本發明屬于一種制氫方法，具體涉及一種電解水制氫裝置及控制方法。

背景技術：

1、煤炭、石油、天然氣等化石能源的使用，作為重要能源的同時，也會產生大量的硫化物、氮化物和溫室氣體等污染環境的物質，會破壞生態環境。因此，能源結構必須加快轉型，利用清潔能源代替傳統化石能源是推進能源結構轉型的關鍵之處。近年來，新能源在電力系統中的重要作用得到明顯提升。但是，太陽能和風能等可再生能源位置分散，遠離用戶中心，具有間歇性和不確定性，而解決這一問題的最好辦法是就地開發與消納。

2、氫能是一種清潔、高效、便于儲存和傳輸的二次能源載體。利用光伏發電和風電進行電解水制氫，將電能轉換為易于存儲和傳輸的氫能能源，從而能夠實現電力的高效、綠色存儲。新能源制氫將新能源與氫能綜合利用，可以實現能源的綠色生產應用，解決當前光伏發電和風電的劣勢。

3、傳統的電解水制氫方案一般采用基于晶閘管和變壓器的整流器，這種方案諧波電流大，網側諧波污染嚴重，在實際使用時，還需要配備無功補償裝置來提高系統的功率因數，無法實現大功率制氫。

技術實現思路

1、本發明針對傳統的電解水制氫方案諧波電流大，網側諧波污染嚴重，以及無法實現大功率制氫的技術問題，提供一種電解水制氫裝置及控制方法。

2、為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

3、第一方面，本發明提出一種電解水制氫裝置，包括控制組件、變壓器、電解槽和n個三相電流源型整流單元，n為大于等于2的整數；

4、所述變壓器一次側連接外部交流電源，二次側分別連接各三相電流源型整流單元的輸入側；

5、各所述三相電流源型整流單元的輸出側分別連接電解槽；

6、所述控制組件，用于根據各三相電流源型整流單元輸入側的三相交流電壓、輸入側的三相交流電流、輸出側的直流電流，結合給定的流過電解槽的直流電流參考值，控制各三相電流源型整流單元中功率開關器件的通斷，以實現電解槽的電流控制。

7、進一步地，所述三相電流源型整流單元包括mosfet管q、兩個直流側平波電抗器ldc和兩個輸出交流斷路器qf2，以及依次連接的輸入交流斷路器qf1、lc濾波器和全控型整流橋臂；

8、所述輸入交流斷路器的輸入側連接變壓器二次側；

9、所述mosfet管q與全控型整流橋臂直流側并聯；

10、兩個所述直流側平波電抗器ldc的一端均與全控型整流橋臂相連，另一端分別通過兩個所述輸出交流斷路器qf2與電解槽相連；

11、所述電解槽與直流母線相連。

12、進一步地，所述控制組件包括采樣單元、中央控制單元和n個模塊控制單元；

13、所述采樣單元，用于采集流過電解槽的直流電流，以及n個三相電流源型整流單元輸入側的三相交流電壓、輸入側的三相交流電流、輸出側的直流電流，并將n個三相電流源型整流單元輸入側的三相交流電壓、輸入側的三相交流電流和輸出側的直流電流分別發送至n個模塊控制單元，將流過電解槽的直流電流發送至中央控制單元；

14、所述中央控制單元，用于根據接收的流過電解槽的直流電流和給定的流過電解槽的直流電流參考值的差值，向n個模塊控制單元發送控制指令；

15、n個所述模塊控制單元，用于根據采集的對應三相電流源型整流單元輸入側的三相交流電壓、輸入側的三相交流電流和輸出側的直流電流，以及中央控制單元發送的控制指令，控制各三相電流源型整流單元中功率開關器件的通斷。

16、進一步地，所述控制組件還包括監測單元；所述監測單元，用于監測所述電解槽溫度數據和氫氣產生量數據，并發送至中央控制單元；

17、所述中央控制單元，還設置有電解槽溫度參考值和氫氣產生量參考值，根據接收的電解槽溫度數據和氫氣產生量數據情況，確定電解槽運行情況。

18、進一步地，所述中央控制單元還包括，用于通過采樣單元獲取各三相電流源型整流單元輸出側的直流電流，計算平均電流，作為各三相電流源型整流單元的電流給定參考值，發送給各三相電流源型整流單元，進行電流均衡控制。

19、進一步地，所述中央控制單元還包括，用于根據給定的流過電解槽的直流電流參考值，確定需要的三相電流源型整流單元的數量，并向各三相電流源型整流單元發送相應指令，控制接入電解水制氫裝置的三相電流源型整流單元數量。

20、第二方面，本發明提出一種電解水制氫控制方法，基于電解水制氫裝置，所述電解水制氫裝置包括控制組件、變壓器、電解槽和n個三相電流源型整流單元，n為大于等于2的整數；所述變壓器一次側連接外部交流電源，二次側分別連接各三相電流源型整流單元的輸入側；各所述三相電流源型整流單元的輸出側分別連接電解槽；

21、所述方法包括：

22、控制組件根據各三相電流源型整流單元輸入側的三相交流電壓、輸入側的三相交流電流、輸出側的直流電流，結合給定的流過電解槽的直流電流參考值，控制各三相電流源型整流單元中功率開關器件的通斷，以實現電解槽的電流控制。

23、進一步地，所述三相電流源型整流單元包括mosfet管q、兩個直流側平波電抗器ldc和兩個輸出交流斷路器qf2，以及依次連接的輸入交流斷路器qf1、lc濾波器和全控型整流橋臂；

24、所述輸入交流斷路器的輸入側連接變壓器二次側；

25、所述mosfet管q與全控型整流橋臂直流側并聯；

26、兩個所述直流側平波電抗器ldc的一端均與全控型整流橋臂相連，另一端分別通過兩個所述輸出交流斷路器qf2與電解槽相連；

27、所述電解槽與直流母線相連。

28、進一步地，所述控制各三相電流源型整流單元中功率開關器件的通斷，包括：

29、對每個三相電流源型整流單元執行以下步驟：

30、s1，采集k時刻輸入側的三相交流電壓us(k)、輸入側的三相交流電流is(k)和輸入側的交流電容電壓uc(k)，結合k-1時刻全控型整流橋臂中各功率開關器件的通斷，得到k時刻全控型整流橋臂的橋臂輸入電流ii(k)；

31、所述輸入側的交流電容電壓uc(k)采集自lc濾波器中的電容c與全控型整流橋臂之間；

32、s2，根據us(k)、is(k)、uc(k)和ii(k)，預測k+1時刻輸入側的三相交流電流is(k+1)和輸入側的交流電容電壓uc(k+1)，并認為k+1時刻輸入側的三相交流電壓us(k+1)等于us(k)；

33、s3，根據全控型整流橋臂中各功率開關器件的通斷與全控型整流橋臂的橋臂輸入電流對應關系，得到k+1時刻全控型整流橋臂的橋臂輸入電流ii(k+1)，結合us(k+1)、is(k+1)和uc(k+1)，預測k+2時刻輸入側的三相交流電流is(k+2)

34、s4，獲取輸出側的直流電流idc，與給定的流過電解槽的直流電流參考值作差，經pi控制器得到直流電壓參考值udc*，再與idc相乘得到有功功率參考值pref，并將無功功率參考值qref設置為0；

35、s5，根據瞬時功率理論，計算k+2時刻輸入側的三相交流電流參考值is*(k+2)；

36、s6，建立使輸入側的三相交流電流正弦化的代價函數g，選擇代價函數最小值對應的功率開關器件通斷序列，驅動功率開關器件的通斷。

37、進一步地，還包括步驟s7：當所有功率開關器件均斷開時，觸發mosfet管q開通。

38、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

39、1.本發明提出一種電解水制氫裝置，包括n個并聯的三相電流源型整流單元，有效解決了網側諧波電流大的問題，功率因數高，傳輸效率好，可以滿足大功率制氫的需求。另外，通過控制組件，能夠實現并聯三相電流源型整流單元的恒流控制，以及單個三相電流源型整流單元的功率因數控制，可實現大規模交流微網制氫，具有高電能質量、高穩定性、高功率等級的特點。

40、2.本發明三相電流源型整流單元中設置輸入交流斷路器和輸出交流斷路器，在任一三相電流源型整流單元發生故障時，可以進行在線旁路，提高電解水制氫的運行可靠性。另外，采用全控型整流橋臂，提高了整個制氫裝置的電源容量，同時提高了制氫裝置中電源側的功率因數。采用mosfet管代替傳統的二極管，降低了整個裝置的系統損耗，使本發明的裝置能夠適用輸出低壓大電流的場合。

41、3.本發明能夠對電解槽溫度和氫氣產生量進行監測，避免其因故障超出相應參考值，進一步提高了裝置的安全可靠性。

42、4.本發明能夠對并聯的各三相電流源型整流單元進行均流控制，提高了電源側的質量，且有利于提高制氫效率。

43、5.本發明能夠對三相電流源型整流單元進行冗余控制，使三相電流源型整流單元的運行的數量處于最符合實際需要的狀態，進而提高了整個制氫裝置的效率。

44、6.本發明還提出了一種電解水制氫控制方法，基于上述電解水制氫裝置，具備上述電解水制氫裝置的全部優勢，解決了現有電解水制氫方法存在的諧波電流大，網側諧波污染嚴重，以及無法實現大功率制氫的問題。

45、7.本發明采用兩步預測方法對三相電流源型整流單元進行控制，第一，在采樣頻率較高的情況下，不會因為兩個相鄰時刻接近導致控制精度變差，第二，解決了因計算時間延遲導致的預測精度降低的問題，第三，兩步預測也不會帶來過多的計算負擔。