CN117941199A - 制氢系统 - Google Patents
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Abstract
制氢系统，包括：至少一个光伏组件(102，402)、至少一个模块化多电平级联变流器(104，404)和氢电解槽(106，406)，模块化多电平级联变流器(104，404)包括至少一个相单元(1042)，每个相单元(1042)分别包括至少一个功率模块(1040)，其中，光伏组件(102，402)连接模块化多电平级联变流器(104，404)的交流母线侧(AC‑BUS)；以及模块化多电平级联变流器(104，404)的功率模块(1040)的直流侧输出并联连接在一起向氢电解槽(106，406)供电。该制氢系统(100，400)具有冗余能力，基于模块化设计并且易于扩展。
Description
本公开通常涉及制氢技术领域，更具体地，涉及一种制氢系统。
目前，对于使用太阳能光伏(photovoltaic，PV)能量给电解槽供电来制氢已经有很多研究，这种制氢系统具有非常低的碳足迹。
研究大规模制氢系统(通常用于工业生产)的拓扑结构是非常必要的。由于氢电解槽具有低电压和超高电流的特点，因此变流器的拓扑结构应该能够处理超高电流。
目前基于光伏的制氢系统主要是用于小型的应用，例如家用。
现有技术中针对大功率储氢拓扑的一种解决方案是，并联多个DC/DC变流器来处理氢电解槽的大电流。此外，在每个模块中采用并联开关，可以进一步处理大电流。然而，这种方案存在以下缺点：
1)输入光伏的电压通常很高，因为这是一个大功率系统。因此，DC/DC变流器的变换比非常高，这可能影响变流器的效率。
2)大功率变流器通常采用IGBT，然而，并联IGBT的功率均流问题是一个挑战。
在另一种解决方案中，在光伏侧，每个光伏组件都有一个升压变流器。然后，DC/DC变流器向并联DC/AC变流器馈电，并联DC/AC变流器可将DC转换为AC。然后，连接不可控的AC/DC整流器为氢电解槽供电。然而，这种方案有以下缺点：
1)变换级数相对较高，这可能会影响系统效率。
2)在这种系统中引入了工频变压器，增加了系统体积。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以 此作为稍后论述的更详细描述的前序。
有鉴于此，本发明提出了一种能够处理超高电流的制氢系统。
根据本公开的一个方面，提供了一种制氢系统，包括：至少一个光伏组件，至少一个模块化多电平级联变流器，和氢电解槽，所述模块化多电平级联变流器包括至少一个相单元，每个相单元分别包括至少一个功率模块，其中，所述光伏组件连接所述模块化多电平级联变流器的交流母线侧；以及所述模块化多电平级联变流器的功率模块的直流侧输出并联连接在一起向所述氢电解槽供电。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述光伏组件包括光伏板和DC/AC变换器。
可选地，在上述方面的一个示例中，在所述光伏组件的AC输出是单相的情况下，所述模块化多电平级联变流器包括两个相单元，在所述光伏组件的AC输出是三相的情况下，所述模块化多电平级联变流器包括三个相单元。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述功率模块采用隔离拓扑电路。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述隔离拓扑电路采用Boost-PFC+半桥LLC DC/DC的拓扑。
可选地，在上述方面的一个示例中，在所述制氢系统包括两个或更多个模块化多电平级联变流器的情况下，所述两个或更多个模块化多电平级联变流器各自的功率模块的并联输出电压再串联连接在一起向所述氢电解槽供电。
根据本公开的另一方面，提供了一种制氢系统，包括：至少一个光伏组件，至少一个模块化多电平变流器，和氢电解槽，所述模块化多电平变流器包括至少一个相单元，每个相单元包括上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂分别包括至少一个功率模块，其中，所述光伏组件连接所述模块化多电平变流器的交流母线侧；以及所述模块化多电平变流器的功率模块的直流侧输出并联连接在一起向所述氢电解槽供电。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述光伏组件包括光伏板和DC/AC变换器。
可选地，在上述方面的一个示例中，在所述光伏组件的AC输出是单相的情况下，所述模块化多电平变流器包括两个相单元，在所述光伏组件的AC输出是三相的情况下，所述模块化多电平变流器包括三个相单元。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述功率模块采用隔离拓扑电路。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述隔离拓扑电路采用Boost-PFC+半桥LLC DC/DC的拓扑。
可选地，在上述方面的一个示例中，在所述制氢系统包括两个或更多个模块化多电平变流器的情况下，所述两个或更多个模块化多电平变流器各自的功率模块的并联输出电压再串联连接在一起向所述氢电解槽供电。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下优势中的一项。
可以处理氢电解槽的超高电流；
由于采用具有高频变压器的隔离拓扑，因此可以减小系统体积；
采用模块化设计，而具有冗余能力；
非常容易进行扩展。
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。附图中：
图1为根据本发明一个实施例的制氢系统的示例性拓扑图；
图2是隔离拓扑的一种示例性拓扑图；
图3是根据本发明另一个实施例的制氢系统的示例性拓扑图；
图4为根据本发明另一实施例的制氢系统的示例性拓扑图；
图5为根据本发明再一个实施例的制氢系统的示例性拓扑图；
图6为根据本发明又一个实施例的制氢系统的示例性拓扑图；
图7为根据本发明又一实施例的制氢系统的示例性拓扑图。
其中，附图标记如下：
100、400、500、700：制氢系统 102、402-1、402-2、502、702-1、
702-2：光伏组件
104、404-1、404-2：模块化多电平级 106、406、506、706：氢电解槽
联变流器
1042、5042：相单元 1022、4022-1、4022-2、5022：光伏板
1024、4024-1、4024-2、5024： 1040、5040：功率模块
DC/AC变换器
AC-BUS：交流母线侧 504、704-1、704-2：模块化多电平变
流器
5042-1：上桥臂 5042-2：下桥臂
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
有鉴于此，本发明提出了一种能够处理超高电流的制氢系统。
下面将结合附图来具体描述根据本公开的实施例的制氢系统。
图1为根据本发明一个实施例的制氢系统100的示例性拓扑图。
如图1所示，制氢系统100包括一个光伏组件102、一个模块化多电平级联变流器(MMCC)104和氢电解槽106。
在图1所示的制氢系统中，光伏组件的AC输出是单相的，因此模块化多电平级联变流器104包括两个相单元1042，每个相单元分别包括至少一个功率模块1040。
光伏组件102连接所述模块化多电平级联变流器104的交流母线侧AC-BUS。
所述模块化多电平级联变流器104的所有功率模块1040的直流侧输出并联连接在一起向氢电解槽106供电。
在一个示例中，所述光伏组件102包括光伏板1022和一个DC/AC变换器1024。本领域技术人员也可以根据需要采用其他结构来构成光伏组件102，而不限于上述结构。
在根据本发明实施例的制氢系统100中，由于所有功率模块的直流侧输出都并联在一 起，因此可以处理氢电解槽106的超高电流。而且，可以根据氢电解槽的电流大小来选择相单元所包括的功率模块的数目。
对于每个功率模块的功率平衡，可以采用传统的功率平衡方法，例如下垂控制方法。
对于每个功率模块，都采用隔离拓扑。例如，图2是可以采用的一种示例性拓扑电路。图2中的拓扑采用Boost-PFC(功率因数校正)加半桥LLC DC/DC。本领域技术人员也可以根据需要选择其他形式的隔离拓扑电路，而不限于图2所示的拓扑形式。在这里对图2所示的拓扑电路不做详细描述。在该拓扑中，由于采用了高频变压器，因此可以减小制氢系统的体积。
图1所示的制氢系统中，光伏组件的AC输出是单相的，模块化多电平级联变流器包括两个相单元，图3是根据本发明另一个实施例的制氢系统100的示例性拓扑图。
图3所示的制氢系统也包括一个光伏组件102、一个模块化多电平级联变流器104和氢电解槽106。
该制氢系统与图1所示的制氢系统的区别在于，在图3中，光伏组件102的AC输出是三相的，因此模块化多电平级联变流器104包括三个相单元1042。
图3所示的制氢系统与图1中的制氢系统的工作方式类似，在此不再详述。
本领域技术人员可以根据光伏组件的AC输出而选择不同拓扑的制氢系统。
可以理解，对于大功率变流器，冗余和模块化设计非常重要，即使一个模块出现故障也不会影响整个系统的运行；此外，大容量和可扩展性对于系统来说也非常重要。
根据本发明的制氢系统100基于模块化多电平级联变流器(MMCC)，因此继承了MMCC的特征。例如，该制氢系统具有冗余能力，基于模块化设计并且易于扩展。
在对系统进行扩展时，可以有两种方式。一种方式是增加MMCC的每个相单元的功率模块的数量，具体的功率模块的数量可以根据光伏以及氢电解槽的额定功率来确定。另一种方式是增加变流器的数量。下面图4中所示的制氢系统就采用了增加变流器的数量的方法来进行扩展。
图4示出了根据本发明另一实施例的制氢系统400的示例性拓扑图。
图4的制氢系统400包括两个光伏组件402-1和402-2、两个模块化多电平级联变流器404-1和404-2以及氢电解槽406。其中，两个模块化多电平级联变流器404-1和404-2各自的功率模块的并联输出电压再串联连接在一起向氢电解槽406供电。
通过图4所示的制氢设备，可以向氢电解槽提供更高的功率和电压。
本领域技术人员还可以根据氢电解槽的功率需求而设置更多数目的模块化多电平级联变流器，而不限于图4所示的两个。
其中，光伏组件402-1和402-2的结构可以与上述光伏组件102类似，分别包括光伏板4022-1和4022-2以及DC/AC变换器4024-1和4024-2。可以理解，光伏组件402-1和402-2的结构也不限于此。
图4所示的制氢系统中的光伏组件402-1和402-2的AC输出是三相的，两个模块化多电平级联变流器404-1和404-2分别包括三个相单元。可以理解，光伏组件402-1和402-2的AC输出也可以是单相的，并且两个模块化多电平级联变流器404-1和404-2包括两个相单元。
根据本实施例的制氢系统可以适用于具有较高功率的氢电解槽，并且可以根据不同额定功率的氢电解槽的需要而设置模块化多电平级联变流器的数目、模块化多电平级联变流器的相单元的数目以及功率模块的数目，因此非常容易对该系统进行扩展，在此不再详述。
图5为根据本发明再一个实施例的制氢系统500的示例性拓扑图。
如图5所示，制氢系统500包括一个光伏组件502、一个模块化多电平变流器(MMC)504和氢电解槽506。模块化多电平变流器504包括两个相单元5042，每个相单元5042包括上桥臂5042-1和下桥臂5042-2，上桥臂5042-1和下桥臂5042-2分别包括至少一个功率模块5040。
光伏组件502连接模块化多电平变流器504的交流母线侧AC-BUS。
模块化多电平变流器504的所有功率模块5040的直流侧输出并联连接在一起向氢电解槽506供电。
在一个示例中，光伏组件502包括光伏板5022和一个DC/AC变换器5024。本领域技术人员也可以根据需要采用其他结构来构成光伏组件502，而不限于上述结构。
在制氢系统500中，由于所有功率模块的直流侧输出都并联在一起，因此可以处理氢电解槽506的超高电流。
对于每个功率模块的功率平衡，可以采用传统的功率平衡方法，例如下垂控制方法。
对于每个功率模块，都采用隔离拓扑。例如可以采用图2所示的拓扑电路。本领域技术人员也可以根据需要选择其他形式的隔离拓扑电路，而不限于图2所示的拓扑形式。
图5所示的制氢系统中，光伏组件的AC输出是单相的，所以模块化多电平变流器包括两个相单元。图6为根据本发明又一个实施例的制氢系统500的示例性拓扑图。
在图6中，光伏组件的AC输出是三相的，模块化多电平变流器504包括三个相单元5042。
图6所示的制氢系统中的其他部件以及该系统的工作方式与图5中的制氢系统类似，在此不再详述。
图7为根据本发明又一实施例的制氢系统700的示例性拓扑图。
图7的制氢系统700包括两个光伏组件702-1和702-2、两个模块化多电平变流器704-1和704-2以及氢电解槽706。其中，两个模块化多电平级联变流器704-1和704-2各自的功率模块的并联输出电压再串联连接在一起向氢电解槽706供电。
图7所示的制氢设备可以向氢电解槽提供更高的功率和电压。
本领域技术人员还可以根据氢电解槽的功率需求而设置更多数目的模块化多电平变流器，而不限于图7所示的两个。
图7所示的制氢系统中的光伏组件702-1和702-2的AC输出是三相的，两个模块化多电平变流器704-1和704-2分别包括三个相单元。可以理解，光伏组件702-1和702-2的AC输出也可以是单相的，并且两个模块化多电平变流器704-1和704-2分别包括两个相单元。
根据本实施例的制氢系统可以适用于具有较高功率的氢电解槽，并且可以根据不同额定功率的氢电解槽的需要而设置模块化多电平变流器的数目、模块化多电平级联变流器的相单元的数目以及功率模块的数目，因此非常容易对该系统进行扩展，在此不再详述。
与现有技术相比，根据本发明的一个实施例的制氢系统具有以下优势中的至少一项。
可以处理氢电解槽的超高电流；
由于采用具有高频变压器的隔离拓扑，因此可以减小系统体积；
采用模块化设计，而具有冗余能力；
非常容易进行扩展。
应当理解的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式来描述，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。
上述各系统结构图中不是所有的单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些单元。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理实体实现，或者，有些单元可能分别由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (12)
- 制氢系统(100)，包括：至少一个光伏组件(102)、至少一个模块化多电平级联变流器(104)和氢电解槽(106)，所述模块化多电平级联变流器(104)包括至少一个相单元(1042)，每个相单元(1042)分别包括至少一个功率模块(1040)，其中，所述光伏组件(102)连接所述模块化多电平级联变流器(104)的交流母线侧(AC-BUS)；以及所述模块化多电平级联变流器(104)的功率模块(1040)的直流侧输出并联连接在一起向所述氢电解槽(106)供电。
- 如权利要求1所述的制氢系统(100)，其中，所述光伏组件(102)包括光伏板(1022)和DC/AC变换器(1024)。
- 如权利要求1所述的制氢系统(100)，其中，在所述光伏组件(102)的AC输出是单相的情况下，所述模块化多电平级联变流器(104)包括两个相单元，在所述光伏组件(102)的AC输出是三相的情况下，所述模块化多电平级联变流器包括三个相单元。
- 如权利要求1-3中任意一项所述的制氢系统(100)，其中，所述功率模块(1040)采用隔离拓扑电路。
- 如权利要求4所述的制氢系统(100)，其中，所述隔离拓扑电路采用Boost-PFC+半桥LLC DC/DC的拓扑。
- 如权利要求1-3中任意一项所述的制氢系统(100)，其中，在所述制氢系统包括两个或更多个模块化多电平级联变流器的情况下，所述两个或更多个模块化多电平级联变流器各自的功率模块的并联输出电压再串联连接在一起向所述氢电解槽供电。
- 制氢系统(500)，包括：至少一个光伏组件(502)、至少一个模块化多电平变流器(504)和氢电解槽(506)，所述模块化多电平变流器(504)包括至少一个相单元(5042)，每个相单元(5042)包括上桥臂(5042-1)和下桥臂(5042-2)，上桥臂 (5042-1)和下桥臂(5042-2)分别包括至少一个功率模块(5040)，其中，所述光伏组件(502)连接所述模块化多电平变流器(504)的交流母线侧(AC-BUS)；以及所述模块化多电平变流器(504)的功率模块(5040)的直流侧输出并联连接在一起向所述氢电解槽(506)供电。
- 如权利要求7所述的制氢系统(500)，其中，所述光伏组件(502)包括光伏板(5022)和DC/AC变换器(5024)。
- 如权利要求7所述的制氢系统(500)，其中，在所述光伏组件(502)的AC输出是单相的情况下，所述模块化多电平变流器(504)包括两个相单元，在所述光伏组件(502)的AC输出是三相的情况下，所述模块化多电平变流器(504)包括三个相单元。
- 如权利要求7-9中任意一项所述的制氢系统(500)，其中，所述功率模块(5040)采用隔离拓扑电路。
- 如权利要求10所述的制氢系统(500)，其中，所述隔离拓扑电路采用Boost-PFC+半桥LLC DC/DC的拓扑。
- 如权利要求7-9中任意一项所述的制氢系统(500)，其中，在所述制氢系统包括两个或更多个模块化多电平变流器的情况下，所述两个或更多个模块化多电平变流器各自的功率模块(5040)的并联输出电压再串联连接在一起向所述氢电解槽(506)供电。
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