一种面向中压直流母线的大功率制氢变换器及其控制方法

本发明属于电力电子变换，尤其涉及一种面向中压直流母线的大功率制氢变换器及其控制方法。

背景技术：

1、随着“双碳”目标的推进和风电、光伏等可再生能源装机容量的快速增长，电力系统中新能源出力的随机性、间歇性和波动性日益突出。电解水制氢能够将富余可再生电能转化为氢能，实现电能向化学能的长期储存与跨领域利用，是提高新能源消纳能力和构建低碳能源体系的重要技术路径。作为新能源电源与电解槽之间的关键接口，电力电子变换器需要将波动的新能源电能转换为满足电解槽需求的低压大电流直流电。现有技术中，制氢用dc/dc变换器主要分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型变换器中，交错并联型buck变换器适用于制氢场景，采用交错并联技术可提升输出电流能力并具有一定的故障容错性。隔离型变换器方面，传统单相全桥、移相全桥等拓扑结构成熟，通过引入高频变压器可实现电气隔离和电压匹配；双有源桥（dab）变换器可提供较高的电压转换比；三相全桥结构能够分散功率，降低单相功率器件和变压器的电流负担；三电平拓扑（如npc三电平）可将开关管电压应力降低至母线电压的一半。上述现有技术已在不同应用场景中得到广泛研究和应用。

2、然而，现有技术仍存在以下不足。第一，传统单相全桥、移相全桥等隔离型变换器在高输入电压和大功率条件下，单个桥臂、单台变压器及二次整流器承担的电流较大，功率器件电压和电流应力集中。第二，两电平三相全桥虽然能够分散功率，但开关器件仍需承受较高母线电压。第三，交错buck结构难以直接提供高频隔离，且在数百伏高压母线下器件耐压和占空比设计受限。第四，现有隔离型制氢变换器在低压大电流输出侧，单个二极管、二次绕组和输出电感承受的电流应力较大。第五，现有变换器的输出电流纹波会不断冲击电解槽内部，造成电解槽寿命缩短和制氢效率降低。第六，现有中点钳位型多电平变换器的中点电位平衡多依赖调制策略自身实现，控制复杂度较高，难以在各种工况下兼顾中点平衡与输出调节。第七，现有变换器的软开关实现往往依赖复杂的谐振电路或额外的辅助开关，增加了系统成本和控制难度。因此，亟需一种能够兼顾高压输入和低压大电流输出需求、降低功率器件电压和电流应力、同时具备低输出纹波和高可靠性的制氢用隔离型dc/dc变换器方案。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向中压直流母线的大功率制氢变换器及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种面向中压直流母线的大功率制氢变换器，包括：

3、三相npc三电平桥、三相高频隔离变压器和电流三倍整流器，所述三相npc三电平桥的直流输入端用于连接中压直流母线，所述三相高频隔离变压器的一次侧与所述三相npc三电平桥的交流输出端连接；

4、所述电流三倍整流器包括三个中心抽头全波整流支路，每个所述中心抽头全波整流支路包括两只整流二极管和一个输出滤波电感，三个所述中心抽头全波整流支路的三个中心抽头公共连接后作为输出负极端，三个所述输出滤波电感的输出端公共连接后作为输出正极端；

5、所述三相npc三电平桥的每相桥臂包括四只主开关管和两只钳位二极管，所述三相npc三电平桥的直流输入端设置有由两个串联连接的分裂母线电容构成的分裂直流母线，两个所述分裂母线电容的公共端作为所述三相npc三电平桥的钳位中点。

6、优选地，还包括中点电位平衡装置，所述中点电位平衡装置由上开关管、下开关管和平衡电感组成，所述上开关管的一端连接所述分裂直流母线的正母线，所述上开关管的另一端连接所述下开关管的一端，所述下开关管的另一端连接所述分裂直流母线的负母线，所述平衡电感连接在所述上开关管与所述下开关管的公共端和所述钳位中点之间。

7、优选地，所述三相npc三电平桥的每相桥臂的交流输出端与所述三相高频隔离变压器的一次侧之间串联连接有电感元件，所述电感元件为所述三相高频隔离变压器的漏感与外加串联电感的等效电感。

8、优选地，所述三相高频隔离变压器由三台单相高频变压器组成，每台所述单相高频变压器具有一个一次侧绕组和两个二次侧半绕组，所述三相高频隔离变压器的一次侧采用星形连接，二次侧也采用星形连接。

9、优选地，每个所述中心抽头全波整流支路中，两只所述整流二极管的阳极分别连接对应的所述单相高频变压器的两个二次侧半绕组的外端，两只所述整流二极管的阴极公共连接后与对应的所述输出滤波电感的输入端连接。

10、优选地，所述输出正极端与所述输出负极端之间并联连接有公共输出电容，所述公共输出电容用于与电解槽并联连接。

11、第二方面，本发明提供了一种面向中压直流母线的大功率制氢变换器的控制方法，应用于第一方面所述的面向中压直流母线的大功率制氢变换器，包括以下步骤：

12、步骤一：向各相桥臂施加相同的对称占空比脉宽调制信号，各相桥臂的脉宽调制信号依次错开120°相位角，每相桥臂的内侧开关以固定占空比互补运行，外侧开关在正半周期和负半周期分别产生有功脉冲；

13、步骤二：采集输出电压，将所述输出电压与给定电压比较后经比例积分运算，输出总电流给定值；

14、步骤三：采集三个所述中心抽头全波整流支路的支路电流，将三个所述支路电流之和与所述总电流给定值比较后经比例积分运算，调节所述占空比；

15、步骤四：采集上电容电压和下电容电压，当所述上电容电压与所述下电容电压不等时，控制中点电位平衡装置的上开关管或下开关管动作，使能量在上下电容之间转移直至电压相等。

16、进一步地，所述步骤一中，所述内侧开关的固定占空比为50%，所述外侧开关产生有功脉冲的宽度为dts/2，其中d为占空比，ts为开关周期。

17、进一步地，所述步骤三中，当电解槽电流达到预设上限值时，优先执行电流限幅，允许所述输出电压暂时低于所述给定电压。

18、进一步地，方法还包括软开关协调步骤：采集各相桥臂的原边电流极性、换流电流幅值和开关管开通前的集电极-发射极电压状态；根据所述原边电流极性选择换流顺序；根据所述换流电流幅值调节死区时间；当所述换流电流低于自然零电压开通阈值时，保持所述占空比的平均值不变并延长零电平停留时间。

19、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

20、本发明中三相npc三电平桥的每相桥臂包括四只主开关管和两只钳位二极管，直流输入端设置有由两个串联连接的分裂母线电容构成的分裂直流母线，两个分裂母线电容的公共端作为钳位中点。基于上述结构，每相桥臂的交流输出端可被钳位至正母线电平、中点电平和负母线电平三种状态之一。在该三电平工作模式下，每只主开关管关断时仅承受直流母线总电压的一半，即单个分裂母线电容两端的电压，而非全母线电压。因此，开关管的电压应力相较于两电平结构显著降低。

21、本发明中三相npc三电平桥为三相桥臂结构，其交流输出端连接三相高频隔离变压器的一次侧，将总传输功率分配至三个相位互差120°的桥臂和三相变压器中。相较于单相全桥结构，单个桥臂和单台变压器仅需承担总功率的三分之一，前级功率开关器件和变压器绕组的电流应力得到有效降低。

22、本发明中电流三倍整流器包括三个中心抽头全波整流支路，每个支路包括两只整流二极管和一个输出滤波电感，三个中心抽头公共连接后作为输出负极端，三个输出滤波电感的输出端公共连接后作为输出正极端。该结构使得负载总电流在三个整流支路之间自然分配，每个支路中的整流二极管仅承担约总电流三分之一的平均电流，单个二极管的电流应力相较于单路全波整流结构显著降低。

23、本发明中三相高频隔离变压器的一次侧与三相npc三电平桥的交流输出端连接。该变压器实现变换器输入侧与输出侧之间的电气隔离，同时通过一次侧绕组与二次侧绕组的匝数比配置实现电压匹配与降压，满足制氢场景对电气安全和电压转换的需求。

24、本发明中三个中心抽头全波整流支路各自独立配置一个输出滤波电感，三个输出滤波电感的输出端公共连接后作为输出正极端。三个滤波电感分别对各支路的脉动整流电压进行滤波，汇流后向负载供电，利用多个支路滤波电感的共同作用对输出电流进行平滑。

25、本发明中三个中心抽头全波整流支路均由整流二极管构成，二次侧无需设置任何有源开关器件。该无源整流拓扑无需配置二次侧开关器件的驱动电路，控制结构简单，且二极管器件本身具有较高的耐受过流冲击能力，有利于提高系统在低压大电流工况下的运行可靠性。