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大功率绿电制氢电源装置研究

news 2025/11/9 12:39:59

新能源发电与氢能耦合是实现“3060”双碳目标的重要途径之一，电力电子变换器在其中扮演电氢能量转换的重要角色。为实现绿电制氢系统的高效运行，需要电力电子变换器具备综合转换效率高、动态性能好、可靠性高、纹波小、网侧电流谐波含量低、适应弱网场景等特点。此处提出一种前级AC／DC变换器整流、后级DC／DC变换器降压的两级级联拓扑结构．前级AC／DC变换器用于保持两级变换器之间直流母线电压的稳定，后级降压变换器用于实现碱性电解槽稳定制氢所需的宽电压范围。仿真和实验结果验证了该系统的正确性和有效性。

在“3060”双碳目标下，国家发改委和国家能源局在2022年3月联合发布了《氢能产业发展中长期规划(2021—2035)》，确立氢能在我国能源体系中的战略地位．同时明确氢能是战略性新兴产业的重点方向，新能源电解制氢以其绿色无污染、资源可再生、氢气用途广等优势在电力电子行业引起广泛关注。但是。由于新能源自身固有的强随机性、波动性、间歇性缺陷，给需要稳定电源供电的绿氢制取带来挑战．电解制氢电源在其中扮演重要角色。在维护大电网安全稳定的前提下，如何最大化利用新能源的发电量。同时兼顾电解槽非线性负载特性可能带来的谐波、振荡等影响，进而达到高效制氢的目标是当下绿氢制取的难点。

此处针对上述难点提出的绿电制氢电源采用两级变换器．先通过前级AC，DC变换器整流，再经后级DC／DC变换器降压的方式获得电解槽供电所需的宽电压范围。该系统在新能源发电波动时．可以对大电网进行自主无功支撑，且功率调节响应时间在要求范围之内。

2系统主回路拓扑

此处大功率绿电制氢电源装置输入侧接AC10 kV／AC 530 V大电网，经AC／DC变换器将交流电转换为800 V直流母线电压，后经过DC／DC降压变换器转换为匹配电解槽所需供电电压(DC500．750 V)。制氢电源装置由输入主断路器、预充电回路、AC／DC变换器、DC／DC降压变换器、输出隔离开关组成，其中，AC／DC变换器采用三电平拓扑结构．三电平拓扑具有电压应力低、电流电压畸变率低等优点，在多电平中的应用最为广泛…。DC／DC降压变换器采用两相交错的Buck电路．交错并联技术不仅可以降低输入／输出电流纹波．同 Dc时可以提高DC／DC降压变换器的动态响应能力和效率。该制氢电源装置由3个相同的子装置构成，子装置系统主回路拓扑如图1所示，3个子装置之间通过干接点信号、CAN通讯、光纤通讯进行互联互通，实现3个子装置的并联运行。

3系统控制策略

3．1 AC，DC变换器

AC，DC变换器根据其拓扑结构不同。输出电平数不同，可分为两电平、三电平和多电平，电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多．输出波形越接近正弦波，从而谐波成分越少。三电平，是指变换器交流侧电压有3个电平，即正端W2，负端一魄／2，O，直流侧有两个电容串联，用以支撑并均衡直流侧总线电压．拓扑中所有开关的额定电压都设在总线电压的一半。器件的电压应力比较低，功率器件开关损耗也相对较低，因此，三电平相对两电平．其输出电压及直流母线电压都有一定的提升，且等效开关频率高、EMI小、耐压低、滤波效果好。NPC三电平，以单相为例，其拓扑结构如图2a所示，由于其使用了功率二极管，存在开关器件损耗不平衡和长换流回路问题。ANPC电路，是NPC电路的改进版本，以单相为例，其拓扑结构如图2b所示．将NPC拓扑中的二极管换作了有源开关，完美解决器件耐压问题、器件损耗不平衡问题和长换流回路电压尖峰问题．改善了系统的效率和功率密度。这里AC，DC变换器采用ANPC三电平拓扑结构，开关频率3 kHz。响应速度快，具备高电网适应性和高电网支撑能力。

前级AC／DC变换器．采用前馈解耦控制策略．控制系统由电压外环和电流内环组成。电压外环的作用主要是控制三相VSR直流侧电压．电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。电压外环、电流内环均采用PI调节器，通过独立控制d轴有功电流分量和q轴无功电流分量。间接实现有功功率和无功功率的解耦控制．满足单位功率因数和直流侧电压恒定的目标。前级AC／DC变换器控制框图如图3所示。

3．2 DC，DC降压变换器

基于交错并联技术大幅提高等效开关频率、功率密度高、系统效率高、纹波电流小、电抗器体积小、降低成本，同时方便变换器的维修和维护，可提高系统容错性和运行可靠性的原因[21．该系统DC／DC降压变换器采用两相交错的Buck电路。每相Buck电路工作时间错开1／2个周期，以减小输出电流纹波。两相交错并联Buck变换器的拓扑图和输出电流波形分别见图4，5。

后级DC／DC降压变换器，采用恒流限压控制模式，进行直流电流PI控制，以电解槽充电电流为控制量，电流给定值在达到额定制氢功率对应的电解槽工作温度前．按照固定步长逐渐增大至目标值1(额定电流值的一半)，在达到额定制氢功率对应的电解槽工作温度后．电流给定值可以快速增大至目标值2(额定电流值)。后级DC／DC降压变换器控制框图如图6所示。

4系统软件架构

图7为该制氢电源装置软件架构图．主要包括系统初始化模块、A／D采样处理模块、通讯模块、故障判断模块、脉冲生成模块、电解制氢运行模块、故障清除判断模块。制氢电源装置具有远程监控系统和人机界面等智能监测系统．用来监测制氢电源装置运行状态、故障保护等。该制氢电源具备调度交互、控制模式切换、人机交互和本地控制等功能，接收调度控制中心指令。进行并网与否及是否进行无功支撑的判断。

5仿真和实验

在Matlab／Simulink环境中搭建图1仿真模型．制氢电源装置主要技术参数如下：额定输入交流电压530V：最大输入交流电流5752 A：额定输出直流电压500～750V：额定输出直流电流8000A(0-8000A可调)；最大额定输出功率4 800 kW；稳压精度±O．5％：稳流精度±0．5％；最大转换效率大于97．5％。目前，主流电解水制氢技术包括碱性水电解(ALK)、质子交换膜电解(PEM)，其技术参数对比如下：ALK：技术成熟度为大规模应用，运行温度为70～90℃，电流密度为0．2。0．4 A／cmz，单台装置制氢规模为0．5。l 000 Nm，／h．系统转化效率为60％。75％，系统寿命己达10。20年。动态响应能力较强．电源质量需求为稳定电源。负荷调节范围为15％。100％额定负荷，特点为技术成熟、成本低、易于实现大规模应用，但实际电能消耗较大，需要稳定电源；PEM：技术成熟度为小规模应用，运行温度为70。80℃，电流密度为1。2 A／cmz，单台装置制氢规模为0．0l。500 Nm3／h．系统转化效率为70％～90％，系统寿命己达10～20年，动态响应能力强．电源质量需求为稳定或波动电源，负荷调节范围为0％。160％额定负荷。特点为占地面积小、间歇性电源适应性高、易于实现与可再生能源结合，但设备成本高。大功率电解槽具有低压、大电流、耐受电压、电流纹波小和功率变化范围大等特点【3】．此处选用已具有大规模应用案例的碱性电解槽作为负载进行匹配．碱性电解槽技术参数如下：型号TDQl000／1．6；电压735 V；电流6 600 A；氢气产l 000 m，／h；氧气产量500 m，／h；工作压力1．6MPa；工作温度(90±5)℃；碱液浓度30％KOH；负荷调节范围25％。110％。

实验中．交流侧基于SVPWM的全控整流器．实现能量双向流动．可以在单位功率因数下运行．接入电网后，网侧电流无明显畸变。根据4．8 MWIGBT制氢电源实测并网参数．100％负载下的实测谐波电流畸变率为2．377％．谐波电压畸变率为1．554％：75％负载下的实测谐波电流畸变率为2．923％，谐波电压畸变率为1．589％。上述数据表明，100％负载下和75％负载下实测谐波电流畸变率和谐波电压畸变率均小于3％．满足国标对并网谐波的标准要求。

对前级AC／DC变换器的输出直流母线电压进行控制．目标控制值为800 V。由于进线电压的波动及前、后两级相继开脉冲带来负载的改变。使得中间直流母线电压存在一定波动．但实际控制值基本稳定在有效值792v左右，满足给后级Dc／DC降压变换器输入稳定电压的要求．此时输出供电电压值为584 V(随电解槽产氢功率变动)。图8为前级AC／DC变换器直流母线电压为800V的控制效果图。当设定后级DC，DC降压变换器的输出供电电流目标值为8000 A，3个子装置并联。单个子装置输出电流目标值为8000／3A时的控制效果如图9所示．测得实际输出供电电流的交流分量峰峰值为186．5 A。纹波电流峰值系数为2．33％。满足系统纹波电流峰值系数小于等于±3％的技术要求。

6 结论

随着“碳中和”愿景下氢能战略的实施．电力电子变换器作为新能源制氢系统中的核心装备，在大功率应用场合下．面临着如何高效可靠制氢的挑战。两级变换器级联拓扑结构具有功率因数高、电流谐波含量低和输出电流纹波小等优点，这里提出采用前级AC／DC变换器整流、后级DC／DC降压变换器的形式来匹配碱性电解槽的供电曲线。研究了系统的主电路拓扑和控制策略。仿真和实验结果表明．两级级联拓扑结构和控制方法能够主动支撑大电网的功率／能量平衡．同时实现制氢负荷跟随新能源发电波动特性进行智能投切。有效抑制非线性负载的投切对电网造成安全稳定的冲击。该装置能够满足为碱性电解槽供电的各项技术指标。目前，已成功应用于某绿电制氢项目，可稳定产氢，具极高的应用推广价值。

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