王成悅，江 才

（陽(yáng)光氫能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

在可再生能源電解水的制氫場(chǎng)合中，10/35 kV 電網(wǎng)通過(guò)變壓器降壓后，經(jīng)制氫整流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電，供電解槽制氫。作為連接電網(wǎng)和電解槽的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，制氫整流電源不僅影響制氫系統(tǒng)的響應(yīng)特性和輸入電能質(zhì)量，還影響電解槽的使用壽命。因此，開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的制氫整流電源測(cè)試平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)效率、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能以及可靠性進(jìn)行評(píng)估[1]。

與傳統(tǒng)消耗型測(cè)試平臺(tái)（使用無(wú)源電阻負(fù)載或直接連接電解槽，電能損耗大、成本高）不同，現(xiàn)代測(cè)試平臺(tái)采用能量回饋方式間接加載。通過(guò)控制另一臺(tái)直流電源或并網(wǎng)逆變器模擬電解槽負(fù)載，進(jìn)行電源性能測(cè)試。這種方法允許通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)制氫電源和直流電源或并網(wǎng)逆變器之間的循環(huán)流動(dòng)，僅有的電能消耗來(lái)自設(shè)備自身，使得能量回饋型電源測(cè)試系統(tǒng)具有較好的節(jié)能效果[2]。

1 制氫電源現(xiàn)有對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案

現(xiàn)有的能量回饋型制氫電源對(duì)拖平臺(tái)方案的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 制氫電源現(xiàn)有對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的能量回饋型制氫電源對(duì)拖平臺(tái)工作原理如下：與制氫整流電源容量標(biāo)配的雙分裂或2 個(gè)獨(dú)立的隔離變壓器從原邊接入電網(wǎng)，副邊分別接至制氫電源和并網(wǎng)逆變器的交流輸入端，從而實(shí)現(xiàn)制氫電源和并網(wǎng)逆變器交流側(cè)的電氣隔離。并網(wǎng)逆變器包括直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）和交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）兩級(jí)式拓?fù)?，制氫整流電源與并網(wǎng)逆變器DC/DC 單元的直流側(cè)互連。通過(guò)控制制氫電源的直流輸出或負(fù)載側(cè)逆變器的并網(wǎng)電流，實(shí)現(xiàn)能量在制氫電源、并網(wǎng)逆變器以及變壓器之間的循環(huán)流動(dòng)，制氫電源、儲(chǔ)能變流器和隔離變壓器內(nèi)部損耗電能由電網(wǎng)提供[3]。

對(duì)拖平臺(tái)的主要不足為：一方面，制氫電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能受負(fù)載側(cè)逆變器控制系統(tǒng)截止頻率的制約；另一方面，目前與市場(chǎng)主流1 000 標(biāo)方制氫系統(tǒng)堿性電解槽配套的制氫電源額定功率都在5 MW以上，由多個(gè)單元并聯(lián)組成，選型和設(shè)計(jì)與電源功率等級(jí)、工作電壓和電流范圍相匹配的并網(wǎng)逆變器變得十分困難。針對(duì)這些問(wèn)題，文章構(gòu)建一種新型的兩組制氫電源背靠背對(duì)拖的實(shí)驗(yàn)方案，并深入分析該方案中電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的關(guān)鍵技術(shù)及其控制策略，同時(shí)通過(guò)單機(jī)和4 單元并聯(lián)整機(jī)的對(duì)拖實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證提出實(shí)驗(yàn)方案的有效性和可行性。

2 基于兩組制氫整流電源背靠背連接的對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案

制氫整流電源的AC/DC 單元和DC/DC 單元均支持能量雙向流動(dòng)，可以通過(guò)背靠背連接2 組制氫整流電源設(shè)計(jì)對(duì)拖平臺(tái)，如圖2 所示。

圖2 基于兩組制氫整流電源背靠背連接的對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案

隔離變壓器1 的副邊為待測(cè)制氫電源（以下簡(jiǎn)稱為電源側(cè)）交流輸入，而隔離變壓器2 的副邊為模擬負(fù)載的制氫電源（以下簡(jiǎn)稱為負(fù)載側(cè)）交流輸入。

通過(guò)互連兩組制氫電源的直流輸出，電源側(cè)的AC/DC 單元在整流模式下工作，DC/DC 單元在Buck模式下工作；負(fù)載側(cè)的AC/DC 單元在逆變模式下工作，DC/DC 單元在Boost 模式下工作，實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)流動(dòng)，損耗由電網(wǎng)補(bǔ)償。

該實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)點(diǎn)包括以下3 點(diǎn)：一是兩組制氫電源使用相同控制器和閉環(huán)控制算法，參數(shù)調(diào)整后可獲得相似控制帶寬，快速響應(yīng)負(fù)載變化；二是兩組電源的功率級(jí)別、工作電壓范圍、工作電流范圍及并聯(lián)能力完全匹配，支持帶載和老化測(cè)試，顯著降低試驗(yàn)成本，簡(jiǎn)化測(cè)試流程；三是支持一組電源發(fā)出感性無(wú)功，另一組發(fā)出容性無(wú)功，無(wú)須消耗電網(wǎng)無(wú)功，完成無(wú)功功率對(duì)拖測(cè)試。

3 制氫電源對(duì)拖方案控制策略

3.1 制氫電源AC/DC 單元控制

在制氫電源系統(tǒng)中，AC/DC 單元通常采用三相脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的整流器。為實(shí)現(xiàn)電流的有效解耦，確保并網(wǎng)電流的對(duì)稱性，系統(tǒng)應(yīng)用基于解耦雙同步參考坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)的控制技術(shù)[4]。在通過(guò)直流電壓外環(huán)實(shí)現(xiàn)直流母線電壓等于設(shè)定值的前提下，對(duì)三相電感電流進(jìn)行正負(fù)序dq雙同步坐標(biāo)系的解耦，實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的獨(dú)立控制。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)三相并網(wǎng)電流的對(duì)稱控制，將負(fù)序的有功和無(wú)功電流控制為0。

PWM 整流器可以在4 個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行能量的流動(dòng)控制。在制氫電源的對(duì)拖方案中，AC/DC 單元無(wú)論是整流模式還是逆變模式，其核心區(qū)別僅在于電流流向不同，控制策略都相同。

3.2 制氫電源DC/DC 單元控制

在制氫電源的對(duì)拖方案中，DC/DC 單元根據(jù)電流流向的不同，通常采用Buck 降壓電路或Boost 升壓電路。

3.2.1 Buck 降壓電路控制

Buck 電路作為制氫整流電源裝置的核心組件，其直流輸出連接電解槽，并在恒壓、恒流和恒功率3種模式工作，對(duì)應(yīng)的輸出外特性分別為直流輸出電壓、輸出電流、輸出功率。對(duì)于交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路來(lái)說(shuō)，其控制環(huán)路的復(fù)雜性會(huì)隨著并聯(lián)相數(shù)的增多而增大，控制框圖如圖3 所示。圖3 中外環(huán)根據(jù)恒壓、恒流和恒功率的不同工作模式，設(shè)定為直流輸出電壓環(huán)或電流環(huán)，起到穩(wěn)定輸出電壓或電流的作用；內(nèi)環(huán)由3 個(gè)結(jié)構(gòu)相同的獨(dú)立電感電流環(huán)并聯(lián)而成，可以實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)電路之間的均流[5]。

圖3 三相交錯(cuò)并聯(lián)Buck 電路雙閉環(huán)控制框圖

在圖3 所示的控制框圖中，Gid(s)為電流內(nèi)環(huán)被控對(duì)象，GM(s)為PWM 調(diào)制環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)，其表達(dá)式為

式中：M為載波幅值。

理想條件下，3 個(gè)并聯(lián)的電流環(huán)被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全一致，其控制器參數(shù)也完全一致。

3.2.2 Boost 升壓電路控制

三相交錯(cuò)并聯(lián)Boost 電路采用與Buck 相同的雙閉環(huán)控制策略，其控制框圖如圖4 所示。電源側(cè)的Buck 電路工作在恒壓模式時(shí)，Boost 電路工作在恒流模式，外環(huán)控制對(duì)象是直流輸入電流；Buck 電路工作在恒流或恒功率模式時(shí)，Boost電路工作在恒壓模式，外環(huán)控制對(duì)象是直流輸入電壓。

圖4 三相交錯(cuò)并聯(lián)Boost 電路雙閉環(huán)控制框圖

3.3 制氫電源多機(jī)并聯(lián)均流控制

制氫電源的AC/DC 單元和DC/DC 單元均采用基于高速通信的主從式并聯(lián)均流控制，即主機(jī)運(yùn)行在電壓模式，執(zhí)行電壓外環(huán)控制，其余各臺(tái)從機(jī)運(yùn)行在電流模式。主機(jī)電壓外環(huán)輸出的電流指令通過(guò)高速通信總線發(fā)送給各臺(tái)從機(jī)，主從機(jī)按照同一個(gè)電流指令執(zhí)行電感電流內(nèi)環(huán)控制。

4 對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證兩組制氫電源對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案的有效性，搭建兩組制氫整流電源單機(jī)（電源側(cè)和負(fù)載側(cè)都是額定功率為1 425 kW 的單臺(tái)制氫電源），4 機(jī)并聯(lián)（電源側(cè)和負(fù)載側(cè)都由4 個(gè)1 425 kW 的單元并聯(lián)）背靠背對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在恒壓、恒流以及恒功率3 種模式和直流輸出電壓250 ～820 V 的范圍內(nèi)，均可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的帶載運(yùn)行。

電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的4機(jī)并聯(lián)對(duì)拖平臺(tái)的額定功率、交直流電流以及功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 和表2 所示。表1 數(shù)據(jù)表明：由于兩組制氫電源的直流輸出相互連接，考慮線路上的損耗，電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的直流總電流和直流總功率大約一致；電源側(cè)的制氫電源處于整流模式，吸收電網(wǎng)能量，其交流功率呈正值；而負(fù)載側(cè)電源處于逆變模式，將能量回饋至電網(wǎng)，交流功率呈負(fù)值。這實(shí)現(xiàn)兩組制氫電源間的功率循環(huán)，電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的交流功率差值（5 833.6 ～5 575.7 kW）由電網(wǎng)補(bǔ)充，以維持系統(tǒng)功率平衡。同時(shí)，電源側(cè)和負(fù)載側(cè)的4 個(gè)并聯(lián)單元在交流側(cè)和直流側(cè)均展現(xiàn)出良好的并聯(lián)均流性能，證明制氫電源背靠背對(duì)拖實(shí)驗(yàn)方案的有效性與合理性。

表1 電源側(cè)制氫電源4 機(jī)并聯(lián)對(duì)拖平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 負(fù)載側(cè)制氫電源4 機(jī)并聯(lián)對(duì)拖平臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在兩組制氫電源單機(jī)對(duì)拖的實(shí)驗(yàn)條件下，輸出功率由10%Pn增加到100%Pn和由100%Pn降低至10%Pn的測(cè)試波形如圖5 所示。其中，額定功率Pn為1 425 kW，1 表示電網(wǎng)電壓，2 表示直流輸出電流，3 表示直流輸出電壓，4 表示電網(wǎng)電流。從圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)拖平臺(tái)對(duì)輸出功率快速變化的響應(yīng)時(shí)間在0.1 s 以內(nèi)，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖5 輸出功率在10%Pn 和100%Pn 之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試波形

5 結(jié) 論

文章針對(duì)現(xiàn)有制氫整流電源測(cè)試平臺(tái)的不足，提出一種成本低、效率高且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好的新型雙制氫電源背靠背對(duì)拖測(cè)試方案。通過(guò)對(duì)電源側(cè)和負(fù)載側(cè)關(guān)鍵技術(shù)及控制策略的深入分析，并結(jié)合背靠背對(duì)拖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)方案的有效性和實(shí)際應(yīng)用的可行性。該方案在減少能量損耗、降低運(yùn)行成本方面顯示出優(yōu)勢(shì)，為制氫整流電源的測(cè)試與優(yōu)化提供了一個(gè)高效、經(jīng)濟(jì)的方法。這項(xiàng)研究對(duì)推進(jìn)制氫整流電源技術(shù)進(jìn)步和提高系統(tǒng)整體性能有著重要的理論與實(shí)際價(jià)值。