CN114726241A - 一种基于igbt技术的电解水制氢电源装置 - Google Patents

一种基于igbt技术的电解水制氢电源装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，涉及氢能源技术的领域，其包括串联的整流模块和降压模块，所述整流模块包括多个并联的整流模组，所述降压模块包括多个并联的降压模组；所述整流模组用于接入三相电并滤波和整流，以输出第一幅值的直流电压；所述降压模组连接所述整流模组，用于调低所述直流电压的幅值，并经过滤波后输出第二幅值的直流电压；每个所述整流模组和每个所述降压模组均包括一个输入开关、一个输出开关和多个IGBT管。本申请能够提高输出电压的稳定性和可靠性。

Description

一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置
技术领域
本申请涉及氢能源技术的领域，尤其是涉及一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置。
背景技术
随着科技水平的日益进步，氢能源被广泛应用于燃料电池行业和汽车行业等多个行业中。秉持绿色低碳的理念，越来越多的行业采用光伏发电、风力发电或水力发电的形式获得电能，进而实现电解水制氢。
现有技术中，通常用于制氢的大功率电源都采用SCR可控硅整流技术。这种电源电网侧的功率因数普遍较低，并且电网侧电流谐波含量高，谐波污染问题较为严重。当电网电压或者电压频率发生波动后，电源自动调节所需的时间也较长。
发明内容
为了提高输出电压的稳定性和可靠性，本申请提供了一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置。
本申请提供的一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置采用如下的技术方案：
一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，包括串联的整流模块和降压模块，所述整流模块包括多个并联的整流模组，所述降压模块包括多个并联的降压模组；
所述整流模组用于接入三相电并滤波和整流，以输出第一幅值的直流电压；
所述降压模组连接所述整流模组，用于调低所述直流电压的幅值，并经过滤波后输出第二幅值的直流电压；
每个所述整流模组和每个所述降压模组均包括一个输入开关、一个输出开关和多个IGBT管。
通过采用上述技术方案，能够根据实际需要控制接入的降压模组数量，以获得所需的直流电压，同时，多个降压模组并联能够分流，降低每个IGBT管所承受的大电流，配合电路中的滤波功能，以达到提高输出电压的稳定性和可靠性的效果。另外，多个整流模组并联和多个降压模组并联也使得当有模组损坏时，制氢电源能够持续工作。
可选的，所述整流模组包括三组并联的整流桥臂，所述整流桥臂包括依次串联的四个IGBT管，四个IGBT管中中间两个IGBT管的公共端连接一条输入相线，该输入相线上设置有滤波电感，中间两个IGBT管并联有两个顺接的二极管，两个二极管的公共端分别与三组整流桥臂的公共端连接，且连接的线路上设置有滤波电容；
所述输入开关设置于三条输入相线上，用于接通三相电；
所述输出开关并联于三组整流桥臂，用于控制第一幅值的直流电压的输出状态。
可选的，所述降压模组包括三组并联的降压桥臂，所述降压桥臂连接所述整流模组的输出开关，所述降压桥臂上依次串联有两个IGBT管和两个顺接的二极管，连接二极管的IGBT管和连接IGBT管的二极管并联有第一滤波电容，IGBT管和二极管的公共端连接输出相线，所述输出相线上设置有滤波电感，三条输出相线的公共端和三组降压桥臂上与二极管相连的公共端分别为输出端，以输出第二幅值的直流电压；
所述输入开关并联于三组降压桥臂，并且位于靠近所述整流模组的位置，用于接通第一幅值的直流电压，所述输入开关与三组降压桥臂连接的线路上还设置有第二滤波电容，所述第二滤波电容并联于所述降压桥臂；
所述输出开关连接两个输出端，用于控制第二幅值的直流电压的输出状态；所述输出开关与两个输出端连接的线路上还设置有第三滤波电容，所述第三滤波电容并联于所述输出开关。
可选的，还包括控制器，所述控制器用于控制所有输入开关和所有输出开关的闭合状态。
可选的，所述控制器被配置为：
获取目标电压，所述目标电压为实际供电需求电压；
调取电弧概率模型，确定待接入的整流模组的数量和降压模组的数量，使得根据预设的评分规则计算的可靠性评分最低，所述电弧概率模型包括不同数量的整流模组配合不同数量的降压模组时的第二幅值以及对应的电弧发生概率，所述可靠性评分取决于第二幅值与目标电压的差值比例和电弧发生概率；
输出闭合信号，使得相应数量的整流模组和降压模组开始工作。
通过采用上述技术方案，能够根据目标电压控制一定数量的整流模组和降压模组工作，使得输出的第二幅值的直流电压较接近目标电压，同时电弧发生概率较低，可靠性较高。
可选的，所述可靠性评分为差值比例和所占权重的乘积与电弧发生概率和所占权重的乘积之和。
可选的，所述控制器被进一步配置为：在步骤调取电弧概率模型，确定待接入的整流模组的数量和降压模组的数量后还有如下步骤：
获取每个模组的线路的生产时间和当前使用时长；
调取发热概率模型，根据生产时间和当前使用时长确定每个模组当前的发热概率；
根据所有模组当前的发热概率，确定待接入的整流模组和降压模组，使得待接入的整流模组和降压模组的平均发热概率最低；
输出闭合信号，以控制相应的整流模组和降压模组开始工作。
通过采用上述技术方案，能够选择最优的整流模组和降压模组进行工作，使得组成的制氢电源的平均发热概率最低，以使制氢电源输出直流电压的可靠性更高。
可选的，所述控制器被进一步配置为：
当需要提供两种电压时，按照供电优先级从高到低的顺序分配整流模组和降压模组；
判断用于输出同一幅值直流电压的整流模组和降压模组的平均发热概率是否都低于发热概率安全值；
若是，则输出闭合信号，控制相应的整流模组和降压模组开始工作。
通过采用上述技术方案，使得制氢电源能够较为稳定地提供两种电压。
可选的，所述控制器被进一步配置为：
若否，则按照预设的调整规则替换整流模组和降压模组。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请能够根据实际需要控制接入的降压模组数量，以获得所需的直流电压，同时，多个降压模组并联能够分流，降低每个IGBT管所承受的大电流，配合电路中的滤波功能，以达到提高输出电压的稳定性和可靠性的效果。另外，多个整流模组并联和多个降压模组并联也使得当有模组损坏时，制氢电源能够持续工作；
2.对控制器的控制逻辑做进一步改进，使得制氢电源在提供直流电压时能够更加安全、稳定和可靠。
附图说明
图1是本申请实施例的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置的电路示意图。
图2是本申请实施例中应用于控制器中的方法的流程示意图。
附图标记说明：1、整流模块；2、降压模块；3、整流模组；4、整流桥臂；5、降压模组；6、降压桥臂。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-2及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例公开一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置。
参照图1-图2，基于IGBT技术的电解水制氢电源装置包括PWM控制器、串联的整流模块1和降压模块2，整流模块1包括多个并联的整流模组3，降压模块2包括多个并联的降压模组5。每个整流模组3和每个降压模组5都包括一个输入开关和一个输出开关以及多个IGBT管，以用于调整接入三相电的整流模组3的数量和降压模组5的数量。本申请的制氢电源能够更稳定、更可靠地向制氢设备提供直流电压。
其中，整流模组3用于接入三相电并滤波和整流，以输出第一幅值的直流电压。
具体的，整流模组3包括三组并联的整流桥臂4。由于整流桥臂4的结构都相同，故本申请以其中一个整流桥臂4为例，进行详细介绍。
整流桥臂4包括依次串联的四个IGBT管。四个IGBT管中中间两个IGBT管的公共端连接一条输入相线以用于接入三相电。该输入相线上设置有滤波电感。中间两个IGBT管并联有两个顺接的二极管。二极管和IGBT管中的寄生二极管同向。两个二极管的公共端分别与三组整流桥臂4的公共端连接，且连接的线路上设置有滤波电容。优选的，每个整流桥臂4中两个二极管的公共端共线，使得三组整流桥臂4的两个公共端之间只有两个滤波电容。同时，三组整流桥臂4的两个公共端作为输出端，以输出第一幅值的直流电压。
其中，滤波电感和滤波电容用于滤波，以使整流模组3稳定地输出平滑的第一幅值的直流电压。
在整流模组3中，输入开关设置于三条输入相线上，用于接通三相电，是一个三联交流开关。输出开关并联于三组整流桥臂4，位于靠近整流模组3输出端的位置，用于控制第一幅值的直流电压的输出状态，是一个双联直流开关。当输入开关和输出开关同时闭合时，该整流模组3接入三相电。
降压模组5连接整流模组3，用于调低直流电压的幅值，并经过滤波后输出第二幅值的直流电压。
具体的，降压模组5包括三组并联的降压桥臂6。由于降压桥臂6的结构都相同，故本申请以其中一个降压桥臂6为例，进行详细介绍。
降压桥臂6连接整流模组3的输出端。降压桥臂6上依次依次串联有两个IGBT管和两个顺接的二极管。两个二极管与IGBT管中的寄生二极管同向。连接二极管的IGBT管和连接IGBT管的二极管并联有第一滤波电容。IGBT管和二极管的公共端连接输出相线，输出相线上设置有了滤波电感。三条输出相线的公共端和三组降压桥臂6上与二极管相连的公共端分别为输出端，以输出第二幅值的直流电压。
在降压模组5中，输入开关并联于三组降压桥臂6，并且位于靠近整流模组3的位置，用于接通第一幅值的直流电压，是双联直流开关。输入开关与三组降压桥臂6连接的线路上还设置有第二滤波电容，第二滤波电容并联于降压桥臂6。输出开关连接两个输出端，用于控制第二幅值的直流电压的输出状态，也是双联直流开关。输出开关与两个输出端连接的线路上还设置有第三滤波电容，第三滤波电容并联于输出开关。
其中，第一滤波电容、第二滤波电容和第三滤波电容以及滤波电感均用于滤波，以使降压模组5稳定地输出平滑的第二幅值的直流电压。
PWM控制器用于同步控制所有整流模组3的IGBT管，以实现整流功能，还用于同步控制所有降压模组5的IGBT管，以实现降压功能。由于PWM控制器是相关领域技术人员的常规技术手段，故在此不做过多说明。
可以了解的是，各个整流模组3和降压模组5中的输入开关和输出开关可以采用手动控制的方式实现闭合状态与断开状态之间的切换，也可以采用自动控制的方式。本申请实施例中提供一种自动控制的方式。
本申请的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置还包括控制器。控制器用于控制所有输入开关和所述输出开关的闭合状态。
具体的，控制器被配置有如下控制方法，以使得本申请的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置能够更安全、稳定、可靠地输出直流电压，进而降低电源温度过高而烧毁的可能性。
步骤 S100：获取目标电压。
目标电压即实际供电需求电压，可通过人机交互的方式进行获取
步骤S200：调取电弧概率模型，确定待接入的整流模组3的数量和降压模组5的数量，使得根据预设的评分规则计算的可靠性评分最低。
其中，电弧概率模型包括不同数量的整流模组3配合不同数量的降压模组5时的第二幅值以及对应的电弧发生概率。可以了解的是，由于电弧常电发生在开关闭合或断开的瞬间，并且电弧产生的瞬间会产生伴随着高温的闪光现象，而为了便于切换整流模组3和降压模组5交替工作，整流模组3和降压模组5中都设置有输入开关和输出开关，故输入开关和输出开关在闭合或是断开的瞬间可能存在电弧。虽然开关普遍都配置有灭弧罩，以在电弧发生时快速消灭电弧，但是电弧发生时所产生的热量并不能在很短的时间内消散，因而电路中还会留存一部分热量，使得电路的温度较高。为此，需要减小电弧发生的概率，使得电弧对制氢电源内的温度的影响减小，以控制制氢电源内的温度。
进一步的，输出电压受各种因素影响，会与目标电压之间存在误差。而接入越多的整流模组3和降压模组5，输出的直流电压越为精准。因此，为了获得精准的直流电压，就要接入很多的整流模组3和降压模组5，但是这也意味着，接入的整流模组3和降压模组5越多，电弧发生的概率也越高。
因此，通过电弧概率模型，能够得到接入不同数量的整流模组3和不同数量的降压模组5时的电弧发生概率，以及对应的输出电压。优选的，电弧概率模型根据历史数据模拟而成。
由于输出电压和电弧发生概率都是确定整流模组3的数量和降压模组5的数量的重要因素，故设置可靠性评分以将输出电压和电弧发生概率两个因素进行结合。具体的，预先设置可靠性评分规则，以确定每种方案的可靠性评分。可靠性评分=差值比例和所占权重的乘积与电弧发生概率和所占权重的乘积之和。差值比例为|第二幅值-目标电压|/目标电压*100%，权重比例为差值比例所占权重与电弧发生概率所占权重之比。本申请的权重比例优选为差值比例所占权重：电弧发生概率所占权重=4:6。
在一个具体的示例中，假设目标电压为80V，当接入的整流模组3的数量为3个，接入的降压模组5的数量为5个时，输出的直流电压的第二幅值为78V，电弧发生概率为15%。当接入的整流模组3的数量为4个，接入的降压模组5的数量为6个时，输出的直流电压的第二幅值为81V，电弧发生概率为20%。经过计算可以得到，第一种方案的可靠性评分=2.5*4+15*6=100，第二种方案的可靠性评分=1.25*4+20*6=125。相比之下，第一种方案较优。
当通过上述步骤确定待接入的整流模组3数量和降压模组5数量后，控制器输出闭合信号，使得相应数量的整流模组3和相应数量的降压模组5接入。
值得说明的是，这仅能够保证输出的直流电压的第二幅值与目标电压较为接近，同时电弧发生概率也较低，使得电弧对制氢电源发热问题的影响降低，但在实际情况中，还有模组线路的老化问题会对制氢电源发热问题产生影响，因此，需要通过执行步骤S300-步骤S500，以确定具体接入的整流模组3和降压模组5。
步骤S300：获取每个模组的线路的生产时间和当前使用时长。
生产时间即制造时间，当前使用时长为接入三相电的时间。在本申请实施例中，通过读取每个模组的电子标签获取每个模组线路的生产时间，通过存储器读取历史记录获取当前使用时长。
步骤S400：调取发热概率模型，根据生产时间和当前使用时长确定每个模组当前的发热概率。
发热概率模型受模组的生产时间和当前使用时长的影响，即生产时间越早，越容易发热，当前使用时长越长，越容易发热，因此，通过获取历史数据可以模拟得到生产时间和当前使用时长作为自变量，发热概率作为因变量的发热概率模型。
根据获取到的每个模组的生产时间和当前使用时长，逐一确定每个模组的发热概率。
步骤S500：根据所有模组当前的发热概率，确定待接入的整流模组3和降压模组5，使得待接入的整流模组3和降压模组5的平均发热概率最低。
将所有模组的发热概率由低至高排列，从中选取发热概率最低的整流模组3和发热概率最低的降压模组5，选取整流模组3的数量为上述步骤中确定的整流模组3的数量，选取降压模组5的数量为上述步骤中确定的降压模组5的数量，进而能够得到发热概率最低的组合方案即平均发热概率最低的组合方案。
在一个具体的示例中，假设需要接入2个整流模组3和3个降压模组5。现有5个整流模组3和5个降压模组5，其中：
1号整流模组3的发热概率为60%，2号整流模组3的发热概率为1%，3号整流模组3的发热概率为10%，4号整流模组3的发热概率为18%，5号整流模组3的发热概率为44%。1号降压模组5的发热概率为8%，2号降压模组5的发热概率为37%，3号降压模组5的发热概率为25%，4号降压模组5的发热概率为13%，5号降压模组5的发热概率为32%。
那么，选择2号整流模组3、3号整流模组3和4号整流模组3以及1号降压模组5和4号降压模组5即可得到发热概率最小的方案。
步骤S600：输出闭合信号，以控制相应的整流模组3和降压模组5开始工作。
可以了解的是，本申请的制氢电源为大功率电源，其中整流模组3的数量和降压模组5的数量都是较多的，可能设置有几十组，甚至上百组。因此，一个制氢电源可能根据实际情况需要，能够提供两种不同的电压的电源，或者更多种不同电压的电源。
当需要提供多种电压时，也需要合理地配置整流模组3和降压模组5，以保证制氢电源能够安全、稳定、可靠地供电。
具体步骤为：
首先，按照供电优先级从高到低的顺序分配整流模组3和降压模组5。
而后，判断用于输出同一幅值直流电压的整流模组3和降压模组5的平均发热概率是否都低于发热概率安全值。
若是，则输出闭合信号，控制相应的整流模组3和降压模组5开始工作。
若否，则按照预设的调整规则替换整流模组3和降压模组5。
供电优先级可以根据需要供电的时长和用电设备的重要性等因素决定。优先根据上述方法为优先级最高的用电设备分配整流模组3和降压模组5，以使得形成的供电电路的电弧发生概率和发热概率都较低，进而确保安全、稳定、可靠地供电。
但是，由于优先级最高的用电设备与发热概率最低的整流模组3和降压模组5连接，故，有可能使得优先级较低的用电设备接入的整流模组3和降压模组5的发热概率较高，造成平均发热概率较高，进而影响输出电压的安全性。
为此，需要判断用于输出同一幅值直流电压的整流模组3和降压模组5的平均发热概率是否都低于发热概率安全值。
其中，平均发热概率为整流模组3的发热概率与降压模组5的发热概率之和/整流模组3与降压模组5的数量之和。发热概率安全值为预先设置的数值，在本申请中为50%，当然，可根据实际情况进行适应性调整。
当用于为同一用电设备供电的整流模组3和降压模组5的平均发热概率有高于发热概率安全值时，则需要进行调整。
调整规则为，将平均发热概率高于发热概率安全值的整流模组3和降压模组5中发热概率最高的一个整流模组3和一个降压模组5与平均发热概率最低的整流模组3和降压模组5中发热概率最低的一个整流模组3和一个降压模组5进行交换，以平衡用于给不同用电设备供电的整流模组3和降压模组5的平均发热概率，进而实现用于输出同一幅值直流电压的整流模组3和降压模组5的平均发热概率都低于发热概率安全值。
最终，控制器输出闭合信号，控制相应的整流模组3和降压模组5接入各自对应的电路。
本申请实施例一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置的实施原理为：通过将整流模块1和降压模块2串联，并将多个整流模组3并联，将多个降压模组5并联，使得形成的制氢电源能够根据实际情况接入相应数量的整流模组3和降压模组5，以输出所需的直流电压。同时，通过控制各个模组中的输入开关和输出开关的闭合状态，也使得各个模组能够交替工作，能够保证持续供电。控制器还能够根据实际需求调整接入电路的整流模组3和降压模组5，使得制氢电源能够安全、稳定、可靠地输出直流电压。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：包括串联的整流模块(1)和降压模块(2)，所述整流模块(1)包括多个并联的整流模组(3)，所述降压模块(2)包括多个并联的降压模组(5)；
所述整流模组(3)用于接入三相电并滤波和整流，以输出第一幅值的直流电压；
所述降压模组(5)连接所述整流模组(3)，用于调低所述直流电压的幅值，并经过滤波后输出第二幅值的直流电压；
每个所述整流模组(3)和每个所述降压模组(5)均包括一个输入开关、一个输出开关和多个IGBT管。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述整流模组(3)包括三组并联的整流桥臂(4)，所述整流桥臂(4)包括依次串联的四个IGBT管，四个IGBT管中中间两个IGBT管的公共端连接一条输入相线，该输入相线上设置有滤波电感，中间两个IGBT管并联有两个顺接的二极管，两个二极管的公共端分别与三组整流桥臂(4)的公共端连接，且连接的线路上设置有滤波电容；
所述输入开关设置于三条输入相线上，用于接通三相电；
所述输出开关并联于三组整流桥臂(4)，用于控制第一幅值的直流电压的输出状态。
3.根据权利要求2所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述降压模组(5)包括三组并联的降压桥臂(6)，所述降压桥臂(6)连接所述整流模组(3)的输出开关，所述降压桥臂(6)上依次串联有两个IGBT管和两个顺接的二极管，连接二极管的IGBT管和连接IGBT管的二极管并联有第一滤波电容，IGBT管和二极管的公共端连接输出相线，所述输出相线上设置有滤波电感，三条输出相线的公共端和三组降压桥臂(6)上与二极管相连的公共端分别为输出端，以输出第二幅值的直流电压；
所述输入开关并联于三组降压桥臂(6)，并且位于靠近所述整流模组(3)的位置，用于接通第一幅值的直流电压，所述输入开关与三组降压桥臂(6)连接的线路上还设置有第二滤波电容，所述第二滤波电容并联于所述降压桥臂(6)；
所述输出开关连接两个输出端，用于控制第二幅值的直流电压的输出状态；所述输出开关与两个输出端连接的线路上还设置有第三滤波电容，所述第三滤波电容并联于所述输出开关。
4.根据权利要求3所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：还包括控制器，所述控制器用于控制所有输入开关和所有输出开关的闭合状态。
5.根据权利要求4所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述控制器被配置为：
获取目标电压，所述目标电压为实际供电需求电压；
调取电弧概率模型，确定待接入的整流模组(3)的数量和降压模组(5)的数量，使得根据预设的评分规则计算的可靠性评分最低，所述电弧概率模型包括不同数量的整流模组(3)配合不同数量的降压模组(5)时的第二幅值以及对应的电弧发生概率，所述可靠性评分由第二幅值与目标电压的差值比例和电弧发生概率决定；
输出闭合信号，使得相应数量的整流模组(3)和降压模组(5)开始工作。
6.根据权利要求5所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述可靠性评分为差值比例和所占权重的乘积与电弧发生概率和所占权重的乘积之和。
7.根据权利要求6所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述控制器被进一步配置为：在步骤调取电弧概率模型，确定待接入的整流模组(3)的数量和降压模组(5)的数量后还有如下步骤：
获取每个模组的线路的生产时间和当前使用时长；
调取发热概率模型，根据生产时间和当前使用时长确定每个模组当前的发热概率；
根据所有模组当前的发热概率，确定待接入的整流模组(3)和降压模组(5)，使得待接入的整流模组(3)和降压模组(5)的平均发热概率最低；
输出闭合信号，以控制相应的整流模组(3)和降压模组(5)开始工作。
8.根据权利要求7所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述控制器被进一步配置为：
当需要提供两种电压时，按照供电优先级从高到低的顺序分配整流模组(3)和降压模组(5)；
判断用于输出同一幅值直流电压的整流模组(3)和降压模组(5)的平均发热概率是否都低于发热概率安全值；
若是，则输出闭合信号，控制相应的整流模组(3)和降压模组(5)开始工作。
9.根据权利要求8所述的基于IGBT技术的电解水制氢电源装置，其特征在于：所述控制器被进一步配置为：
若否，则按照预设的调整规则替换整流模组(3)和降压模组(5)。
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