CN219760864U - 基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，包括串联连接的两个以上的斩波单元，每个斩波单元的输入端依次串联连接后连接外部电源系统直流母线，每个斩波单元的输出端分别连接电解槽，每个斩波单元包括并联连接的输入电容以及多条斩波桥臂，每条斩波桥臂通过一斩波电抗器连接至输出端，各个斩波单元为相同结构的Buck电路。本实用新型具有结构简单、成本低、电压利用率与效率以及器件复用性高等优点。

Description

基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置

技术领域

本实用新型涉及制氢电源，尤其涉及一种基于Buck(降压斩波)串联拓扑的直流耦合制氢电源装置。

背景技术

直流耦合电解水制氢是消纳可再生能源的重要途径之一。在直流耦合制氢装置中，通常是采用DC/DC拓扑实现电源变换再提供给电解槽，光伏通常是采用直接DC/DC拓扑，风电系统则采用AC/DC+DC/DC拓扑，但是光伏、风电系统与制氢电解槽的电压等级差异通常较大，如光伏系统采用DC1500V，风电系统采用AC1140V，当前主流制氢电解槽的额定电压等级则通常为DC300V～700V。而由于该光伏、风电系统较高的额定电压等级与制氢电解槽的较低额定电压等级之间的差异，直接采用传统DC/DC变换器进行变换会存在直流电压利用率低、效率较低、输出纹波指标差等问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种结构简单、成本低、电压利用率与效率以及器件复用性高的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，包括串联连接的两个以上的斩波单元，每个所述斩波单元的输入端依次串联后连接外部电源系统直流母线，每个所述斩波单元的输出端分别连接电解槽，每个所述斩波单元包括并联连接的输入电容以及多条斩波桥臂，每条斩波桥臂通过一斩波电抗器连接至输出端，各个所述斩波单元为相同结构的Buck电路。

进一步的，由第一个斩波单元的输入正极作为总输入正极以连接外部电源直流母线正极，第一个斩波单元的输入负极与第二个斩波单元的输入正极连接，第二个斩波单元的输入负极与下一个斩波单元的输入正极连接，直至最后一个斩波单元的输入负极作为总输入负极以与外部电源直流母线负极连接。

进一步的，每条所述斩波桥臂中上桥臂包括至少一组开关管、下桥臂包括至少一组二极管，各所述开关管与各所述二极管串联连接。

进一步的，所述斩波桥臂中上桥臂、下桥臂均由开关管构成，各所述开关管串联连接。

进一步的，所述开关管为IGBT、GTO、GTR、MOSFET、IGCT、IEGT中任意一种的半导体开关器件，或所述开关管为所述半导体开关器件与二极管反并联连接组成的复合开关器件。

进一步的，各个所述斩波单元的总输入端还设置有预充电模块，所述预充电模块包括并联连接的输入开关以及预充电支路，所述预充电支路包括串联连接的预充电电阻以及预充电控制开关。

进一步的，每个所述斩波单元的输入侧和/或输出侧还设置有电压检测电路。

进一步的，各所述斩波电抗器的输入端还设置有电流检测电路。

进一步的，在所有的所述斩波单元或部分所述斩波单元的输出端设置滤波电路。

进一步的，所述滤波电路为滤波电容、LC滤波电路、RC滤波电路、由电容与电感组成构成的复式滤波电路中任意一种。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型采用Buck串联拓扑形成直流耦合制氢电源装置，使每个斩波单元的输入电压降低，间接提高了运行占空比，进而提高了直流电压利用率，同时还能够显著降低开关管电压应力，实现低电压等级开关管在高压系统的应用，从而提升系统效率同时降低成本，开关管电压等级的降低还有利于继续提高开关频率，进而提升系统输出纹波性能，并进一步降低系统成本，同时装置中各串联单元电路是采用相同结构的Buck电路，各斩波单元之间可直接互换，使得电路整体及部件、器件之间的复用性高，可以提高装置的运行可靠性与灵活性，同时可以进一步降低实现成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例1基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例2基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例3基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置的结构示意图。

图4是本实用新型实施例4基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置的结构示意图。

图5是本实用新型实施例5基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置的结构示意图。

图例说明：1、斩波单元；2、电解槽；3、预充电模块；4、滤波电路。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本实用新型作进一步描述，但并不因此而限制本实用新型的保护范围。

如本实用新型公开所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一组”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本实用新型公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

实施例1：

如图1所示，本实施例基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置包括串联连接的两个斩波单元1(第一斩波单元、第二斩波单元)，两个斩波单元1的输入端串联后连接外部电源(光伏、风电系统)直流母线，每个斩波单元1的输出端分别连接电解槽2，每个斩波单元1包括并联连接的输入电容(C1、C2)以及三条斩波桥臂，每条斩波桥臂通过一斩波电抗器(L1、L2、L3)连接至输出端OUT，各个斩波单元1为相同结构的Buck电路。通过上述直流耦合制氢电源装置实现可再生能源发电侧直接制氢，由于采用Buck串联拓扑，使每个斩波单元1的输入电压降低，间接提高了运行占空比，提高了直流电压利用率，同时还能够显著降低开关管电压应力，实现低电压等级开关管在高压系统的应用，从而提升系统效率同时降低成本，开关管电压等级的降低还有利于继续提高开关频率，进而提升系统输出纹波性能，并进一步降低系统成本。同时本实施例直流耦合制氢电源装置中两串联单元电路采用相同结构的Buck电路，两斩波单元之间可直接互换，使得电路整体及部件、器件复用性高，可以提高装置的运行可靠性与灵活性，同时进一步降低实现成本。

本实施例中，每条斩波桥臂中上桥臂包括一组开关管、下桥臂包括一组二极管，各开关管与各二极管串联连接。可以理解的是，斩波桥臂上下管的数量具体均可以根据实际需求配置。

本实施例中，第一斩波单元与第二斩波单元输入侧串联，即第一斩波单元输入正极(节点A)作为总输入正极IN+连接于光伏、风电系统直流母线正极，第一斩波单元输入负极与第二斩波单元输入正极连接于节点B，第二斩波单元负极(节点C)作为总输入负极IN-连接于光伏、风电系统直流母线负极；第一斩波单元与第二斩波单元输出侧分别接电解槽1与电解槽2。具体地，第一斩波单元输出正极(节点J)作为总体第一路输出正极OUT1+连接于电解槽1正极，第一斩波单元输出负极(节点B)作为总体第一路输出负极OUT1-连接于电解槽1负极，第二斩波单元输出正极(节点K)作为总体第二路输出正极OUT2+连接于电解槽2正极，第二斩波单元输出负极(节点C)作为总体第二路输出负极OUT2-连接于电解槽2负极。

参见图1，在第一斩波单元中，输入正极、输入电容C1正极、第一～三斩波桥臂正极连接于节点A，输入负极、输入电容C1负极、第一～三斩波桥臂负极、输出负极连接于节点B，第一斩波桥臂输出端与第一斩波电抗器一端连接于节点D，第二斩波桥臂输出端与第一斩波电抗器二端连接于节点E，第三斩波桥臂输出端与第三斩波电抗器一端连接于节点F，第一～三斩波电抗器(L1～L3)另一端与输出正极连接于节点K。在第一斩波桥臂中，开关管V1正极、二极管D1阴极连接作为桥臂正极，开关管V1负极、二极管D1阳极、二极管D01阴极连接作为桥臂输出端，二极管D01阳极作为桥臂负极。其他斩波桥臂与第一斩波桥臂电路连接相同，且第二斩波单元内部电路连接也与第一斩波单元相同，在此不再一一赘述。

可以理解的是，在其他实施例中，当然还可以采用更多数量的斩波单元1以构成Buck串联拓扑，如果斩波单元1的数量N>2时，则各斩波单元1之间按照与上述两个斩波单元1相同的原理进行串联连接。具体地，由第一个斩波单元的输入正极作为总输入正极以连接外部电源直流母线正极，第一个斩波单元的输入负极与第二个斩波单元的输入正极连接，第二个斩波单元的输入负极与下一个斩波单元的输入正极连接，直至最后一个斩波单元的输入负极作为总输入负极以与外部电源直流母线负极连接。

可以理解的是，斩波单元1中除了采用三条斩波桥臂以外，也可以是由其他数量(正整数)的斩波桥臂构成，斩波桥臂与斩波电抗器数量一一对应。

本实施例中斩波单元1的开关管V1～V6具体采用IGBT，当然也可以为GTO、GTR、MOSFET、IGCT、IEGT等具有相似功能的半导体开关器件，或者以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体开关器件，也可以为半导体开关器件与二极管D1～D6、甚至再与D01～D06封装一起组成的复合开关器件。

本实施例中，二极管具体采用电力二极管，也可以采用如肖特基势垒二极管、SiC二极管等其他具有相似功能的二极管。本实施例中采用的各电容的种类不限，可以是满足电容特性的任何种类电容及其串并联组合，所使用的电感种类同样不限，可以是满足电感特性的任何种类电感及其串并联组合。

本实施例上述本实施例基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，初始状态下制氢电源封锁所有开关管V1～V6的脉冲，制氢电源装置接入系统后，光伏、风电系统直流母线将直流电压送至制氢电源输入侧，正常情况母线串联电容C1、C2各承担一半总输入电压，由控制系统产生触发脉冲触发开关管V1～V6脉冲，输出电流对电解槽1、电解槽2进行极化，极化完成后，再逐渐增大各斩波单元输出电流至所接入电解槽的额定电流，直至达到额定运行状态。运行状态下，接收到停止命令后，制氢电源控制器封锁脉冲，斩波单元输出电流降为零后，断开与电解槽1、电解槽2及光伏、风电系统直流母线的连接，制氢电源装置退出工作。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，斩波桥臂中上桥臂、下桥臂均由开关管构成，如图2所示，每个斩波桥臂采用双开关管+双二极管的组合结构。

以第一斩波桥臂为例说明，开关管V1正极、二极管D1阴极连接作为桥臂正极，开关管V1负极、二极管D1阳极、开关管V2正极、二极管D2阴极连接作为桥臂输出端，开关管V2负极、二极管D2阳极作为桥臂负极。

本实施例中，每个斩波桥臂内的开关管与反并联二极管可以封装一起组成复合开关器件，甚至斩波桥臂整体的两个开关管与两个二极管可以整体封装一起组成复合开关器件。

本实施例通过在每个斩波桥臂的上下管都采用开关管，使得每个斩波桥臂向下开关管施加触发脉冲时可以实现能量反向流动，使得具备能量双向流动功能，同时还能够兼具在储能及充放电领域的应用，扩展了装置的应用范围。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，在各个斩波单元1的输出端设置滤波电路，以进一步降低输出电流纹波，满足更高电解槽电流质量需求，或者能够在满足相同输出电流纹波指标前提下，大幅降低斩波电感感值、体积与成本，同时提高装置功率密度。如图3所示，在每个斩波单元1的输出端并联连接一个滤波电容(C3、C4)。可以理解的是，除滤波电容以外，也可以采用如LC滤波电路、RC滤波电路等其他类型滤波电路，甚至可以采用由电容与电感组成构成的复式滤波电路，具体可以根据实际需求配置。

可以理解的是，如果斩波单元1的数量较多，为降低实现成本，也可以根据实际需求仅在部分斩波单元1的输出侧设置滤波电路。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，各个斩波单元1的总输入端还设置有预充电模块32，预充电模块3包括并联连接的输入开关以及预充电支路，预充电支路包括串联连接的预充电电阻以及预充电控制开关，如图4所示。由预充电模块3可以实现制氢电源装置与光伏、风电系统软投入连接，输入输出开关保证制氢电源装置及系统在故障或退出检修时，及时切除与输入电源(光伏、风电系统直流母线)及输出负载(电解槽1、电解槽2)的电路连接，防止故障扩大及保证检修安全。

如图4所示，输入开关K2和输出开关K3、K4均采用双极开关，当然也可采用单极开关。预充电模块3采用预充电开关与预充电电阻组合的，当然也可以采用具备为母线串联电容预充电功能的其他类型预充电电路，包括采用制氢电源装置内部操作电源通过变压器隔离变压为主电路直流母线预充电的电路等。

具体地，如图4所示，输入开关K2第一极第一端连接于总输入正极IN+，第一极第二端连接于第一斩波单元输入正极，第二极第一端连接于总输入负极IN-，第二极第二端连接于第二斩波单元输入负极；输出开关K3第一极第一端连接于第一斩波单元输出正极，第一极第二端连接于总体第一路输出正极OUT1+，第二极第一端连接于第一斩波单元输出负极，第二极第二端连接于总体第一路输出负极OUT1-；输出开关K4第一极第一端连接于第二斩波单元输出正极，第一极第二端连接于总体第二路输出正极OUT2+，第二极第一端连接于第二斩波单元输出负极，第二极第二端连接于总体第二路输出负极OUT2-。若输入开关K2为双极开关，则相应的实现功能预充电模块内部预充电开关K1也需为双极开关。具体地，预充电模块内部预充电开关K1第一极第二端与预充电电阻R1第一端连接，预充电开关K1第一极第一端连接于输入开关K2第一极第一端作为节点L，预充电电阻R1第二端连接于输入开关K2第一极第二端，也即为原电路节点A，预充电开关K1第二极第一端连接于输入开关K2第二极第一端作为节点M，预充电开关K1第二极第二端连接于输入开关K2第二极第二端，也即原电路节点C。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，每个斩波单元1的输入侧、输出侧还设置有电压检测电路(第一电压检测单元～第五电压检测单元)，各斩波电抗器的输入端还设置有电流检测电路(第一电流检测单元～六电流检测单元)，如图5所示，电压检测电路采用电压传感器，电流检测电路采用电流传感器。具体地，检测电路中第一电压检测单元正极连接于总输入正极(即原电路节点L)，负极连接于总输入负极(即原电路节点M)；第二电压检测单元正极连接于第一斩波单元输入正极(即原电路节点A)，负极连接于第一斩波单元输入负极(即原电路节点B)；第三电压检测单元正极连接于第二斩波单元输入正极(即原电路节点B)，负极连接于第二斩波单元输入负极(即原电路节点C)；第四电压检测单元正极连接于第一斩波单元输出正极(即原电路节点J)，负极连接于第一斩波单元输出负极(即原电路节点B)；第五电压检测单元正极连接于第二斩波单元输出正极(即原电路节点K)，负极连接于第二斩波单元输出负极(即原电路节点C)。第一～六电流检测单元连接于原电路对应序号斩波桥臂与斩波电感连接之间。

本实施例通过定义制氢电源装置的四态分别为退出态、待机态、运行态、故障态，退出态：制氢电源装置未接入系统外部电路，输入输出开关未闭合，母线电压未建立；待机态：制氢电源装置已接入系统外部电路，输入输出开关已闭合，已完成预充电且母线电压已建立，待启动脉冲即可为所接入电解槽输出电流进行电解水制氢；运行态：制氢电源已触发开关管脉冲正在为所接入电解槽输出电流进行电解水制氢；故障态：制氢电源装置因触发某故障保护并执行保护动作，装置封锁脉冲甚至退出系统并提报故障状态。上述制氢电源的投入、退出逻辑具体为：

投入逻辑：为退出态转入待机态的时序逻辑，控制器检测到投入指令后，检测外部输入电压是否在正常范围；若否，则继续检测外部输入电压，只至满足正常范围；若是则合预充电开关K1进入预充电，预充电完成后合输入开关K2与输出开关K3、K4；再延时等待一定时间后分预充电开关K1，制氢电源装置进入待机态。

退出逻辑：为待机态或运行态转入退出态的时序逻辑，控制器检测到退出指令后，封锁脉冲，然后分输入开关K2与输出开关K3、K4，制氢电源装置进入退出态。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，包括串联连接的两个以上的斩波单元(1)，每个所述斩波单元(1)的输入端依次串联后连接外部电源系统直流母线，每个所述斩波单元(1)的输出端分别连接电解槽(2)，每个所述斩波单元(1)包括并联连接的输入电容以及多条斩波桥臂，每条斩波桥臂通过一斩波电抗器连接至输出端，各个所述斩波单元为相同结构的Buck电路。

2.根据权利要求1所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，由第一个斩波单元的输入正极作为总输入正极以连接外部电源直流母线正极，第一个斩波单元的输入负极与第二个斩波单元的输入正极连接，第二个斩波单元的输入负极与下一个斩波单元的输入正极连接，直至最后一个斩波单元的输入负极作为总输入负极以与外部电源直流母线负极连接。

3.根据权利要求1所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，每条所述斩波桥臂中上桥臂包括至少一组开关管、下桥臂包括至少一组二极管，各所述开关管与各所述二极管串联连接。

4.根据权利要求1所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，所述斩波桥臂中上桥臂、下桥臂均由开关管构成，各所述开关管串联连接。

5.根据权利要求3或4所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，所述开关管为IGBT、GTO、GTR、MOSFET、IGCT、IEGT中任意一种的半导体开关器件，或所述开关管为所述半导体开关器件与二极管反并联连接组成的复合开关器件。

6.根据权利要求1所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，各个所述斩波单元(1)的总输入端还设置有预充电模块(3)，所述预充电模块(3)包括并联连接的输入开关以及预充电支路，所述预充电支路包括串联连接的预充电电阻以及预充电控制开关。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，每个所述斩波单元(1)的输入侧和/或输出侧还设置有电压检测电路。

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，各所述斩波电抗器的输入端还设置有电流检测电路。

9.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，在所有的所述斩波单元或部分所述斩波单元的输出端设置滤波电路(4)。

10.根据权利要求9所述的基于Buck串联拓扑的直流耦合制氢电源装置，其特征在于，所述滤波电路(4)为滤波电容、LC滤波电路、RC滤波电路、由电容与电感组成构成的复式滤波电路中任意一种。