[发明专利]高变比宽输入范围电力电子变换拓扑

说明书

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及了一种高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，旨在解决现有技术高变比宽输入范围电力电子变换拓扑子模块数量多、结构复杂、无法直接连接电解槽的问题。本发明包括：三相不控整流桥将风能转化的交流电能转换为直流电源；电感模块将直流电源中残余交流电能滤除；子模块组用于进行电压变换得到低电压直流电源；滤波器用于进行低电压直流电源的纹波滤除，滤除纹波后的低电压指令电源直接连接电解槽进行离网制氢。本发明通过级联子单元直流电容分压、隔离DC‑DC高频变压器变比、输出并联三种方式结合实现高变比电压，模块数量少、结构简单，满足电解槽的低纹波输入要求，可直接连接电解槽，系统方便实现，性能稳定可靠。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及了一种高变比宽输入范围电力电子变换拓扑。

背景技术

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，并且已经在工业、交通、建筑供热等领域逐步推广，未来氢能在终端应用网络的大规模推广对规模化绿色制氢方式提出了新的挑战，可再生能源制氢被认为是未来主要的绿色氢气来源，且能够有效提升我国可再生能源利用率，例如风电制氢，对于解决风电就地消纳和发展分散式风力发电技术，实现可再生能源多途径高效利用具有重要意义，受到国内外广泛关注，风电制氢技术主要包括以下几种模式：(1)风电并网，将超出电网接纳能力的部分制氢；(2)风力发电为主，电网提供辅助的制氢系统；(3)风电制氢-燃料电池微网系统；(4)基于风电制氢的储能系统；(5)风电完全离网制氢[1]。

离网制氢技术避免了交流电上网带来的相位差、频率差等问题，能够大量简化控制系统、删减并网所需的辅助设备、能够适配结构优化的低成本风力发电机，因此与并网制氢系统、或者电网取电电解水制氢相比成本显著降低。由于电解槽额定工作电压低、对电流纹波指标要求较高、对功率波动较为敏感等特性，对整个系统的电能变换环节提出了与并网完全不同得要求。随着风力发电机朝着大功率快速发展，非隔离型DC/DC变换器受到器件工作电压和工作电流范围制约，较难适用于MW级大功率应用场合。文献[2]的对比结果显示隔离型变压器较为适合风机制氢的高变比应用场合，但是为了保证模块化隔离型DC/DC工作在最优工作范围，通常需要保证前端电压稳定。因此其应用场合一般连接于稳定的直流母线，或者通过前置DC/DC，AC/DC变换器稳定其输入电压。例如文献[3]提出一种风电制氢拓扑方案，通过采用不控整流桥，显著降低系统成本，通过在隔离型DC/DC前置Buck电路，以增加电压/电流控制自由度。但是这种电路同样无法应用于大功率场合。

模块化隔离型DC/DC串并联是高电压大功率场合一个较为成熟的方案，其中输入串联、输出并联型模块化隔离型DC/DC，具有可扩展型，高可靠性，低电流纹波等优点，且特别适用于大功率大变比降压场合，文献[4]对这种方案的均压、均流控制策略进行了研究，但是其同样需要与稳定的直流母线连接，以便于使整个系统工作在最优范围，例如让隔离型DC/DC的开关器件能够持续工作在软开关模式，而常用的永磁同步风机输出电压频率与幅值均随风速变化，通过不控整流后的直流电压也无法直接保持稳定，无法直接采用该类型DC/DC连接电解槽。文献[5]提出一种交流侧通过级联子单元组成，各级联子单元直流侧作为独立输入，输出并联型的AC-DC变换器，为高压交流到低压直流变流提出了一种新的思路，但是这种拓扑结构应用于三相交流电时，存在子模块数量将增加3倍的问题。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]孙鹤旭、李争、陈爱兵、张岩、梅春晓，风电制氢技术现状及发展趋势[J]，中国电机工程学报，2019，34(19)：4071-4083.

[2]Damien Guilbert,Stefania Maria Collura,Angel Scipioni.DC/DCconverter topologies for electrolyzers:State-of-the-art and remaining keyissues[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42:23966-23985.