的逆变器的交流母线频率，将得到的频率实际值与频率参考值fref比较之后经过下垂控制之后得到实时的电流指令值Iref；
采用电流互感器采集新能源发电设备发电时的电流值I，将采集到的实时的电流值I与电流指令值Iref进行比较，再通过PID控制器之后生成晶闸管触发角的指令值α；
控制器基于采集到的晶闸管触发角的指令值，判断指令值是否大于指定触发角角度αref；若大于指定触发角角度αref时，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，以降低整流器输出的功率；
当新能源电解制氢整流器输出功率得到降低之后，由于逆变器的下垂关系，在后级消耗功率减小之后，交流母线的频率也会有一定的恢复。
实际应用过程中，本发明实施例通过使用前级带下垂控制的逆变器，中间级采用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；并且在微电网交流母线频率不稳定的时候，能够帮助稳定交流母线的频率；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，并对交流母线的频率提供了良好的支撑作用；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。同时由于其能够快速调节功率的作用，相控整流器可以通过使用下垂控制的原理，达到辅助稳定微电网频率的作用。与传统新能源电解制氢情况相比，能够有效避免传统新能源发电的情况下发电侧功率波动时出现的交流母线频率振荡以及更严重的系统崩溃现象。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，包括：
带下垂控制的逆变器，用于模拟新能源电网的弱电网情况，为后级多抽头变压器提供交流电；
多抽头变压器，用于实现电压的变换，其中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，所述多抽头变压器的输入端与带下垂控制的逆变器的输出端连接，通过交流母线为多抽头变压器供电；
双向开关器件，用于实现抽头之间的切换；
相控型整流器，其输出端与电解槽连接，用于为电解槽供电；
控制器，用于通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系；
所述在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系，包括：
采用电流互感器实时采集新能源发电设备发电时负载侧的电流值I，将采集到的实时的电流值I与电流指令值Iref进行比较，再通过PID控制器之后生成晶闸管触发角的指令值α；
控制器基于采集到的晶闸管触发角的指令值，判断指令值α是否大于指定触发角角度αref；若其大于指定触发角角度αref时，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，以使整流器输出功率快速变化，使得新能源交流母线频率与负载功率之间的下垂平衡。
2.根据权利要求1所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，所述使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制，是指：
通过采用下垂控制的原理将相控整流器一次侧交流母线的频率与负载端的电流相联系起来，并设计交流母线频率的变化值与电流的指令值之间的下垂关系方程，通过检测实时交流母线的频率值用于控制负载端电流指令值。
3.根据权利要求2所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，通过使用锁相环PLL采集带下垂控制的逆变器的交流母线频率，将得到的频率实际值f与已设定的频率参考值fref比较作差之后经过下垂关系方程控制之后得到实时的电流指令值Iref，进而实现了交流母线频率与后级整流器之间的控制联系。
4.根据权利要求1所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，当新能源电解制氢整流器输出功率得到调节之后，在整流器下垂控制的作用下，实时的电流值I与电流指令值Iref重新恢复稳定，负载电流与交流母线频率的下垂关系也达到重新的稳定；
基于逆变器的下垂关系，在后级整流器负载消耗功率减小之后，交流母线的频率恢复并达到了新的稳定。
5.根据权利要求1所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，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；
所述带下垂控制的逆变器采用下垂控制来维持新能源交流母线电压以及频率的稳定；
所述相控型整流器采用6脉波晶闸管整流器；
所述双向开关器件采用双向晶闸管器件和/或IGBT。
6.具备频率调节能力的新能源电解制氢控制方法，应用于权利要求1-5任意一项所述的具备频率调节能力的新能源电解制氢整流器，其特征在于，包括如下步骤：
通过实时检测交流母线频率的变化，并使用下垂控制的方法对多抽头变压器的双向开关器件与相控整流器进行协同控制；
通过对双向开关器件与相控整流器进行控制负载功率得以变速变化，并在逆变器下垂控制的作用下自动调节电解制氢负载与交流母线频率的平衡关系。
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