【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于高壓直流制氫，涉及一種用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源及控制方法。
技術(shù)介紹
1、隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求量日益增加，但我國(guó)所利用的能源還是以化石能源為主；在可再生能源中，氫氣作為一種零碳的能源載體，在我國(guó)能源互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用廣泛。在所有的氫氣制備方法中，制氫領(lǐng)域占比較高的是天然氣制取氫氣和石油氣化制取氫氣，但是這兩種方法在制造氫氣的同時(shí)會(huì)造成大量的二氧化碳排放；電解水制氫技術(shù)立足于未來(lái)碳中和乃至負(fù)碳，不存在碳排放造成污染，且技術(shù)相對(duì)成熟。
2、隨著清潔能源的不斷發(fā)展，特別是可再生能源如太陽(yáng)能和風(fēng)能的大規(guī)模應(yīng)用，高壓直流電網(wǎng)成為了將分散式能源接入主電網(wǎng)的有效手段。而在這種高壓直流電網(wǎng)中，如何將電能高效、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為氫能，成為了一個(gè)備受關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。
3、傳統(tǒng)制氫電源多是由變壓器和晶閘管構(gòu)成的整流器，這種隔離型制氫電源存在能量損耗高、效率低的問(wèn)題。模塊化多電平換流器具有模塊化設(shè)計(jì)、輸出波形諧波含量低、結(jié)構(gòu)靈活便于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，屬于非隔離制氫電源，不需要使用大型變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和升降壓，這降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積、重量以及成本。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于如何設(shè)計(jì)一種非隔離制氫電源，以滿足高壓直流電網(wǎng)直接向制氫電解槽供電的需求。
2、本專利技術(shù)是通過(guò)以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題的：
3、一種用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源，采用至少一個(gè)并聯(lián)在高壓直流電網(wǎng)正、負(fù)極的模塊化多電平換流器(10
4、進(jìn)一步地，所述的全橋變換器包括：全橋電容c、全控器件s1～s4、二極管d1～d4，其中，全控器件s1～s4、二極管d1～d4構(gòu)成h橋結(jié)構(gòu)，全橋電容c與h橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)。
5、進(jìn)一步地，所述的全橋變換器功率由高壓側(cè)向低壓側(cè)傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)分為三種：旁路狀態(tài)、充電狀態(tài)、放電狀態(tài)；1)處于旁路狀態(tài)時(shí)，電流流經(jīng)二極管d1、全控器件s3，或者流經(jīng)全控器件s2、二極管d4，不流過(guò)電容；2)處于充電狀態(tài)時(shí)，電流流經(jīng)二極管d1、電容c、二極管d4，此時(shí)電容處于充電狀態(tài)；3)處于放電狀態(tài)時(shí)，電流流經(jīng)二極管d2、電容c、全控器件s3，此時(shí)電容處于放電狀態(tài)；通過(guò)控制全橋變換器的工作狀態(tài)，在輸出側(cè)得到相應(yīng)的輸出電壓。
6、一種應(yīng)用于所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源的控制方法，包括：直流電壓控制和電流均流控制單元、電容電壓控制單元以及主導(dǎo)電壓控制單元；
7、所述的直流電壓控制和電流均流控制單元：將測(cè)量的低壓側(cè)電壓vl與低壓側(cè)參考電壓vl,ref進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后，生成低壓側(cè)目標(biāo)電流il*；將低壓側(cè)目標(biāo)電流il*除以模塊化多電平換流器(10)的個(gè)數(shù)x后分別與每個(gè)模塊化多電平換流器(10)的低壓側(cè)電流il,x進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后，生成各個(gè)模塊化多電平換流器(10)的低壓側(cè)參考電壓vl,x；
8、所述的電容電壓控制單元包括：橋臂內(nèi)電容電壓控制、橋臂間電容電壓平衡控制和全橋變換器電容電壓控制；
9、所述的橋臂內(nèi)電容電壓控制：將橋臂內(nèi)電容參考電壓vc*與一個(gè)模塊化多電平換流器(10)的上橋臂(11)、下橋臂(12)內(nèi)的全橋變換器中的電容電壓平均值vc,str,x進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后，其輸出再與反饋電流icom進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后，輸出為調(diào)整電壓分量δvc,str,x；
10、所述的橋臂間電容電壓平衡控制：包括橋臂電容電壓外環(huán)控制和交流電流內(nèi)環(huán)控制，通過(guò)對(duì)交流電流分量的控制實(shí)現(xiàn)上、下橋臂之間的電容電壓平衡；將模塊化多電平換流器(10)中上橋臂(11)、下橋臂(12)的電容電壓平均值vc,x,1、vc,x,2進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后與前饋信號(hào)iac,fwd相加，再乘以sin(ωt+θx)，θx＝360°/x，從而生成瞬時(shí)交流參考電流iac,x*，與測(cè)量得到的交流電流iac,x進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后生成調(diào)整電壓δvc,val,x；
11、所述的全橋變換器電容電壓控制：將電容參考電壓vc*與測(cè)量得到的單個(gè)全橋變換器電容電壓vc,x,i,h,j進(jìn)行比較，經(jīng)pi控制器調(diào)節(jié)后，與對(duì)應(yīng)的橋臂上半段或者下半段的瞬時(shí)電流ix,i,h相乘，生成調(diào)整電壓δvx,i,h,j；
12、所述的主導(dǎo)電壓控制單元的主導(dǎo)電壓vrem,x和vac,x與調(diào)整電壓分量δvc,str,x、δvc,val,x和δvx,i,j相結(jié)合，合成橋臂中全橋變換器的電容電壓參考，根據(jù)橋臂中全橋變換器的電容電壓參考，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制對(duì)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制。
13、進(jìn)一步地，所述的反饋電流icom是流過(guò)整個(gè)模塊化多電平換流器(10)的電流分量，其計(jì)算公式如下：
14、icom＝0.5(ix,1,s+ix,2,f+ix,f)?(1)
15、其中，ix,1,s表示第x個(gè)模塊化多電平換流器(10)的上橋臂的下半部分的電流，ix,2,f表示第x個(gè)模塊化多電平換流器(10)的下橋臂的上半部分的電流，ix,f表示第x個(gè)模塊化多電平換流器(10)的跨接電容電流。
16、進(jìn)一步地，所述的前饋信號(hào)的計(jì)算公式如下：
17、
18、其中，vh表示輸入高壓直流，vl表示輸出低壓直流，il,x表示第x個(gè)模塊化多電平換流器(10)的輸出電流，vac表示半個(gè)橋臂電壓交流分量的幅值。
19、進(jìn)一步地，所述的主導(dǎo)電壓vrem,x和vac,x由以下公式計(jì)算得出：
20、vrem,x＝vh-vl,x?(3)
21、vac,x＝dacvh?(4)
22、
23、
24、其中，dac為交流電壓因數(shù)，r為電壓比，dmin表示在交流電壓分量為最小情況下的交流電壓因數(shù)。
25、進(jìn)一步地，所述的橋臂中全橋變換器的電容電壓參考的計(jì)算公式如下：
26、
27、其中，符號(hào)或“±”用于區(qū)分橋臂上半段或者下半段。
28、本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：
29、本專利技術(shù)的技術(shù)方案采用跨接電容將模塊化多電平換流器的上、下橋臂中點(diǎn)連接，跨接電容用來(lái)傳輸交流功率，通過(guò)控制跨接電容的電流，實(shí)現(xiàn)橋臂之間的功率平衡，從而大幅降低全橋變換器電容電壓波動(dòng)；同時(shí)模塊化多電平換流器采用全橋變換器串聯(lián)，本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源，其特征在于，采用至少一個(gè)并聯(lián)在高壓直流電網(wǎng)正、負(fù)極的模塊化多電平換流器(10)；所述的模塊化多電平換流器(10)包括：上橋臂(11)、下橋臂(12)、濾波電感L1、濾波電感L2、跨接電容C1；所述的上橋臂(11)、濾波電感L1、濾波電感L2、下橋臂(12)依次串聯(lián)，其中，上橋臂(11)的非串聯(lián)端作為輸入高壓直流正極，濾波電感L1與濾波電感L2的串聯(lián)公共點(diǎn)作為輸出低壓直流正極，下橋臂(12)的非串聯(lián)端作為輸入高壓直流負(fù)極以及輸出低壓直流負(fù)極；所述的模塊化多電平換流器(10)的上橋臂(11)采用2N1個(gè)全橋變換器依次串聯(lián)，下橋臂(12)采用2N2個(gè)全橋變換器依次串聯(lián)，在2N1以及2N2個(gè)依次串聯(lián)的全橋變換器的中點(diǎn)分別引出一個(gè)接線端子，用于連接跨接電容C1的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源，其特征在于，所述的全橋變換器包括：全橋電容C、全控器件S1～S4、二極管D1～D4，其中，全控器件S1～S4、二極管D1～D4構(gòu)成H橋結(jié)構(gòu)，全橋電容C與H橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述
4.一種應(yīng)用于權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源的控制方法，其特征在于，包括：直流電壓控制和電流均流控制單元、電容電壓控制單元以及主導(dǎo)電壓控制單元；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源的控制方法，其特征在于，所述的反饋電流icom是流過(guò)整個(gè)模塊化多電平換流器(10)的電流分量，其計(jì)算公式如下：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源的控制方法，其特征在于，所述的前饋信號(hào)的計(jì)算公式如下：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源的控制方法，其特征在于，所述的主導(dǎo)電壓vrem,x和vac,x由以下公式計(jì)算得出：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源的控制方法，其特征在于，所述的橋臂中全橋變換器的電容電壓參考的計(jì)算公式如下：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源，其特征在于，采用至少一個(gè)并聯(lián)在高壓直流電網(wǎng)正、負(fù)極的模塊化多電平換流器(10)；所述的模塊化多電平換流器(10)包括：上橋臂(11)、下橋臂(12)、濾波電感l(wèi)1、濾波電感l(wèi)2、跨接電容c1；所述的上橋臂(11)、濾波電感l(wèi)1、濾波電感l(wèi)2、下橋臂(12)依次串聯(lián)，其中，上橋臂(11)的非串聯(lián)端作為輸入高壓直流正極，濾波電感l(wèi)1與濾波電感l(wèi)2的串聯(lián)公共點(diǎn)作為輸出低壓直流正極，下橋臂(12)的非串聯(lián)端作為輸入高壓直流負(fù)極以及輸出低壓直流負(fù)極；所述的模塊化多電平換流器(10)的上橋臂(11)采用2n1個(gè)全橋變換器依次串聯(lián)，下橋臂(12)采用2n2個(gè)全橋變換器依次串聯(lián)，在2n1以及2n2個(gè)依次串聯(lián)的全橋變換器的中點(diǎn)分別引出一個(gè)接線端子，用于連接跨接電容c1的兩端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源，其特征在于，所述的全橋變換器包括：全橋電容c、全控器件s1～s4、二極管d1～d4，其中，全控器件s1～s4、二極管d1～d4構(gòu)成h橋結(jié)構(gòu)，全橋電容c與h橋結(jié)構(gòu)并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高壓直流電網(wǎng)的模塊化多電平制氫電源，其特征在于，所述的全橋變換器功率由高壓側(cè)向低壓側(cè)傳輸?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)分為三種：旁路狀態(tài)、充電狀態(tài)、放電狀態(tài)；1...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳任峰，譚偉，劉滿君，李子緣，桂吉祥，張杰，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：安徽佑賽科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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