CN220798102U - 一种1mw整流制氢电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种1MW整流制氢电源系统，包括整流稳压电路、斩波电路、放电回路与控制模块，整流稳压电路输入端电性连接三相市电，整流稳压电路、斩波电路与放电回路沿电流输入方向依次连接，本实用新型的整流稳压电路通过三相PWM整流电路将交流输出电源转变成DC540V直流电，并每一相整流稳压电路采用四组IGTB，使得电路具有四象限稳压功能，采用电网电压锁相，电压电流双闭环控制，实现稳定直流电压、提高网侧功率因数，斩波电路具备DC/DC斩波功能，将整流稳压电路输出的中间直流电压通过DC/DC降压斩波，提供0‑240V可调的电压、电流值的直流电源，并通过采用多重错相控制，提高等效开关频率，降低输出电流纹波，减小斩波电抗器体积。

Description

一种1MW整流制氢电源系统

技术领域

本实用新型涉及电解水制氢的整流电源技术领域，特别是涉及一种1MW整流制氢电源系统。

背景技术

氢气具有清洁、高效的特点被公认为未来最有潜力的能源载体。目前，制氢以煤化工制氢为主要途径，但采用煤化工制氢存在耗水量大、二氧化碳排放量大等问题，与发展绿色能源的目标背道而驰。除煤化工制氢技术外，电解水制氢污染低、制氢纯度高，是一种高效、清洁的制氢技术。

如一种电解水制氢的整流电源系统（公开号：CN215912048U，公开日：2022-02-25），包括整流变压器、输入隔离开关、电解槽和整流单元，所述整流变压器采用三绕组变压器，高压侧1个绕组，低压侧2个绕组；所述整流单元采用2+n的并联方式，2表示两组整流桥并联，n表示每组整流桥由n个三相桥式全控晶闸管整流桥并联组成；所述整流变压器的高压侧与电网连接，低压侧经输入隔离开关分别与两组整流桥连接；两组整流桥输出直流电并联后与电解槽连接。

该电源系统能有效解决谐波对电网污染大的问题，并且能够提供大容量的整流电源，但是该电源系统没有在提高网侧功率因数的同时，给出较好提高等效开关频率以及降低输出纹波的方法。

实用新型内容

针对背景技术中存在的技术缺陷，本实用新型提出一种1MW整流制氢电源系统，解决了上述技术问题以及满足了实际需求，具体的技术方案如下所示：

一种1MW整流制氢电源系统，包括整流稳压电路、斩波电路、放电回路与控制模块，所述整流稳压电路输入端电性连接三相市电，所述整流稳压电路、斩波电路与放电回路沿电流输入方向依次电性连接，所述控制模块电性连接整流稳压电路与斩波电路；

所述整流稳压电路包括输入交流断路器QF1、预充电单元与两组并联设置的三相PWM整流模块，两组所述三相PWM整流模块分别包括三相交流滤波电抗器、三相第一电流传感器与整流桥臂，每一相所述交流滤波电抗器与第一电流传感器串联后连接一个整流桥臂，每一个所述整流桥臂由IGBT双管采用桥臂并联的方式并联而成，两组所述三相PWM整流模块输出端连接斩波电路输入端；

所述斩波电路设有第二电流传感器、斩波电抗器与斩波桥臂，所述第二电流传感器、斩波电抗器与斩波桥臂分别设有五个，每一个所述斩波桥臂连接第二电流传感器后，与斩波电抗器串联，每一个所述整流桥臂由IGBT双管采用桥臂并联的方式组成。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述预充电单元并联输入交流断路器QF1，所述预充电单元并联交流断路器QF1后电性连接两组三相PWM整流模块的输入端。

作为本实用新型的进一步技术方案，两组所述三相PWM整流模块分设有电容，所述电容并联整流桥臂，所述整流稳压电路输出端并联电阻R11与电容Cd。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述斩波电路包括IGBT双管CH1-CH5、斩波电抗器L1-L5与第二电流传感器BC1-BC5，所述斩波电路的五个斩波桥臂所在支路并联。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述斩波桥臂CH1连接第二电流传感器BC1后，与斩波电抗器L1串联；所述斩波桥臂CH2连接第二电流传感器BC2后，与斩波电抗器L2串联；所述斩波桥臂CH3连接第二电流传感器BC3后，与斩波电抗器L3串联；所述斩波桥臂CH4连接第二电流传感器BC4后，与斩波电抗器L4串联；所述斩波桥臂CH5连接第二电流传感器BC5后，与斩波电抗器L5串联。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述放电回路由接触器KM2与放电电阻R3-R4组成，所述放电电阻R3与放电电阻R4并联。

作为本实用新型的进一步技术方案，所述控制模块包括控制单元DCU与HMI接口，所述控制单元DCU电性连接整流稳压电路与斩波电路，所述控制单元DCU通过HMI接口连接外界。

本实用新型具有的有益效果在于：

本实用新型的整流稳压电路通过三相PWM整流电路将交流输出电源转变成DC540V直流电，并每一相整流稳压电路采用四组IGTB，使得电路具有四象限稳压功能，采用电网电压锁相，电压电流双闭环控制，实现稳定直流电压、提高网侧功率因数。

本实用新型的斩波电路具备DC/DC斩波功能，将整流稳压电路输出的中间直流电压通过DC/DC降压斩波，提供0-240V可调的电压、电流值的直流电源，并通过采用多重错相控制，提高等效开关频率，降低输出电流纹波，减小斩波电抗器体积。

附图说明

图1为一种1MW整流制氢电源系统的电路拓扑图。

图2为一种1MW整流制氢电源系统的框架图。

图3为一种1MW整流制氢电源系统的整流稳压电路图。

图4为一种1MW整流制氢电源系统的斩波电路图。

图5为一种1MW整流制氢电源系统的放电回路图。

图6为一种1MW整流制氢电源系统的控制模块结构图。

其中：整流稳压电路1、斩波电路2、放电回路3。

具体实施方式

下面结合附图1~6与相关实施例对本实用新型的实施方式进行说明，本实用新型的实施方式不局限于如下的实施例中，并且本实用新型涉及本技术领域的相关必要部件，应当视为本技术领域内的公知技术，是本技术领域所属的技术人员所能知道并掌握的。

本实用新型基于整流制氢电源系统的应用需求，提供一套直流电源装置的典型工作点为1MW，交流接入电网AC380V电源端，能实现电压在DC 0~240V之间平滑输出。

本实用新型涉及一种1MW整流制氢电源系统，如图1所示，包括整流稳压电路1、斩波电路2、放电回路3与控制模块，整流稳压电路1输入端电性连接三相市电，整流稳压电路1、斩波电路2与放电回路3沿电流输入方向依次电性连接，控制模块电性连接整流稳压电路1与斩波电路2。

如图2所示，整流稳压电路1包括输入交流断路器QF1、预充电单元与两组并联设置的三相PWM整流模块，如图3所示，两组三相PWM整流模块分别包括三相交流滤波电抗器、三相第一电流传感器与整流桥臂，每一相交流滤波电抗器与第一电流传感器串联后连接一个整流桥臂，每一个整流桥臂由IGBT双管采用桥臂并联的方式并联而成，两组三相PWM整流模块输出端连接斩波电路2输入端。

如图4所示，斩波电路2设有第二电流传感器、斩波电抗器与斩波桥臂，第二电流传感器、斩波电抗器与斩波桥臂分别设有五个，每一个斩波桥臂连接第二电流传感器后，与斩波电抗器串联，每一个整流桥臂由IGBT双管采用桥臂并联的方式组成。

整流稳压电路1、斩波电路2与放电回路3之间采用电线连接，整流稳压电路1与控制模块或斩波电路2与控制模块采用铜排连接。

本实用新型的整流稳压电路1通过三相PWM整流电路将交流输出电源转变成DC540V直流电，并每一相整流稳压电路1采用四组IGTB，使得电路具有四象限稳压功能，采用电网电压锁相，电压电流双闭环控制，实现稳定直流电压、提高网侧功率因数。

本实用新型的斩波电路2具备DC/DC斩波功能，将整流稳压电路1输出的中间直流电压通过DC/DC降压斩波，提供0-240V可调的电压、电流值的直流电源，并通过采用多重错相控制，提高等效开关频率，降低输出电流纹波，减小斩波电抗器体积。

整个整流制氢电源系统设于电源柜内。

如图3所示，预充电单元并联输入交流断路器QF1，预充电单元并联交流断路器后输出端，电性连接三相PWM整流模块输入端，电源柜的交流输入端配置交流断路器，具备过流保护功能，而预充电电路的作用是提高电池充电效率和稳定性。此外，预充电电路还可以避免电池过充电和损坏，保护电池的使用寿命。

如图3所示，两组所述三相PWM整流模块分设有电容，电容并联整流桥臂，整流稳压电路输出端并联电阻R11与电容Cd，同时两组三相PWM整流模块分为第一组与第二组，第一组包括三相交流滤波电抗器L1、第一电流传感器BC11-BC13、IGBT双管UV1-UV3与电容Cd1-Cd3，第一组的三个整流桥臂并联，第一组的三个整流桥臂与电容Cd1-Cd3并联。

三相分为第一相、第二相与第三相，在第一组中，第一相交流滤波电抗器L1串联第一电流传感器BC11后连接IGBT双管UV1所组成的整流桥臂；第二相交流滤波电抗器L1串联第一电流传感器BC12后连接IGBT双管UV2所组成的整流桥臂；第三相交流滤波电抗器L1串联第一电流传感器BC13后连接IGBT双管UV3所组成的整流桥臂。

第二组包括三相交流滤波电抗器L2、第一电流传感器BC21-C23、IGBT双管UV4-UV6与电容Cd4-Cd6，第二组的三个整流桥臂并联，第二组的三个整流桥臂与电容Cd4-Cd6并联。

在第二组中，第一相交流滤波电抗器L2串联第一电流传感器BC21后连接IGBT双管UV4所组成的整流桥臂；第二相交流滤波电抗器L2串联第一电流传感器BC22后连接IGBT双管UV5所组成的整流桥臂；第三相交流滤波电抗器L2串联第一电流传感器BC23后连接IGBT双管UV6所组成的整流桥臂。

本实用新型采用PWM整流能有效减小电源系统对电网的污染，确保高压侧侧功率因数大于0.99，谐波含量优于国标要求。整流稳压电路1通过四组IGTB整流，具有四象限稳压功能，将交流电网电压转化成直流电压，并保持直流电压稳定。

四象限稳压功能采用三相VSR实现，380V通过三相VSR变为稳定中间直流电压，采用电网电压锁相，电压电流双闭环控制，实现稳定直流电压、提高网侧功率因数，四象限整流控制采用经典的电压、电流双闭环控制策略。

同时考虑到散热的问题，将两组三相PWM整流模块设计成并联组合。

如图4所示，斩波电路2包括IGBT双管CH1-CH5、斩波电抗器L1-L5与第二电流传感器BC1-BC5，斩波电路的2五个斩波桥臂所在支路并联。

斩波桥臂CH1连接第二电流传感器BC1后，与斩波电抗器L1串联；斩波桥臂CH2连接第二电流传感器BC2后，与斩波电抗器L2串联；斩波桥臂CH3连接第二电流传感器BC3后，与斩波电抗器L3串联；斩波桥臂CH4连接第二电流传感器BC4后，与斩波电抗器L4串联；所斩波桥臂CH5连接第二电流传感器BC5后，与斩波电抗器L5串联。

斩波电路2采用五支路错相设置，默认采用恒流/限压控制，电压电流双闭环，保证输出电解电流的精度，并确保输出电压在可承受电压范围之内。并通过单个电源柜的五支路错相以及多个电源柜之间错相，提高等效开关频率，降低输出电流纹波，减小斩波电抗器体积。

如图5所示，放电回路3由接触器KM2与放电电阻R3-R4组成，放电电阻R13与放电电阻R4并联，电源柜输出设置放电回路3，放电回路3采用接触器+放电电阻的方式，由于的负载特性存在一定的容性，当停止电解后两端仍存在一定的电压，通过闭合接触器使放电电阻并到两端，以电阻发热的型式将储存的能量消耗掉，放电回路3保证在10min之内将两端的电压放到安全电压DC36V以下。

如图6所示，控制模块包括控制单元DCU与HMI接口，控制单元DCU通过HMI接口连接外界，控制单元DCU通过铜排电性连接整流稳压电路1与斩波电路2。控制单元DCU通过电线连接外界电源，并采用RS485方式与HMI进行实时通讯，而HMI通过以太网方式与上位机进行实时通讯，控制单元DCU通过电线传输信号给整流稳压电路1与斩波电路2所在的PCB驱动板。

当本实用新型需要并机运行时，系统需要配置总控电源柜，总控电源柜为整套电源系统的辅助配电设备，通过配电开关将现场提供的三相四线制AC400V电源按需求容量分配给不同用电终端。

总控电源柜中配置安全PLC，作为整套电源系统的总控单元，用于接收用户硬线控制信号、给用户发送电源系统硬线IO状态信号并与馈线柜、隔离开关柜、整流变压器进行IO连接和相关逻辑处理。

PLC需要将上位机系统下发的指令进行处理，分发给不同的电源柜。总控柜需要接收现场不同区域和终端数量众多的电源跳闸硬线指令，总控柜内需配置安全继电器构建安全继电回路将这些跳闸需求汇总并分配送给各个电源柜。

本实用新型先由整流稳压电路1对三相市电进行整流滤波以及稳压输出，后由斩波电路2进行斩波降压处理，使得本实用新型工作点为1MW，交流接入电网AC380V电源端，能实现电压在DC 0~240V之间平滑输出。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种1MW整流制氢电源系统，其特征在于，包括整流稳压电路（1）、斩波电路（2）、放电回路（3）与控制模块，所述整流稳压电路（1）输入端电性连接三相市电，所述整流稳压电路（1）、斩波电路（2）与放电回路（3）沿电流输入方向依次电性连接，所述控制模块电性连接整流稳压电路（1）与斩波电路（2）；

所述整流稳压电路（1）包括输入交流断路器QF1、预充电单元与两组并联设置的三相PWM整流模块，两组所述三相PWM整流模块分别包括三相交流滤波电抗器、三相第一电流传感器与整流桥臂，每一相所述交流滤波电抗器与第一电流传感器串联后连接一个整流桥臂，每一个所述整流桥臂由IGBT双管采用桥臂并联的方式并联而成，两组所述三相PWM整流模块输出端连接斩波电路（2）输入端；

所述斩波电路（2）设有第二电流传感器、斩波电抗器与斩波桥臂，所述第二电流传感器、斩波电抗器与斩波桥臂分别设有五个，每一个所述斩波桥臂连接第二电流传感器后，与斩波电抗器串联，每一个所述整流桥臂由IGBT双管采用桥臂并联的方式组成。

2.根据权利要求1所述的1MW整流制氢电源系统，其特征在于，所述预充电单元并联输入交流断路器QF1，所述预充电单元并联交流断路器QF1后电性连接两组三相PWM整流模块的输入端。

3.根据权利要求1所述的1MW整流制氢电源系统，其特征在于，两组所述三相PWM整流模块分设有电容，所述电容并联整流桥臂，所述整流稳压电路（1）输出端并联电阻R11与电容Cd。

4.根据权利要求1所述的1MW整流制氢电源系统，其特征在于，所述斩波电路（2）包括IGBT双管CH1-CH5、斩波电抗器L1-L5与第二电流传感器BC1-BC5，所述斩波电路（2）的五个斩波桥臂所在支路并联。

5.根据权利要求4所述的1MW整流制氢电源系统，其特征在于，所述斩波桥臂CH1连接第二电流传感器BC1后，与斩波电抗器L1串联；所述斩波桥臂CH2连接第二电流传感器BC2后，与斩波电抗器L2串联；所述斩波桥臂CH3连接第二电流传感器BC3后，与斩波电抗器L3串联；所述斩波桥臂CH4连接第二电流传感器BC4后，与斩波电抗器L4串联；所述斩波桥臂CH5连接第二电流传感器BC5后，与斩波电抗器L5串联。

6.根据权利要求1所述的1MW整流制氢电源系统，其特征在于，所述放电回路（3）由接触器KM2与放电电阻R3-R4组成，所述放电电阻R3与放电电阻R4并联。

7.根据权利要求1所述的1MW整流制氢电源系统，其特征在于，所述控制模块包括控制单元DCU与HMI接口，所述控制单元DCU电性连接整流稳压电路（1）与斩波电路（2），所述控制单元DCU通过HMI接口连接外界。