CN117691880A

CN117691880A - 一种高效率低谐波的电解整流设备及控制方法

Info

Publication number: CN117691880A
Application number: CN202410152411.6A
Authority: CN
Inventors: 秦政
Original assignee: Siemens Energy Electrical Equipment Changzhou Co ltd
Current assignee: Siemens Energy Electrical Equipment Changzhou Co ltd
Priority date: 2024-02-03
Filing date: 2024-02-03
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2044-02-03
Also published as: CN117691880B

Abstract

本发明涉及电解整流技术领域，具体为一种高效率低谐波的电解整流设备及控制方法。电解整流设备包括主变压器MT、调节变压器KT、二极管整流装置R1、电流调节装置K1，主变压器MT为电解设备提供电源；调节变压器KT用于调节主变压器MT的输入输出电压；二极管整流装置R1用于将主变压器MT输出的交流电整流为直流电；电流调节装置K1用于调节二极管整流装置R1的输出电流。本发明采用二极管整流装置对主变压器的输出电流进行整流，通过对调节变压器KT、电流调节装置K1进行调节，进而调节电解设备的功率因数，有效地提高制氢效率，减少电解过程中产生的谐波，提高电解过程的稳定性与可靠性。

Description

一种高效率低谐波的电解整流设备及控制方法

技术领域

本发明涉及电解整流技术领域，特别是涉及一种高效率低谐波的电解整流设备、一种高效率低谐波的电解整流设备的控制方法。

背景技术

应用在电解制氢或新能源电解中的整流设备主要是用于将直流电转换为交流电，以供给电解槽进行电解反应。电解整流设备的作用主要包括以下几点：1.调整电压：根据电解过程的需求，整流设备需要将输入的交流电调整为适当的电压，以满足电解槽的工作电压要求。2.电流控制：整流设备需要实现电流的精确控制，以保证电解反应的进行。电流的大小直接影响到氢气和氧气的产量，因此电流控制是关键环节。3.保护功能：整流设备应具备过压、过流、短路等保护功能，以确保设备的安全稳定运行。

然而，在实际应用中，电解制氢和新能源电解整流设备也存在一些缺陷：1.设备成本：整流设备通常需要使用高压、大功率的电力电子器件，这导致了设备成本较高。2.谐波问题：整流设备在运行中会产生谐波，谐波会对电网和周边设备产生干扰，影响电力***的稳定性。3.效率问题：尽管现有的大功率整流设备可以进行大规模的电解制氢，制氢速率可达每小时2000方以上，然而大功率整流设备存在损耗过高，实际制氢效率不高的问题。4.可靠性和稳定性：由于整流设备长期处于高压、高温等恶劣环境下，其可靠性和稳定性对整个电解***的运行至关重要，但这也恰恰是整流设备容易出现问题的地方。

发明内容

基于此，有必要针对现有的电解整流设备存在谐波大、效率低的问题，提出一种高效率低谐波的电解整流设备及控制方法。

本发明通过以下技术方案实现：一种高效率低谐波的电解整流设备，包括主变压器MT、调节变压器KT、二极管整流装置R1、电流调节装置K1和控制器。

主变压器MT与电网连通，用于为电解设备提供电源。调节变压器KT与主变压器MT串联，用于调节主变压器MT的输入输出电压。二极管整流装置R1用于将主变压器MT输出的交流电整流为直流电，对电解设备进行供电。电流调节装置K1与主变压器MT并联，用于调节二极管整流装置R1的输出电流。控制器用于根据预设的电解电流调节电流调节装置K1的实际输出电流，进而调节二极管整流装置R1的输出电流。

其中，电解整流设备的运行过程如下：a、通过电流调节装置K1控制调节变压器KT的输出电压，同时电流调节装置K1提供直流电源给逆变器，为辅助设备提供交流电源。b、通过调节变压器KT控制主变压器MT的输入输出电压以及二极管整流装置R1的输出电压。c、通过控制器调节电流调节装置K1的输出，从而控制二极管整流装置R1的实际输出电流。

上述电解整流设备采用二极管整流装置R1对主变压器的输出电流进行整流，同时采用调节变压器KT调节主变压器MT的输出电压，采用电流调节装置K1调节二极管整流装置R1的输出，进而调节电解设备的功率因数，有效地提高制氢效率，减少电解过程中产生的谐波，提高电解过程的稳定性与可靠性。

进一步地，调节变压器KT的容量设置为主变压器MT容量的10%-30%。电流调节装置K1的容量设置为电解设备容量的10%-30%。二极管整流装置R1采用十二相二极管整流桥。

本发明还提供一种高效率低谐波的电解整流设备的控制方法，包括如下步骤：

S1：获取电解设备的目标输入电流与制氢效率的映射关系函数。根据预设的制氢效率在映射关系函数中计算得到电解设备的目标输入电流。

S2：根据输入电流、电解设备的输入电压计算二极管整流装置R1的输出功率。

S3：根据输出功率计算调节变压器KT与电流调节装置K1的负荷率，进而调节二极管整流装置R1的输出电流。

进一步地，在步骤S1中，映射关系函数的获取方法如下：

对电解设备输入相同电压、不同电流，测量对应的制氢效率。将每次输入的电流与对应的制氢效率映射到平面坐标系中，采用线性拟合的方法得到电解电流与制氢效率的映射函数。

进一步地，在步骤S2中，每个电解设备的输入功率P_A可以表达为：

式中，V_r为可逆电压，R_ε为极化过电阻，n为每个电解设备中电解小室的数量，I_OM为电解设备的输入电流的平均值，I_OR为电解设备的输入电流的有效值。

进一步地，在步骤S3中，调节变压器KT的负荷率设置为：

式中，V_MT0为主变压器MT的额定输出电压。

电流调节装置K1的负荷率设置为：

式中，为电解设备的额定功率。

相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明采用二极管整流装置R1对主变压器的输出电流进行整流，同时采用调节变压器KT调节主变压器MT的输出电压，采用电流调节装置K1调节二极管整流装置R1的输出电压电流，进而调节电解设备的输入电流，有效地提高制氢效率，减少电解过程中产生的谐波，提高电解过程的稳定性与可靠性。总的来说，本发明整体结构简单，容易安装，设备成本低，运行可靠，具有高效率、低谐波的特点，能够满足大功率电解设备的运行需求。

相比市场上晶闸管整流和IGBT整流，本发明的整流设备采用二极管整流，具有简单，可靠，效率高，损耗小，谐波和功率因数高的特点。相比市场上通过晶闸管整流和IGBT整流调节整流装置输出电压，尽管二极管整流桥具有固定交流输入电压和直流输出电压，本发明仍巧妙地通过改变调节变压器KT的输出，从而改变主变压器MT的输入输出电压，来达到调节二极管整流装置R1的输出电压的目的。控制器用于控制电解整流装置的输出电流，是通过控制电流调节装置K1，同时所产生的直流电，通过逆变器转换为用于辅助设备的交直交变频电源。

附图说明

图1为本发明实施例1中高效率低谐波的电解整流设备的电路结构示意图；

图2为本发明实施例2的高效率低谐波的电解整流设备的控制方法的步骤图。

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，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种高效率低谐波的电解整流设备，电解整流设备AFE包括主变压器MT、调节变压器KT、二极管整流装置R1、电流调节装置K1和控制器（图未示）。

主变压器MT与电网连通，用于将电网电压调节为电解设备所需的电压。本实施例中，将主变压器MT的容量记为A。

调节变压器KT与主变压器MT串联，用于调节主变压器MT输出的电压。本实施例中，将调节变压器KT的容量记为B，设置B为A的10%-30%，具体的，可以取B=10%A。

二极管整流装置R1包括多个相互并联的十二相二极管整流桥，二极管整流装置R1与主变压器MT串联，对电解设备供电。多个十二相二极管整流桥并联可以构成二十四相整流桥，进一步减少谐波。采用二极管整流装置R1对主变压器MT输出的电压进行整流，可以针对多个电解设备进行分别调节，满足电解设备的控制需求。

电流调节装置K1与主变压器MT并联，用于调节二极管整流装置R1的输出电流。本实施例中，通过电流调节装置K1调节调节变压器KT的输出电压，同时电流调节装置K1提供直流电源给逆变器，为辅助设备提供交流电源。具体的，电流调节装置K1在±10%范围内进行调节，使二极管整流装置R1输出为90%-110%。

控制器用于根据预设的电解电流调节电流调节装置K1的实际输出电流，进而调节二极管整流装置R1的输出电流。

具体的，电解整流设备的运行过程如下：

a、通过电流调节装置K1控制调节变压器KT的输出电压，同时电流调节装置K1提供直流电源给逆变器，为辅助设备提供交流电源。

b、通过调节变压器KT控制主变压器MT的输入输出电压以及二极管整流装置R1的输出电压。其中，电源的供电路线为：电网输入电压-调节变压器输入电压=调节变压器输出电压=主变压器的输入电压，即调节变压器的输入电压可以调节主变压器输出的交流电压和经二极管整流后的电解装置的直流电压（调节变压器的输入电压与主变压器的输入电压具有固定的输入输出关系）。

c、通过控制器调节电流调节装置K1的输出，从而控制二极管整流装置R1的实际输出电流。

其中，电解电流根据制氢效率设定。首先，根据实验确定电解电流与制氢效率的映射关系。具体的，可以对电解设备输入相同电压、不同电流，同时测量对应的制氢效率，将电流与对应的制氢效率映射到平面坐标系中，采用线性拟合的方法得到电解电流与制氢效率的映射函数。根据实际所需的制氢效率，在映射函数中计算处对应的电解电流。

根据所需的电解电流计算出二极管整流装置R1输出的电压。具体的，二极管整流装置R1的输出电压由调节变压器KT、电流调节装置K1控制，其中，调节变压器KT用于调节主变压器MT的输出电压，电流调节装置K1用于调节二极管整流装置R1输出的电流。

首先，根据电解电流计算出电解设备的输入电压，具体的，每个电解设备的输入电压V_A可以表达为：

式中，V_i为每个电解小室的端电压，V_r为可逆电压，V_ε为极化过电压，n为每个电解设备中电解小室的数量。

则每个电解设备的输入功率P_A可以表达为：

式中，I_OM为电解设备的输入电流的平均值，I_OR为电解设备的输入电流的有效值，R_ε为极化过电阻。其中，nV_rI_OM为产氢功率，nR_εI_OR ²为功率损耗。

对应的，主变压器MT的输出电压V_MT可以表达为：

式中，η为整流效率。

设电网的输出电压为V_P，主变压器MT的变比为K，调节变压器KT的负荷率β₁可以设置为：

式中，V_MT0为主变压器MT的额定输出电压。

在采用调节变压器KT进行单独调节时，尽管电解设备的输入电流可以满足制氢效率的需求，但由于主变压器MT的输出电压降低，经二极管整流装置R1输出的电功率也随之下降，在保持制氢效率不变的前提下，整体功耗更高。

为了提高电解设备的制氢效率，同时为电解环境提供运行所需的电能，本实施例采用电流调节装置K1、逆变器将部分电能转换为额定电压的交流电，对压缩机、风机等辅助设备进行供电，同时提高电解设备的功率因数，进而提高制氢效率。电流调节装置K1的负荷率β₂可以设置为：

式中，为电解设备的额定功率。

在采用调节变压器KT和电流调节装置K1进行调节时，电解设备的有功功率得到明显的提升，功率因数也随之提高，且由二极管整流装置R1并联构成的二十四相整流桥能够有效地减少谐波，提高电解过程的可靠性与稳定性。电流调节装置K1还可以对电解环境中的其他负载进行供电，进一步降低电能的损耗，提高电解设备运行的电功率，同时提高电解设备的制氢效率。

相比市场上晶闸管整流和IGBT整流，本发明的整流设备采用二极管整流，具有简单，可靠，效率高，损耗小，谐波和功率因数高的特点。相比市场上通过晶闸管整流和IGBT整流调节整流装置输出电压，尽管二极管整流桥具有固定交流输入电压和直流输出电压，本发明仍巧妙地通过改变调节变压器KT的输出，从而改变主变压器MT的输入输出电压，来达到调节二极管整流装置R1的输出电压的目的。控制器用于控制电解整流装置的输出电流，是通过控制电流调节装置K1，同时所产生的直流电，通过逆变器转换为用于辅助设备（如压缩机、风机）等的交直交变频电源。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供一种高效率低谐波的电解整流设备的控制方法，可以对实施例1的高效率低谐波的电解整流设备进行控制，实现对电解设备的电流调节，以提高电解设备的制氢效率，降低电解过程中产生的谐波。该控制方法包括：

其中，映射关系函数的获取方法如下：

其中，电解设备的输入电压V_A可以表达为：

每个电解设备的输入功率P_A可以表达为：

S3：根据输出功率计算调节变压器KT与电流调节装置K1的负荷率，以使二极管整流装置R1的输出电流等于电解设备的目标输入电流。

首先，根据电解设备的输入功率计算主变压器MT的输出电压V_MT，则输出电压V_MT可以表达为：

式中，η为整流效率

调节变压器KT的负荷率设置为：

式中，V_MT0为主变压器MT的额定输出电压。

电流调节装置K1的负荷率设置为：

式中，为电解设备的额定功率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种高效率低谐波的电解整流设备，其特征在于，包括：

主变压器MT，与电网连通，用于为电解设备提供电源；

调节变压器KT，与所述主变压器MT串联，用于调节所述主变压器MT的输入输出电压；

二极管整流装置R1，用于将所述主变压器MT输出的交流电整流为直流电，对电解设备进行供电；

电流调节装置K1，与所述主变压器MT并联，用于调节所述二极管整流装置R1的输出电流；

控制器，用于根据预设的电解电流调节所述电流调节装置K1的实际输出电流，进而调节所述二极管整流装置R1的输出电流；

其中，所述电解整流设备的运行过程如下：

a、通过所述电流调节装置K1控制所述调节变压器KT的输出电压，同时所述电流调节装置K1提供直流电源给逆变器，为辅助设备提供交流电源；

b、通过所述调节变压器KT控制所述主变压器MT的输入输出电压以及二极管整流装置R1的输出电压；

c、通过所述控制器调节所述电流调节装置K1的输出，从而控制二极管整流装置R1的实际输出电流。

2.根据权利要求1所述的一种高效率低谐波的电解整流设备，其特征在于，所述调节变压器KT的容量设置为所述主变压器MT容量的10%-30%；所述电流调节装置K1的容量设置为电解设备容量的10%-30%；所述二极管整流装置R1采用十二相二极管整流桥。

3.一种高效率低谐波的电解整流设备的控制方法，其应用于如权利要求1至2中任意一项所述的一种高效率低谐波的电解整流设备，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

S1：获取电解设备的目标输入电流与制氢效率的映射关系函数；根据预设的制氢效率在所述映射关系函数中计算得到电解设备的目标输入电流；

S2：根据所述输入电流、电解设备的输入电压计算二极管整流装置R1的输出功率；

S3：根据所述输出功率计算调节变压器KT与电流调节装置K1的负荷率，进而调节二极管整流装置R1的输出电流。

4.根据权利要求3所述的高效率低谐波的电解整流设备的控制方法，其特征在于，在步骤S1中，所述映射关系函数的获取方法如下：

对电解设备输入相同电压、不同电流，测量对应的制氢效率；将每次输入的电流与对应的制氢效率映射到平面坐标系中，采用线性拟合的方法得到电解电流与制氢效率的映射函数。

5.根据权利要求3所述的高效率低谐波的电解整流设备的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，每个电解设备的输入功率P_A表达为：

6.根据权利要求3所述的高效率低谐波的电解整流设备的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所述调节变压器KT的负荷率设置为：

式中，V_MT0为主变压器MT的额定输出电压；

所述电流调节装置K1的负荷率设置为：

式中，为电解设备的额定功率。