[发明专利]基于高变比变压器的电解制氢整流电源及控制方法有效

专利信息
申请号: 202110781989.4 申请日: 2021-07-09
公开(公告)号: CN113517821B 公开(公告)日: 2022-11-22
发明(设计)人: 贺明智;陈茂林;孟鑫;蒋璐岭;郭慧珠 申请(专利权)人: 四川大学
主分类号: H02M7/162 分类号: H02M7/162;H02M7/5387;H02M1/088;H02M1/14;C25B1/04
代理公司: 成都时誉知识产权代理事务所(普通合伙) 51250 代理人: 田高洁
地址: 610000 四*** 国省代码: 四川;51
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摘要:
搜索关键词: 基于 变压器 电解 整流 电源 控制 方法
【说明书】:

发明公开了基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法,采集交流母线电压ua、ub、uc,采集6脉波晶闸管整流器输出电压udc1、单相H桥逆变器输出电压uinv;利用锁相电路得到a相电压ua的参考相位;通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压;根据所述目标电压确定单相H桥逆变器的控制信号,通过控制信号调节单相H桥逆变器的输出电压达到目标值;通过串联高变比降压变压器后得到幅值和纹波电压分量相等,方向相反的补偿电压ucom实现纹波补偿,使负载两端电压为恒定直流。本发明整流电源使用串连结构,并经变压器隔离,该整流电源不可能产生环流,更加可靠稳定。

技术领域

本发明涉及利用水电解制氢技术领域,具体是基于高变比变压器的电解制氢整流电源及控制方法。

背景技术

近年来,随着全球环境污染、能源危机以及全球变暖等问题不断加剧,可再生能源的应用和发展得到了越来越广泛的关注,氢能作为零碳绿色可再生能源,具有能量密度大、转化效率高等优点,可实现开发到利用全过程零排放、零污染。氢气的制备是氢能产业链中的重要一环。现有制氢技术主要包括化石燃料及化工副产制氢、生物质制氢及电解水制氢等。其中,电解水制氢具有近零排放和制氢纯度高等优势,并且还可以和光伏、风力可再生能源发电结合起来,有效地消纳风电、光伏等不稳定电力,缓解其波动性对电网的冲击,具有重要的经济及社会效益。

整流电源作为电解水制氢的核心装置,其性能直接影响了制氢的效率和成本。整流电源输出直流电用于电解水制氢,需要满足低压大电流输出、高降压能力、高可靠性及低电流纹波等特点。现有学者研究表明,整流电源输出纹波越小,电解堆栈制氢效率越高。现有方案中,为了工业化大规模制氢,电解堆栈整流电源通常采用功率大、成本低的二极管或晶闸管整流器,这种电源输出纹波大,制氢效率低。在中小功率制氢中脉宽调制(PWM)型整流器应用较多,虽然其具有输出纹波小、功率因数高、动态性能好等特点,但是功率较小,并且成本高昂,无法用于大功率制氢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供基于高变比变压器的电解制氢整流电源的控制方法,包括如下过程:

采集交流母线电压ua、ub、uc,采集6脉波晶闸管整流器输出电压udc1、单相H桥逆变器输出电压uinv;利用锁相电路得到a相电压ua的参考相位;

DSP控制模块根据6脉波晶闸管整流器输出电压、单相H桥逆变器输出电压的值进行控制计算,根据参考值与a相电压ua的参考相位确定6脉波晶闸管整流器控制信号,通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压;通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量,所述的输出电压纹波分量即为单相H桥逆变器目标电压,根据所述目标电压确定单相H桥逆变器的控制信号,通过控制信号调节单相H桥逆变器的输出电压达到目标值;当单相H桥逆变器输出电压大小为6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量的n倍,n为串联高变比降压变压器变比,通过串联高变比降压变压器后得到幅值和纹波电压分量相等,方向相反的补偿电压ucom实现纹波补偿,使负载两端电压为恒定直流。

进一步的,所述的通过控制信号调节6脉波晶闸管整流器输出电压,包括如下过程:

6脉波晶闸管整流器采用PI控制策略,将采集得到的6脉波晶闸管整流器输出电压udc1经低通滤波器后与给定的参考电流udc1*比较,得到输出的电流误差,所述的输出的电流误差经PI控制器调节后传递给反余弦变换器,得到触发角度α,通过锁相环模块根据电网电压ua、ub、uc得到电网电源相位信息θ,根据触发角α的大小调节晶闸管的触发时刻,改变输出电压。

进一步的,所述的通过纹波检测算法计算出6脉波晶闸管整流器输出电压纹波分量,包括如下过程:

令函数Ψ(t)=udc1若Ψ(t)的傅里叶变换Ψ(ω)满足:

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