CN118300368A - 变换器系统及其控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种变换器系统及其控制器和控制方法。该变换器系统包括：第一变换器，与多绕组变压器的第一次级绕组耦接并且配置成输出第一直流电压；第二变换器，与所述多绕组变压器的第二次级绕组耦接并配置成输出第二直流电压；以及控制器，配置成控制所述第二变换器以基于来自所述电解槽、所述第一变换器、所述第二变换器和所述多绕组变压器中的至少一项的反馈信息来调节所述第二直流电压。

Description

变换器系统及其控制器和控制方法

技术领域

本公开内容涉及向电解槽供电的技术领域，尤其涉及一种采用部分功率处理变换器来向电解槽供电的变换器系统。

背景技术

大功率AC/DC流整流器作为电源在氢电解槽等直流负载应用中起着关键作用。随着绿色氢能市场的兴起，可以预见未来AC/DC整流器市场将进一步扩大。在现有技术中，具有直流稳压功能的整流方案主要有三种，即，基于晶闸管的整流器、带DC/DC变换器的二极管整流器和有源整流器。然而，这些现有解决方案都存在系统效率低的问题，因为它们都是通过使用全功率处理变换器来实现的另外，全功率处理变换器需要具有高额定电压和高额定电流的半导体器件(例如，MOSFET/IGBT)，这将大大增加这些现有解决方案的器件成本。

发明内容

根据本公开内容的一个方面，提供了一种用于为电解槽供电的变换器系统，其包括：第一变换器，与多绕组变压器的第一次级绕组耦接并且配置成输出第一直流电压；第二变换器，与所述多绕组变压器的第二次级绕组耦接并且配置成输出第二直流电压；以及控制器，配置成控制所述第二变换器以基于来自所述电解槽、所述第一变换器、所述第二变换器和所述多绕组变压器中的至少一个的反馈信息来调节所述第二直流电压。

根据本公开内容的另一个方面，提供了一种用于控制变换器系统向电解槽供电的方法，所述变换器系统包括第一变换器和第二变换器，所述第一变换器与多绕组变压器的第一次级绕组耦接并且配置成输出第一直流电压，所述第二变换器与所述多绕组变压器的第二次级绕组耦接并配置成输出第二直流电压，所述方法包括：接收来自所述电解槽、所述第一变换器、所述第二变换器和所述多绕组变压器中的至少一个的反馈信息；以及基于接收到反馈信息来控制所述第二变换器以调节所述第二直流电压。

根据本公开内容的再一个方面，提供了一种用于控制变换器系统向电解槽供电的控制器，包括配置成执行上述方法的一个或多个处理器。

附图说明

结合附图的以下详细说明将会使本发明的技术方案更加清楚。可以理解的是，这些附图仅用于示例性说明，而并非意在对本发明的保护范围进行限制。

图1是根据本公开内容的一实施方式用于为电解槽供电的变换器系统的示意性框图。

图2是图1中的变换器系统的一个例子的示意性框图。

图3是图2中的变换器系统的降压式拓扑的示意图。

图4是图2中的变换器系统的升压式拓扑的示意图。

图5-8是图1中的变换器系统的其他例子的示意图。

图9是图3中降压式拓扑的一个例子的示意图。

图10是图4中的升压式拓扑的一个例子的示意图。

图11是根据本公开内容的一实施方式的用于控制向负载的供电的方法的流程图。

图12-14是图11中方法的主要步骤的一些例子的流程图。

图15是根据本公开内容的另一个实施方式的用于控制向电解槽的供电的方法的流程图。

具体实施方式

概览

本公开内容提供了一种作为电源的变换器系统，用于向电解槽供电。变换器包括二极管变换器或晶闸管变换器(即，下文中将介绍的第一变换器)。变换器系统还包括作为部分功率处理(PPP：partial power processing)变换器的调节变换器(即，下文中将介绍的第二变换器)，其仅处理总功率的一部分。变换器系统还包括用于控制该调节变换器以输出可调的直流电压的控制器。这样的控制能够优化电解槽的运行状态，并提升变换器系统的效率。该变换器系统具有许多优势，例如，尺寸更小、成本更低、系统效率更高以及占用面积更小。

在本发明的实施例中，电解槽是指氢电解槽。例如，电解槽在电解过程中使用电能将水分解为氢气和氧气。通过这样的电解过程，电解槽产生氢气。

根据本公开内容的实施例，变换器系统可以通过多种拓扑来实现。多种拓扑包括所谓的降压式(Step-down)拓扑(例如，图3中示出的拓扑)和升压式(Step-up)拓扑(例如，图4中示出的拓扑)。

调节变换器的部分功率比率(partial power ratio)在电解槽满载运行时较低，而在电解槽轻载运行时相对较高。这样，与提供给直流负载(即电解槽)的功率相比，调节变换器处理的功率保持在较低水平。

在第一变换器包括诸如基于晶闸管之类的半控器件的情况下，可以由控制器控制该半控器件，以进一步增加对电解槽供电的调节范围和调节灵活性。由此，这样的变换器系统特别适用于为电解槽供电。

耦合在变换器系统和AC源(例如，电网)之间的变压器可以采用两个或更多个次级绕组，并且变换器系统的二极管/晶闸管桥可以具有12脉波、18脉波或24脉波，以消除交流源侧的谐波，并优化系统的功率因数。

在变压器的初级侧，可以耦接抽头变换器(TC)，并且控制器可以提供控制信号来确定该TC的合适的抽头位置，从而能够进一步降低调节变换器的部分功率比率，并能够进一步提升系统效率。

变换器系统还可以包括启停开关，以控制电解槽启动或停止电解反应。

变换器系统还可以包括一对互补开关，以实现短路保护。

通过采用所提出的变换器系统，调节变换器中的功率和电压应力都大大降低，这带来的优点是可以使用较低耐受电压的半导体器件，从而可以实现较低的器件成本。调节变换器还提供电能质量和无功功率补偿，这对于满足电网规范至关重要。因此，根据本公开内容的实施例的变化器系统作为电解槽的电源解决方案是非常有吸引力的。

此外，根据本公开内容的控制策略，控制器可以基于反馈信息(例如，上述状态信息和测量信息)来协同控制包含变换器、电解槽、变压器和电网的系统，由此使得态系统中各组成部分的运行状态都得到优化。

示例性系统

图1示出了根据本公开内容的一实施方式的变换器系统。如图1所示，变换器系统1与电解槽4耦接并向电解槽4提供功率。这里，电解槽4作为变换器系统的直流负载(DCload)。变换器系统1包括第一变换器11、第二变换器12和控制器13。第一变换器11耦接在变压器3的第一次级绕组32与电解槽4之间，并输出第一直流电压V₁。第二变换器12耦接在变压器3的第二次级绕组33与电解槽4之间，并输出第二直流电压V₂。变压器3的初级绕组31与AC源2耦接。该AC源2例如是公共连接点(PCC：Point of Common Coupling)。在一个实施例中，AC源2是AC电网(例如，来自AC传输的电网连接或来自可再生能源的离网)或耦合在微电网内。控制器13与变压器3、第一变换器11、第二变换器12和电解槽4通信连接，以与它们交互信息。

变压器3在第一次级绕组32与初级绕组31之间具有第一匝数比，在第二次级绕组33与初级绕组31之间具有第二匝数比，以使得第一次级绕组提供的电压比第二次级绕组提供的电压更高。这样，大部分功率由第一变换器11提供给电解槽4，而第二变换器12仅处理部分功率，如此实现了所谓的部分功率处理变换器。下面将介绍变换器系统1的示例性拓扑结构和这些拓扑结构为电解槽供电的优点。

图2示出了图1中的变换器系统的一个例子。参见图2，第一变换器11实现为包括AC-DC变换器111，用于将来自第一次级绕组32的AC电压转换为第一直流电压V₁，并向电解槽4提供该第一直流电压V₁。AC-DC变换器111可以实现为二极管，以输出固定的直流电压。换言之，当AC-DC变换器111实现为二极管时，第一直流电压V₁是固定的直流电压。AC-DC变换器111也可以实现为晶闸管，以输出可调的直流电压。换言之，当AC-DC变换器111实现为晶闸管时(即，半控型器件)，该第一直流电压V₁是可调的直流电压。晶闸管可以由控制器13控制并输出可调的直流电压。

继续参见图2，第二变换器12可以实现为包括串联连接的AC-DC变换器121和DC-DC变换器122。AC-DC变换器121耦接在第二次级绕组33与DC-DC变换器122之间。DC-DC变换器122耦接在AC-DC变换器121与电解槽4之间。DC-DC变换器122输出第二直流电压V₂，其能够在控制器13的控制下得到调节。AC-DC变换器121的输出电流和输出电压也可以在控制13的控制下得到调节。在第二变换器12中，信号流的方向(例如，电流的方向)取决于拓扑是被实现为降压式拓扑还是升压式拓扑，这将在下面详细描述。值得注意的是，第二变换器12也可以在降压式拓扑和升压式拓扑中实现为单级AC-DC变换器(未示出)。也就是说，也可以通过控制该单级AC-DC变换器来实现直流电压调节。

图3是变换器系统1的降压式拓扑的示意图。如图3所示，从第一变流器11输出的第一直流电压V₁施加给电解槽4和第二变换器12的串联连接。基于该拓扑，第一直流电压V₁等于第二直流电压V₂和电解槽电压V_L之和(即，电解槽4两端的电压)。根据该拓扑，如果第二变换器12被控制为降低第二直流电压V₂，则这将引起电解槽电压V_L增加。在该拓扑中，上述AC-DC变换器121应理解为DC-AC变换器，因为电流从电解槽4流向第二变换器12(例如，从电解槽4流向DC-DC变换器122，然后从DC-DC变换器122流到DC-AC变换器121)最后回到变压器3。即，通过第二变换器退回部分功率到变压器3。这样，电解槽4获得的功率等于通过第一变换器11提供的功率减去通过第二变换器12退回的功率(参见图3中的箭头)。

图4示出了变换器系统1的升压式拓扑的一个例子。如图4所示，从第一变换器11输出的第一直流电压V₁和从第二变换器12输出的第二直流电压V₂一起提供给电解槽4。根据该拓扑，第一直流电压V₁和第二直流电压V₂之和等于电解槽电压V_L。根据该拓扑，如果第二变换器12被控制为降低第二直流电压V₂，则这将引起电解槽电压V_L降低。根据该拓扑，电流从变压器3流向第二变换器12(例如，从变压器3流向AC-AC变换器121，然后从AC-AC变换器121流向DC-DC变换器122)，最后流到电解槽4。这样，由电解槽4获得的功率等于由第一变换器11提供的功率和由第二变换器12提供的功率之和(参见图4中的箭头)。

用这样的部分功率处理拓扑为电解槽4供电可以大大提高系统效率。下面，以图3所示的降压式拓扑为例，介绍系统效率提升的原理。

参见图3，电压关系可以由以下公式(1)表达：

V₁＝V₂+V_L (1)

给定电解槽电流I_L和电解槽电压V_L，电解槽功率P_L可以由以下公式(2)表达：

P_L＝V_LI_L (2)

基于上述串联连接，第二变换器功率P_c可以由以下公式(3)计算：

P_c＝V₂I_L (3)

部分功率比率可以由以下公式(4)计算：

带入公式(1)中的电解槽，得到：

因此，系统效率可以由以下公式(6)计算出：

η＝(1-(1-η₂)·K_r-(1-η₁)·(1-K_r)) (6)

其中，η₁和η₂分别是第一变换器和第二变换器的效率。

在一个实施例中，5MW的电解槽，并且第二直流电压V₂从780V调整到980V以覆盖电解槽的负载率从0％到100％，相应的电解槽电流在空载时为0A，在满载时为5150A。

下面，计算该实施例的电解槽满载(例如，100％，5MW)时的部分功率处理情形。给定从第一变换器输出的固定电压为1050V，则在电解槽满载时的部分功率处理比率可以由以上公式(4)计算出：

7.1％对应于357KW的处理功率，这与5MW全电解槽功率相比大大降低。这是因为大部分负载功率由第一变换器传递，由此大大提高了变换器系统的效率。

下面，计算该实施例的电解槽轻载时的部分功率处理情形。给定从第一变换器输出的固定电压为1050V，电解槽运行在20％的轻载状态，电解槽电压为820V，则第二变换器在电解槽20％轻载时的部分功率处理比率可以由以上公式(4)计算出：

28％对应于280KW的处理功率，这与5MW全电解槽功率相比依然大大降低。

图5示出了图1中的变换器系统的一个例子。参见图5，具有多个抽头位置的抽头变换器(TC)可以耦合到变压器3的初级侧。在该实施例中，控制器可以确定确定抽头位置，以降低或升高第一变换器11输出的第一直流电压V₁，以进一步降低第二变换器12处理的功率或满足电解槽所需的运行状态。

返回图1，控制器13接收来自电解槽4、第一变换器11、第二变换器12和变压器3中至少一项的反馈信息，并且基于接收到的反馈信息控制第二变换器12，以调节从第二变换器12输出的第二直流电压V₂。

例如，控制器13接收来自电解槽侧的、指示电解槽4的状态的状态信息(参见图1中的“Info_1”)，并基于接收到的信息向第二变换器12输出控制信号(参见图1中的“CS”)，以调节从第二变换器12输出的第二直流电压V₂。控制器13还接收来自变压器侧的、包含变压器3的测量信号的测量信息(参见图1中的“Info_2”)，并基于接收到的信息向第二变换器12输出控制信号CS，以调节从第二变换器12输出的第二直流电压V₂。

对第二直流电压V₂的这种调节对于为电解槽4供电是极其有利的，因为这使得系统效率和产氢率能够在各种情形(例如，电网电压波动或过流故障)下得到控制。例如，通过调节第二直流电压V₂，能够满足所需的产氢率，并实现电解槽的更好运行状态。

另外，控制器13还可以通过控制功率吞吐量来调节系统的功率因数。另外，控制器13还可以通过控制第二变换器12产生谐波抑制信号来抑制变压器3的初级侧的谐波。由控制器13实施的控制策略的实施例将在下文中的示例性方法部分中介绍。

在一个实施例中，控制器13在包括多个控制器节点的分布式控制系统(未示出)中实施。例如，分布式控制系统包括：变压器侧的控制器节点、电解槽侧的控制器节点、第一变换器侧的控制器节点、和第二变换器侧的控制器节点。在该实施例中，控制器13可以与第二变换器侧的控制器节点集成在一起，并与分布式控制系统中的其他控制器节点通信。控制器13还可以设置在计算设备(例如，服务器计算机)中，该计算设备独立于分布式控制系统并能够与分布式控制系统的各个控制器节点通信。

在另一个实施例中，控制器13可以在集中式控制系统(未示出)中实施，该集中式控制系统包括高级控制器(例如，中央控制器)和能够与该高级控制器通信的多个低级控制器。例如，低级控制包括变压器侧的低级控制器，第一变换器侧的低级控制器，第二变换器侧的低级控制器、和电解槽侧的低级控制器。在该实施例中，控制器13可以设置在高级控制器中，并能够与低级控制器通信。控制器13还可以设置在这些低级控制器中的一个中，并能够与高级控制器通信。

控制单元13可以采用硬件或者软件或者软件与硬件相结合的方式来实现。对于硬件实现的部分，可以在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数据信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计以执行其功能的电子单元、或它们的组合中实现。对于以软件实现的部分，可以借助于微代码、程序代码或代码段来实现，还可以将它们存储在诸如存储组件之类的机器可读存储介质中。

在一个实施例中，控制器13包括存储器和处理器。存储器中存储有指令。当该指令被处理器执行时使得处理器执行根据本公开内容的实施例的供电控制方法。

根据本公开内容的实施例，变换器系统还可以包括开关，并且控制器13可以控制该开关以使得大电流被切断。这样，在出现短路故障时，变换器系统可以被安全地关断。

图6示出了图1中的变换器系统的一个例子，其中，变换器系统还包括用于控制电解槽4开始或停止电解反应的启停开关。如图6所示，变换器系统1还包括两个启停开关，即，第一启停开关14和第二启停开关15。应当理解，在图6中以降压式拓扑为例进行了例示。升压式拓扑也可以以类似的方式实现。

参见图6，第一启停开关14耦接在第一次级绕组32的输出侧与第一变换器11的输入侧之间，以允许或禁止电功率在变压器3与第一变换器11之间的传输。第二启停开关15耦接在第二次级绕组33的输出侧与第二变换器12的输入侧之间，以允许或禁止电功率在变压器3与第二变换器12之间的传输。在该实施例中，变换器系统1还包括连接在第一变换器11的正输出端与负输出端之间的第一电容器C1，以及连接在第二变换器12的正输出端与第二变换器12的负输出端之间的第二电容器C2。

在开始电解反应的过程中，第一启停开关14和第二启停开关15均闭合，从而对第一电容器C1进行充电。当第一电容C1两端的电压超过电解槽4的电解电压时，电解槽4开始电解反应。接下来，有来自电解槽4的电流(即负载电流)给电容器C2充电。电容器C1两端的电压(即，从第一变换器11输出的第一直流电压V₁)、电容器C2两端的电压(即，从第二变换器12输出的第二直流电压V₂)、以及电解槽电压V_L最终达到平衡状态，即，这些电压在降压式拓扑中满足这样的关系：V₁＝V₂+V_L。

在停止电解反应的过程中，控制器13控制第二变换器12，以使得电容器C2两端的电压逐渐升高并且电解槽电压逐渐降低。当电解槽电压降低到低于预定电压时，电解反应停止，系统回路中无负载电流。这时，启停开关14和15可以断开，这样变流器系统100可以安全地与交流电源2断开连接。该预定电压可以是电解电压。该预定电压也可以是基于电解电压预先确定的电压，例如，根据应用场景在电解电压的基础上加上校正电压而得到的电压。在电解槽电压低于该预定电压的情况下，电解反应停止。

由此可见，启停开关14和15是在系统回路中没有负载电流的情况下断开的，因为在启停开关14和15断开之前，电解反应已经停止，所以启停开关14和15中的每一个都可以用空载隔离开关来实现，其价格比需要关断大电流的开关要低得多。

图7示出了图1中的变换器系统的一个例子，其中，变换器系统还包括用于短路保护的保护开关。如图7所示，变换器系统1还包括两个保护开关，即，第一保护开关16和第二保护开关17。应当理解，在图7中以降压式拓扑进行了例示，升压式拓扑也可以以类似的方式实现。

参见图7，第一保护开关16耦接在第一变换器11的负输出端与第二变换器12的负输出端之间。第二保护开关17耦接在第一变换器11的负输出端与第二变换器12的正输出端之间。第一保护开关16与第二保护开关17互补操作。在正常情况下，第一保护开关16断开，第二保护开关17闭合。在发生短路故障的情况下，第一保护开关16断开，第二保护开关17闭合。然后通过断开第二启停开关15使第二变换器12断电，以便进行维修和排除故障。保护开关16和17可以是基于机械开关与电力电子的开关的组合以切断高电流。

图8示出了图1中的变换器系统的一个例子，该例子适用于变压器的第一次级绕组包括两个或更多个绕组的情形。应当理解，在图8中以降压式拓扑进行了例示，升压式拓扑也可以以类似方式来实现。

如图8所示，变压器3的第一次级绕组32包括两个次级绕组321和322。两个次级绕组的输出电压信号在幅值上相等，并且具有相移(即，两个次级绕组的输出电压信号具有不同的相角)。第一变换器11包括两个变换器111和112，每个变换器与第二次级绕组321和322中的一个耦接。在该实施例中，两个变换器111和112中的每一个都可以包括晶闸管桥或二极管桥。在变压器3采用两个或更多个绕组的情况下，晶闸管桥或二极管桥可以实现12脉波、18脉波或24脉波，以实现系统的可控功率因数。

图9示出了图3中的降压式拓扑的一个例子，其适用于电解槽4包括多个独立的电解槽堆叠(Electrolyzer stack)的情形。如图9所示，第二变换器12包括多个变换器121-12n，每个变换器与多个电解槽堆叠41-4n中的一个串联连接。基于该拓扑，每个电解槽堆叠的电压等于第一直流电压V₁减去相应的一个第二变换器输出的第二直流电压。例如，电压关系可以表达如下：V₁＝V₂₁+V₄₁，V₁＝V₂₂+V₄₂…V₁＝V_2n+V_4n。该实施例的拓扑尤其适用于上述故障情形。例如，如果多个电解槽堆叠中的一个发生了故障(例如，发生了短路故障)，则可以通过调节相应的第二变换器的输出的第二直流电压来使得该电解槽堆叠中的电解反应停止。接着，可以将故障电解槽堆叠与变换器系统断开连接，以便维护。

图10示出了图4中的升压式拓扑的一个例子，其适用于电解槽4包括多个独立的电解槽堆叠(Electrolyzer stack)的情形。如图10所示，第二变换器12包括多个变换器121-12n，每个变换器与多个电解槽堆叠41-4n中的一个连接。基于这样的拓扑，电压关系可以表达为：V₁+V₂₁＝V₄₁,V₁+V₂₂＝V₄₂…V₁+V_2n＝V_4n。类似地，该实施例的拓扑也尤其适用于上述故障情形。例如，如果多个电解槽堆叠中的一个发生了故障(例如，发生了短路故障)，则可以通过调节相应的第二变换器的输出的第二直流电压来使得该电解槽堆叠中的电解反应停止。接着，可以将故障电解槽堆叠与变换器系统断开连接，以便维护。

示例性方法

在介绍了上述示例性系统的基础上，现在介绍示意性方法。这些方法可以采用上述控制器13来执行。应当理解，下述方法所涉及的操作(步骤)不必以所描述的精确顺序执行。相反，可以以不同的顺序或同时地处置多个操作，并且可以添加或省略操作。

图11是根据本公开内容的一实施方式的控制方法1100的流程图。

参见图11，在框1110，控制器13接收电解槽4的状态信息。

在一个实施例中，状态信息包括以下电解槽参数中的一个或多个：电解槽4的产氢率；流过电解槽4的电解槽电流；电解槽4两端的电解槽电压；电解槽4的运行效率；电解槽4的健康状况(SOH)；指示电解槽4老化程度的老化指标；和电解槽4的运行状态。该运行状态是轻载状态、满载状态和过载状态中的一个。电解槽参数可以由与电解槽4耦接的传感器(未示出)测量，也可以采用电解槽模型计算。

在框1120，控制器13基于接收到的状态信息控制第二变换器12以调节第二直流电压V₂。

图12示出了框1120的一个实施例(框1130)。在该实施例中，控制器13基于电解槽的SOH执行调节控制。

参见图12，在框1131，控制器13基于接收到的状态信息来确定电解槽的SOH是否降级。例如，控制器13将电解槽的当前SOH与存储在控制器中的历史SOH进行比较，以确定电解槽的SOH是否降级。

在框1132，在确定为电解槽的SOH降级的情况下，控制器13，控制器13控制第二变换器12以调节从第二变换器12输出的第二直流电压V₂，从而使得提供给电解槽的电压得到控制。

例如，在电解槽的SOH降级后，电解槽的内阻增大，这时通过控制器4控制第二变换器来调节第二直流电压V₂，从而使得提供给电解槽的电压相应地增大以此来确保此时的产氢率达到目标产氢率，而不会因为电解槽的SOH的降级而无法达到目标产氢率。

另外，在该实施例中，也可以通过改变耦接在变压器的初级侧的抽头变换器的抽头位置来使得第一直流电压V₁和第二直流电压V₂两者都得到控制，从而使得电解槽的产氢率达到目标产氢率。

图13示出了框1120的另一个实施例(框1140)。在该实施例中，控制器13执行故障情形下的调节控制。根据本实施例的调节控制，当发生短路故障时，能够快速且安全地断电，以便排除故障。

参见图13，在框1141，控制器13基于接收到的状态信息确定是否发生短路故障。例如，控制器13通过将电解槽电流与一电流阈值相比来确定是否发生短路故障。

在框1142，如果确定为发生了短路故障，控制器12控制第二变换器以调节从第二变换器12输出的第二直流电压V₂，从而使得电解槽电压降至导致电解反应停止的预定电压以下。该预定电压可以是电解电压，也可以可以是基于电解电压预先确定的电压，例如，根据应用场景在电解电压的基础上加上校正电压而得到的电压。在电解槽电压低于该预定电压的情况下，电解反应停止。这时，电解反应停止，并且系统回路中没有大电流。接着，可以断开第二启停开关15，以使得电解槽与供电系统断开连接。

该实施例尤其适用于图9和10中的拓扑。例如，当在多个独立的电解槽堆叠的一个中发生短路故障时，控制器13控制与该故障电解槽堆叠连接的第二变换器，以使得该故障电解槽堆叠中的电解反应停止。而且，对其他电解槽堆叠的供电不会受到影响。

图14示出了框1120的又一个实施例(框1150)。在该实施例中，控制器13基于电解槽的实际运行状态和目标运行状态来执行调节控制。该调节控制可以基于上述拓扑来实现。

参见图14，在框1151，控制器13基于接收到反馈信息来确定电解槽的目标运行状态以及电解槽的实际运行状态。电解槽的目标运行状态可以是由用户需求确定的，也可以由高级控制器根据系统和电网需求(例如，有功、无功需求)进行协同控制来确定。该目标运行状态可以包含在反馈信息中而发送给控制器13。电解槽的实际运行状态可以通过电解槽侧的传感器检测到电解槽状态参数来确定。该实际运行状态可以包含在反馈信息中而发送给控制器13。

在框1152，控制器13控制第二变换器以调节第二直流电压V₂，以使得对电解槽的供电是受控的，从而使得电解槽的运行状态是受控的。例如，当电解槽的实际运行状态符合目标运行状态时，保持当前控制不变。当电解槽的实际运行状态与目标运行状态不一致时，通过控制使得电解槽的实际运行状态变成目标运行状态。下面介绍框1152的一些例子。

在一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为满载，这时电解槽的实际运行状态也为满载，则控制器13保持当前控制不变。

在另一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为满载，这时电解槽的实际运行状态为以最低负载运行，则通过控制器13控制第二变换器来调节第二直流电压V₂，从而使得电解槽的实际运行状态从以最低负载运行变成满载运行。例如，若变换器系统采用降压拓扑，则将第二直流电压被调节为其可调范围内的最小值。如果变换器系统采用升压拓扑，则将第二直流电压调节为其可调范围内的最大值。

在又一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为轻载，这时电解槽的实际运行状态也为轻载，则控制器13保持当前控制不变。

在再一个实施例中，如果电解槽的目标运行状态为以最低负载运行，这时电解槽的实际运行状态为满载，则通过控制器4控制第二变换器来调节第二直流电压V₂，从而使得电解槽的实际运行状态从满载变成以最低负载运行。例如，若变换器系统采用降压拓扑，则将第二直流电压调节为其可调范围内的最大值。如果变换器系统采用升压拓扑，则将第二直流电压调节为其可调范围内的最小值。

另外，当电解槽的目标运行状态为过载，且第二直流电压V₂已调节为其可调范围内的极限值(例如最大值或最小值)时，控制器13可以向变压器侧的控制器节点发送命令信号，以改变耦接在变压器的初级侧的抽头变换器的抽头位置来使得第一直流电压V₁和第二直流电压V₂两者都得到控制，从而使得电解槽的实际运行状态变为过载。

图15是根据本发明的另一个实施方式的控制方法1600的流程图。

参见图15，在框1610，控制器13接收来自变压器侧的测量信息。在一个实施例中，该测量信息包括变压器的初级侧和次级侧的测量信号，例如，测量电流和测量电压。

在框1620，控制器13基于接收的测量信息检测与变压器的初级侧耦接的电网的电网电压中的波动。

在框1630，控制器13计算该波动对电解槽的产氢率和运行效率的负面影响。

在框1640，控制器13计算电解槽电压的增量值，以补偿该负面影响。

在框1650，控制器13控制第二变换器以调节从第二变换器输出的第二直流电压，从而使得电解槽电压增加该增量值。

另外，控制器13可以控制第二变换器进行无功功率补偿和功率因数优化。

例如，根据变压器3的初级侧的电流和电压测量结果，其中滞后功率因数(<1)被监测，第二变换器12可以在控制器13的控制下输出无功功率，以补偿交流电源2侧的功率因数。

例如，当变换器系统以降压式拓扑实现时，可以通过控制DC-AC变换器121产生包括用于谐波补偿分量的AC信号来实现变压器初级侧的谐波补偿.

例如，当确定初级侧存在5次谐波时，控制DC-AC变换器以产生包含用于补偿5次谐波分量的交流信号，然后将该交流信号注入到初级侧。

由此可见，控制器可以基于反馈信息(例如，上述状态信息和测量信息)来协同控制包含变换器、电解槽、变压器和电网的系统，由此使得态系统中各组成部分的运行状态都得到优化。

以上描述被提供用于使得本领域任何技术人员可以实施本文所描述的各个方面。这些方面的各种修改对于本领域技术人员是显而易见的，本文限定的一般性原理可以应用于其它方面。因此，权利要求并非旨在被局限于本文示出的方面。关于本领域技术人员已知或即将获知的、对本公开所描述各个方面的元素的所有结构和功能上的等同变换，都将通过引用而明确地包含到本文中，并且旨在由权利要求所覆盖。

Claims (19)

1.一种用于为电解槽供电的变换器系统，包括：

第一变换器，与多绕组变压器的第一次级绕组耦接并且配置成输出第一直流电压；

第二变换器，与所述多绕组变压器的第二次级绕组耦接并且配置成输出第二直流电压；以及

控制器，配置成控制所述第二变换器以基于来自所述电解槽、所述第一变换器、所述第二变换器和所述多绕组变压器中的至少一个的反馈信息来调节所述第二直流电压。

2.如权利要求1所述的变换器系统，其中，所述第一变换器和所述第二变换器串联连接，并且提供给所述电解槽的电压为所述第一直流电压与所述第二直流电压之和。

3.如权利要求1所述的变换器系统，其中，所述第二变换器和所述电解槽串联连接，并且提供给所述电解槽的电压为所述第一直流电压与所述第二直流电压之差。

4.如权利要求1-3中任一项所述的变换器系统，其中，所述电解槽的状态信息包括以下一项或多项：

-所述电解槽的产氢率；

-流过所述电解槽的电解槽电流；

-所述电解槽两端的电解槽电压；

-所述电解槽的运行效率；

-指示所述电解槽的健康状态的老化指标；以及

-所述电解槽的运行状态，所述运行状态为轻载状态、满载状态和过载状态中的一项。

5.如权利要求4所述的变换器系统，其中，所述控制器配置成：

基于所述反馈信息来确定所述电解槽的健康状态是否降级；以及

在确定为所述电解槽的健康状态降级的情况下，控制所述第二变换器以调节第二直流电压，从而使得电解槽的产氢率是受控的。

6.如权利要求4所述的变换器系统，其中，所述控制器配置成：

基于所述反馈信息确定是否出现短路故障；以及

在确定为出现短路故障时，控制所述第二变换器以调节所述第二直流电压，从而使得所述电解槽电压降至低于导致所述电解槽中的电解反应停止的预定电压。

7.如权利要求4所述的变换器系统，其中，所述控制器配置成：

在电解槽的实际运行状态与目标运行状态不一致时通过控制所述第二变换器以调节第二直流电压，从而使得电解槽的实际运行状态变成目标运行状态。

8.如权利要求4所述的变换器系统，其中，所述控制器配置成：

在所述电解槽的运行状态为过载状态，并且所述第二直流电压为其调节范围的极限值的情况下，生成用于改变与所述多绕组变压器的原边绕组耦接的轴头变换器的抽头位置的命令信号，从而使得所述第一直流电压和所述第二直流电压得到控制。

9.如权利要求1所述的变换器系统，其中，所述控制器配置成：

检测所述反馈信息以确定与所述多绕组变压器的初级绕组耦接的电网的电网电压的波动；

计算所述波动对所述电解槽的产氢率和运行效率的负面影响；

确定用于补偿所述波动的负面影响的、所述电解槽电压的增量值；以及

控制所述第二变换器以调节所述第二直流电压，从而使得提供给所述电解槽的电压增加所述增量值。

10.如权利要求3所述的变换器系统，其中，所述控制器配置成：

检测所述反馈信息，以确定所述变压器的原边侧的谐波和功率因数；

控制所述第二变换器，以生成包括用于谐波补偿的成分的交流信号；以及

控制所述第二变换器提供用于功率因数校正所需的无功功率。

11.如权利要求1所述的变换器系统，其中，所述第一变换器包括二极管，并且所述第一直流电压是固定的直流电压。

12.如权利要求1所述的变换器系统，其中，所述第一变换器包括晶闸管，并且所述第一直流电压是可调的直流电压；并且

其中，所述控制器还配置成控制所述晶闸管以基于所述反馈信息调节所述第一直流电压。

13.如权利要求1所述的变换器系统，还包括：

第一启停开关，耦接在所述第一次级绕组与所述第一变换器之间；以及

第二启停开关，耦接在所述第二次级绕组与所述第二变换器之间，

可选地，所述第一启停开关和所述第二启停开关均为空载隔离开关。

14.如权利要求1所述的变换器系统，还包括：

第一保护开关，耦接在所述第一变换器的负输出端和所述第二变换器的正输出端之间；以及

第二保护开关，耦接在所述第一变换器的负输出端和所述第二变换器的正输出端之间；

其中，所述第一保护开关和所述第二保护开关由控制器互补操作，以使得在正常工作情况下第一保护开关闭合且第二保护开关断开，并且在异常工作情况下第一保护开关断开且第二保护开关闭合。

15.如权利要求1所述的变换器系统，其中，所述电解槽包括一个或多个电解槽堆叠；并且

其中，所述第二变换器包括一个或多个变换器，每个变换器耦接在第二次级绕组与所述一个或多个电解槽堆叠中的一个之间；并且

其中，所述控制器配置成独立控制所述一个或多个变换器中的每一个，以基于每个电解槽堆叠的状态来调节各个变换器输出的直流电压。

16.一种用于控制变换器系统向电解槽供电的方法，所述变换器系统包括第一变换器和第二变换器，所述第一变换器与多绕组变压器的第一次级绕组耦接并且配置成输出第一直流电压，所述第二变换器与所述多绕组变压器的第二次级绕组耦接并配置成输出第二直流电压，所述方法包括：

接收来自所述电解槽、所述第一变换器、所述第二变换器和所述多绕组变压器中的至少一个的反馈信息；以及

基于接收到反馈信息来控制所述第二变换器以调节所述第二直流电压。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

基于所述反馈信息来确定所述电解槽的健康状态是否降级；以及

在确定为所述电解槽的健康状态降级的情况下，控制所述第二变换器以调节第二直流电压，从而使得电解槽的产氢率是受控的。

18.如权利要求所述的方法，还包括：

基于所述反馈信息确定是否出现短路故障；以及

在确定为出现短路故障时，控制所述第二变换器以调节所述第二直流电压，从而使得所述电解槽电压降至低于导致所述电解槽中的电解反应停止的预定电压。

19.一种用于控制变换器系统向电解槽供电的控制器，包括配置成执行如权利要求16-18中任一项所述的方法的一个或多个处理器。