本技術涉及制氫，尤其涉及一種制氫電源系統及其控制方法。

背景技術：

1、氫能是一種清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源和重要的工業原料。利用新能源進行供電，電解水制氫是一種較為方便的制取氫氣的方法，具有綠色環保、生產靈活、純度高等特點，是理想的綠色制氫生產方式。制氫電源作為連接電解槽和新能源電網的核心設備，其控制性能的優劣和可靠性將直接關系到整個制氫系統的效率和安全。

2、與此同時，隨著電解槽廠家工藝和技術水平的不斷提升，堿性電解槽的產氫量逐漸由1000nm3/h提升到3000nm3/h、5000nm3/h，電解槽的直流電壓和電流規格也不斷抬升，與電解槽適配的制氫電源輸出電壓電流等級也需要相應的提升。

3、在相關技術中，制氫電源技術方案會采用晶閘管整流、二極管整流+絕緣柵雙極晶體管（insulated?gate?bipolar?transistor，igbt）斬波、全igbt整流+斬波三種形式，其中晶閘管整流為一級拓撲結構，其余兩種均為兩級拓撲結構。當采用晶閘管方案進行整流供電時，除了向交流電網注入大量低次諧波和吸收大量無功功率外，其輸出直流電壓調節速度慢且含有大量電流紋波，影響電解槽制氫效率，不適合應用在綠電制氫領域。當采用兩級拓撲電路進行整流供電時，通常需要多條支路并聯供電來滿足電解槽的電流電壓需求，兩級拓撲電路存在交流轉直流（ac-dc）和固定的直流電壓變換成可變的直流電壓（dc-dc）兩個能量變化環節，多條支路同時供電，影響制氫電源的總體效率，特別是在電解槽產氫量較低的工況下。

4、鑒于此，為促進大容量電解槽在綠氫領域的推廣應用，亟須研究新的制氫電源拓撲方案，以滿足綠電制氫系統對高響應速度、高效率、高功率因數、寬輸出電壓電流范圍且涉網特性優異的制氫電源的需求。

技術實現思路

1、本技術的實施例提供一種制氫電源系統及其控制方法，以解決相關技術中為滿足電解槽使用需求采用多條支路供電影響制氫電源總體效率的問題。

2、為解決上述問題，本技術提供的技術方案如下：

3、第一方面，本技術提供一種制氫電源系統，包括：

4、交流變壓裝置，配置為將交流電網輸入的第一交流電壓進行變壓后分配輸出第二交流電壓；

5、調壓支路，與所述交流變壓裝置電連接，所述調壓支路配置為將所述第二交流電壓轉換調整得到第二直流電壓；

6、恒壓支路，與所述交流變壓裝置電連接，所述恒壓支路配置為將所述第二交流電壓轉換得到第一直流電壓；

7、投切裝置，配置為將所述調壓支路的輸出端與所述恒壓支路的輸出端串聯形成總輸出電壓輸出給電解槽；以及

8、儲能裝置，配置為接入所述總輸出電壓并與所述電解槽并聯；

9、其中，所述投切裝置還配置為根據所述電解槽的工作電壓調整接入的所述調壓支路和/或恒壓支路的數量。

10、在一實施例中，所述制氫電源系統包括一條調壓支路或兩條調壓支路，所述調壓支路包括：

11、第一交直流轉換器，配置為將所述第二交流電壓轉換為初始直流電壓；以及

12、直流變壓器，與所述第一交直流轉換器電連接，所述直流變壓器配置為將所述初始直流電壓調整得到所述第二直流電壓。

13、在一實施例中，所述直流變壓器包括：

14、斬波電路，配置為接入并調節所述初始直流電壓；以及

15、放電電路，與所述斬波電路電連接，所述放電電路配置為釋放所述斬波電路的電能；

16、其中，所述放電電路包括串聯的一個絕緣柵雙極晶體管與一個功率電阻。

17、在一實施例中，所述制氫電源系統包括多條恒壓支路，所述恒壓支路包括：

18、第二交直流轉換器，配置為將所述第二交流電壓轉換為第一直流電壓。

19、在一實施例中，所述投切裝置包括多條投切電路，多條所述投切電路與所述電解槽形成串聯，每條所述調壓支路和每個所述恒壓支路上均連接有一條投切電路；

20、所述投切電路包含正極輸入端、負極輸入端、正極輸出端和負極輸出端；

21、在相鄰的投切電路中，一條投切電路的負極輸出端連接另一條投切電路的正極輸出端。

22、在一實施例中，所述投切電路為機械式投切電路；或者

23、所述投切電路為通過控制絕緣柵雙極晶體管通斷實現投切的電子式投切電路。

24、在一實施例中，所述投切電路還包括：

25、旁路開關，連接在所述投切電路的正極輸入端與正極輸出端之間，和/或連接在所述投切電路的負極輸入端與負極輸出端之間；以及

26、雙極開關，所述雙極開關的第一端連接在所述投切電路的正極輸出端和負極輸出端之間。

27、在一實施例中，所述旁路開關和所述雙極開關具有相異的開關狀態。

28、在一實施例中，所述第一直流電壓和所述第二直流電壓滿足：

29、udc1=udc2=udc/（n+1），udc≥ups：

30、其中，udc1為所述第一直流電壓的恒定值，udc2為所述第二直流電壓的最大值，udc為所述總輸出電壓的最大值，n為所述恒壓支路的數量，ups為所述電解槽的工作電壓。

31、第二方面，本技術提供一種制氫電源系統的控制方法，通過第一方面任一實施例的制氫電源系統實現，包括：

32、升壓控制：將所述制氫電源系統的總輸出電壓從0提升至所述電解槽的工作電壓；

33、降壓控制：將所述制氫電源系統的總輸出電壓從所述電解槽的工作電壓降低至0；以及

34、調壓控制：將制氫電源輸出電壓由電解槽的初始工況電壓調節到目標工況電壓。

35、在一實施例中，所述調壓支路包括第一調壓支路和第二調壓支路。

36、在一實施例中，所述升壓控制的步驟包括：

37、所有所述調壓支路和所述恒壓支路均處于退出狀態；

38、當ups≤udc2時：將所述第一調壓支路或所述第二調壓支路的第一交直流轉換器和直流變壓器解鎖，處于解鎖狀態的調壓支路投入，將電解槽兩端的電壓逐步從0抬升至ups；

39、當ups>udc2且ups≤2udc2時：分別解鎖所述第一調壓支路和所述第二調壓支路的所述第一交直流轉換器和所述直流變壓器，第一調壓支路和所述第二調壓支路的輸出電壓為0；再將一條所述恒壓支路解鎖，輸出電壓為udc2；然后將所述第一調壓支路投入，把所述電解槽的兩端電壓逐步從0抬升至udc2；接著將所述第一調壓支路退出，將處于解鎖狀態的一條所述恒壓支路和第二調壓支路投入，處于解鎖狀態的一條所述恒壓支路輸出恒定電壓udc2，所述第二調壓支路逐漸將其輸出電壓由0抬升至ups-udc2，將電解槽兩端的電壓由udc2抬升至ups；將所述第一調壓支路的直流變壓器中的斬波電路閉鎖，通過放電電路將所述第一調壓支路的輸出電壓降低到0；

40、當ups>m*udc2且ups≤（m+1）*udc2（1<m≤n，m為整數）時，按照ups>udc2且ups≤2udc2時所述恒壓支路的投入方法和所述調壓支路的切換和投退方法，依次將所有所述恒壓支路投入和一條所述調壓支路投入，逐步將電解槽兩端電壓由0抬升至ups。

41、在一實施例中，所述降壓控制是將制氫電源輸出電壓由電解槽當前工況對應的電壓ups下降到0，所述降壓控制的步驟包括：

42、當ups≤udc2時：假設所述第一調壓支路處于解鎖和投入狀態，調節所述第一調壓支路的輸出電壓，將電解槽兩端電壓逐步從ups降低至0；

43、當ups>udc2且ups≤2udc2時，假設所述第二調壓支路和一條所述恒壓支路處于解鎖和投入狀態；首先將所述第一調壓支路解鎖并輸出電壓udc2；其次將所述第二調壓支路的輸出電壓由ups-udc2降低至0，將電解槽兩端電壓由ups降低至udc2；然后將處于解鎖和投入狀態的一條所述恒壓支路和所述第二調壓支路退出，所述第一調壓支路投入；接著調節第一調壓支路的輸出電壓，將電解槽兩端電壓由udc2降低至0；

44、當ups>m*udc2且ups≤（m+1）*udc2（1<m≤n，m為整數）時，按照ups>udc2且ups≤2udc2時所述恒壓支路的退出方法和所述調壓支路的切換和投退方法，依次將所述恒壓支路m~1退出和一條所述調壓支路投入，逐步將電解槽兩端電壓由ups降低至0。

45、在一實施例中，所述調壓控制的步驟包括：

46、假設制氫電源輸出當前電壓ups1所投入的所述恒壓支路數量為y，y=floor（ups1/udc2），確定制氫電源輸出目標電壓ups2所需投入的所述恒壓支路數量為z，z=floor（ups2/udc2），floor為向下取整算子；

47、當z=y時，調節當前處于解鎖狀態的所述調壓支路的輸出電壓，將電解槽兩端電壓由ups1調節至ups2；

48、當z>y時，按照所述升壓控制中所述恒壓支路投入方法和所述調壓支路的切換、投退和調節方法，將所述恒壓支路投入數量由y逐步增加至z，并調節處于解鎖狀態的所述調壓支路的輸出電壓，將電解槽兩端電壓抬升至ups2；

49、當z<y時，按照所述降壓控制中所述恒壓支路退出方法和所述調壓支路的切換、投退和調節方法，將所述恒壓支路投入數量由y逐步降低至z，并調節處于解鎖狀態的所述調壓支路的輸出電壓，將電解槽兩端電壓降低至ups2。

50、本技術實施例提供了一種制氫電源系統及其控制方法，該制氫電源系統包括交流變壓裝置，配置為將交流電網輸入的第一交流電壓進行變壓后分配輸出第二交流電壓；恒壓支路，與所述交流變壓裝置電連接，所述恒壓支路配置為將所述第二交流電壓轉換得到第一直流電壓；調壓支路，與所述交流變壓裝置電連接，所述調壓支路配置為將所述第二交流電壓轉換調整得到第二直流電壓；投切裝置，配置為將所述調壓支路的輸出端與所述恒壓支路的輸出端串聯形成總輸出電壓輸出給電解槽；以及儲能裝置，配置為接入所述總輸出電壓并與所述電解槽并聯；其中，所述投切裝置還配置為根據所述電解槽的工作電壓調整接入的所述調壓支路和/或恒壓支路的數量。通過上述方案，本技術根據電解槽的電阻負載特性，將制氫電源輸出功率容量等分，并根據電解槽的運行工況投入不同數量的功率支路，提高了制氫電源的運行效率，有利于滿足綠電制氫領域對大容量電解槽制氫電源的需求。