CN112134469B - 一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，属于电解制氢技术领域，由电感、电容、变压器、逆变器等组成的功率输出电路，控制部分采用DSP+FPGA和DSP+CPLD架构，通过拓扑和控制策略的优越性，减小大功率电力电子设备产生的谐波与功率因数对电网的污染，有效降低网侧谐波，改善功率因素，提高***效率，以满足目前急需的大功率电解制氢的应用场合。

Description

一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置
技术领域
本发明属于电解制氢技术领域，具体涉及一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置。
背景技术
随着国家对绿色环保能源的需要，氢气作为一种清洁能源，目前被广泛关注和采用，其中电解水置换氢气是一种较好的环保制氢方法。目前市场上主要的大功率氢气电解装置采用可控硅拓扑结构，该拓扑结构存在电网侧功率因素低，电流谐波含量较大的情况，单机不能满足电网要求的情况，特别是在大功率应用场合对电网电能质量的污染较大，影响其他设备正常运行。因此，针对大功率电解氢气的电力电子的应用场合急需开发一款能解决谐波含量问题和功率因数问题的电解水的直流大功率电源。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，本发明通过拓扑图和控制策略的改变，减小大功率电力电子设备产生的谐波与功率因数对电网的污染，有效降低网侧谐波，改善功率因素，提高***效率，满足目前急需的大功率电解制氢的应用场合。
本发明采用的技术方案：一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，包括降低网侧谐波和改善功率因素的拓扑电路，所述拓扑电路包括变压器1、电感L1、电感L2、电感L3、整流器1、平波电抗器L4、储能电容C1、电阻R1、逆变器、电感L5、电感L6、电感L7、变压器2、整流器2、整流器3；所述变压器1输入与电网连接，所述变压器1输出与电感L1、电感L2、电感L3连接，所述电感L1、电感L2、电感L3与整流器1连接，所述整流器1通过平波电抗器L4与逆变器连接，所述平波电抗器L4和逆变器的连接脚与逆变器和整流器1的直连脚之间并联有储能电容C1和电阻R1，所述逆变器输出通过电感L5、电感L6、电感L7与变压器2输入连接，所述变压器2的两个输出上分别连接整流器2和整流器3，所述整流器2通过平波电抗器L8与负载RL连接，所述整流器3通过平波电抗器L9与负载RL连接，所述负载RL两端并联有储能电容C2。
对上述技术方案的进一步限定，所述变压器1采用星三角型变压器。
对上述技术方案的进一步限定，所述整流器1采用多电平整流器，所述整流器1采用DSP+FPGA控制平台和高精度***采样调理电路进行控制，所述整流器1对电网的三相电压进行采样并将采样到的电压电流信号送给DSP与FPGA进行整流控制。
对上述技术方案的进一步限定，所述逆变器通过DSP+CPLD控制平台进行控制，所述逆变器对后级负载侧输出的直流电压和电流进行高精确采样并将采样的数据提供给DSP进行处理，进而计算出需要调制的交流电压与电流的调制比；其中，所述DSP采用矢量控制策略对电压环和电流环进行快速控制，电流环为快速响应环且采用快环控制策略，电压环响应速度要求次于电流环且采用慢环控制策略；所述逆变器输出一个稳定受控的交流拟合电压通过电感L5、电感L6、电感L7供给后级的变压器2进行能量传输；所述逆变器的逆变频率控制在500Hz--200Hz之间。
对上述技术方案的进一步限定，所述变压器2采用中频变压器，所述中频变压器经过YYY型绕组电压转换功能将转化的电压供给整流器2和整流器3。
对上述技术方案的进一步限定，所述整流器2和整流器3均采用二极管全桥整流器。
本发明与现有技术相比的优点：
本方案由整流器、电感、电容、逆变器、变压器等组成的功率输出电路，控制部分采用DSP+FPGA和DSP+CPLD架构，通过拓扑和控制策略的优越性，减小大功率电力电子设备产生的谐波与功率因数对电网的污染，有效降低网侧谐波，改善功率因素，提高***效率，以满足目前急需的大功率电解制氢的应用场合。
附图说明
图1为本发明的拓扑电路图；
图2为本发明的控制硬件架构示意图；
图3为本发明实施例中相电压电流示波器图；
图4为本发明实施例中整流器1的电平调制波器图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1-4，详述本发明的实施例。
一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，如图1所示，包括降低网侧谐波和改善功率因素的拓扑电路，所述拓扑电路包括变压器1、电感L1、电感L2、电感L3、整流器1、平波电抗器L4、储能电容C1、电阻R1、逆变器、电感L5、电感L6、电感L7、变压器2、整流器2、整流器3；所述变压器1输入与电网连接，所述变压器1输出与电感L1、电感L2、电感L3连接，所述电感L1、电感L2、电感L3与整流器1连接，所述整流器1通过平波电抗器L4与逆变器连接，所述平波电抗器L4和逆变器的连接脚与逆变器和整流器1的直连脚之间并联有储能电容C1和电阻R1，所述逆变器输出通过电感L5、电感L6、电感L7与变压器2输入连接，所述变压器2的两个输出上分别连接整流器2和整流器3，所述整流器2通过平波电抗器L8与负载RL连接，所述整流器3通过平波电抗器L9与负载RL连接，所述负载RL两端并联有储能电容C2。
所述变压器1采用星三角型变压器，所述变压器1具有将设备与电网产生电压进行隔离的效果，减小后级工作中对电网安全性的影响。
所述整流器1采用多电平整流器，如图2所示，所述整流器1采用DSP+FPGA控制平台和高精度***采样调理电路进行控制，所述整流器1对电网的三相电压进行采样并将采样到的电压电流信号送给DSP与FPGA并通过三电平算法和矢量调制技术的控制算法进行高效的整流控制。其中，DSP的PLL锁相环对电网电压进行相位的锁相；整流器1经过相位计算后和时序控制指令对功率器件和电感L1、电感L2、电感L3进行控制使元件共同工作，将直流电压控制在设计范围内。经整流器1控制后的功率器件的电压波形如图4所示，这种多电平的控制策略能有效的减小电网中的谐波，提高功率因数。电网侧控制后的电压、电流如图3所示，可以有效的提高电网测的功率因数。
所述逆变器通过DSP+CPLD控制平台进行控制，如图2所示，所述逆变器对后级负载侧输出的直流电压和电流进行高精确采样并将采样的数据提供给DSP进行处理，进而计算出需要调制的交流电压与电流的调制比。其中，所述DSP采用矢量控制策略对电压环和电流环进行快速控制，电流环为快速响应环且采用快环控制策略，所述电压环响应速度要求次于电流环且采用慢环控制策略。所述逆变器通过先进的滑膜控制理论将输出一个稳定受控的交流拟合电压通过电感L5、电感L6、电感L7供给后级的变压器2进行能量传输。所述逆变器的逆变频率控制在500Hz--200Hz之间，这样既可以提高传输效率也可以减小后级的平波电抗器的功率等级，有利于功率的提升和小型化。
所述变压器2采用中频变压器，所述中频变压器经过YYY型绕组电压转换功能将转化的电压供给整流器2和整流器3。
所述整流器2和整流器3均采用二极管全桥整流器。
工作原理：电网通过变压器1将三相交流电进行隔离，再通过电感L1、电感L2、电感L3和整流器1将三相交流电转化成直流电；经过整流器1整流后的直流电压再经过功率型平波电抗器L4和储能电容C1将直流电压进行稳定和滤波处理后供给后级逆变器逆变用；逆变器再通过电感L5、电感L6、电感L7将逆变出来的中频电压供给中频的变压器2，最后再经过二极管全桥式的整流器2和整流器3将需要输出的直流电压和直流电流经过平波电抗器L8、L9和储能电容C2输出给氢气电解槽。进而完成稳定的制氢过程。
本发明由电感、电容、变压器、逆变器等组成的功率输出电路，控制部分采用DSP+FPGA和DSP+CPLD架构，通过拓扑和控制策略的优越性，减小大功率电力电子设备产生的谐波与功率因数对电网的污染，有效降低网侧谐波，改善功率因素，提高***效率，满足目前急需的大功率电解制氢的应用场合。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，其特征在于：包括降低网侧谐波和改善功率因素的拓扑电路，所述拓扑电路包括变压器1、电感L1、电感L2、电感L3、整流器1、平波电抗器L4、储能电容C1、电阻R1、逆变器、电感L5、电感L6、电感L7、变压器2、整流器2、整流器3；所述变压器1输入与电网连接，所述变压器1输出与电感L1、电感L2、电感L3连接，所述电感L1、电感L2、电感L3与整流器1连接，所述整流器1通过平波电抗器L4与逆变器连接，所述平波电抗器L4和逆变器的连接脚与逆变器和整流器1的直连脚之间并联有储能电容C1和电阻R1，所述逆变器输出通过电感L5、电感L6、电感L7与变压器2输入连接，所述变压器2的两个输出上分别连接整流器2和整流器3，所述整流器2通过平波电抗器L8与负载RL连接，所述整流器3通过平波电抗器L9与负载RL连接，所述负载RL两端并联有储能电容C2；
所述整流器1采用多电平整流器，所述整流器1采用DSP+FPGA控制平台和高精度***采样调理电路进行控制，所述整流器1对电网的三相电压进行采样并将采样到的电压电流信号送给DSP与FPGA进行整流控制；
所述逆变器通过DSP+CPLD控制平台进行控制，所述逆变器对后级负载侧输出的直流电压和电流进行高精确采样并将采样的数据提供给DSP进行处理，进而计算出需要调制的交流电压与电流的调制比；其中，所述DSP采用矢量控制策略对电压环和电流环进行快速控制，电流环为快速响应环且采用快环控制策略，所述电压环响应速度要求次于电流环且采用慢环控制策略；所述逆变器输出一个稳定受控的交流拟合电压并通过电感L5、电感L6、电感L7供给后级的变压器2进行能量传输；所述逆变器的逆变频率控制在500Hz--200Hz之间。
2.根据权利要求1所述的一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，其特征在于：所述变压器1采用星三角型变压器。
3.根据权利要求1所述的一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，其特征在于：所述变压器2采用中频变压器，所述中频变压器经过YYY型绕组电压转换功能将转化的电压供给整流器2和整流器3。
4.根据权利要求1所述的一种适用于大功率和超大功率电解水制氢的电源装置，其特征在于：所述整流器2和整流器3均采用二极管全桥整流器。
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