一种多接口变流器及其控制方法研究

0引言

制氢电源是一种可再生能源解决方案,通过使用可再生能源(如太阳能、风能等)来产生氢气,减少对化石燃料的依赖、减少温室气体的排放,从而减缓气候变化的影响。稳定的制氢电源是实现低碳经济转型的重要一环。

以风力发电和光伏发电为代表的波动性微电源具有间歇性和随机性,其输出功率波动会给电网和用户带来冲击,造成多方面不良影响^[1]。制氢电源的稳定运行可以降低电力中断的风险,稳定的制氢电源可以确保持续性地产生氢气,从而提供可持续的能源供应。本文对接口变流器拓扑及控制逻辑做了详细阐述,该设备通过控制各接口的投入/退出与功率增减来优化能量配置与保证供电稳定性。

1 设备及接入

多接口变流器主要由智能MPPT汇流接口、储能变流器PCS接口 (以下简称PCS)、制氢变流器DCDC接 口 (以下简称DCDC)、网侧变流器DCAC接口 (以下简称DCAC)这四个接口组成,具体组成及连接设备如图1所示。

在设备的工程应用中,MPPT接入汇流接口,电池组接入PCS,电解槽接入DCDC,变压器并网侧接入DCAC,正常运行时,汇流接口不参与各接口之间的协调控制。汇流端口为电源接口,为主要供电接口;PCS为储能端口,主要起到平衡离网运行模式下的直流母线电压与并网模式下的上下网电量的作用,以降低生产成本;DCDC接口为负载接口,用于给制氢车间供电;DCAC为并网接口,主要用于平衡直流母线电压,对汇流端口与DCDC间电能起到平衡作用。

2 系统设计

2.1 交流接口

考虑到光伏发电波动引起的短时供电不足,为减少下网电量'提高经济性'项目设计的光伏发电接入总容量大于制氢负载最大输出容量;考虑到夜间生产与供电的稳定性,设计了与光伏发电总容量相近的DCAC,DCAC一次图如图2所示。

DCAC具备直流侧、交流侧充电软启 自适应功能,在汇流接口与PCS同时退出运行时,DCAC仍能通过交流侧充电软启动投入运行。DCAC采用三相可控整流逆变技术,具有双向流动特性,支持设备连接的储能及光伏与电网间的电能双向流动^[2]。

2.2 DCDC与PCS接口

DCDC与PCS均采用多支路并联方式,如图3所示,项目中采用3桥臂+LC拓扑结构^[3];DCDC与PCS均采用载波移相控制方式降低纹波峰峰值^[4],如图4所示。

3控制逻辑

3.1 启动逻辑

启动逻辑如图5所示,MPPT接入电压到达阈值后DCAC直流侧充电开始启动,反之,交流侧充电开始启动,之后PCS投入运行、DCDC投入运行。

3.2 并网运行逻辑

DCAC接入电网,设备运行时,如果DCDC负荷大于汇流接口输入功率,当PCS接口无法平衡直流母线电压时,DCAC从电网吸电;如果DCDC负荷小于汇流接口输入功率,当PCS接口无法平衡直流母线电压时,DCAC向电网放电^[5];如果DCDC负荷等于汇流接口输入功率,这种情况对直流母线电压并不产生影响,这里不作讨论。并网运行逻辑如图6所示。

在并网运行模式下,优先调用PCS,使用该端口平衡直流母线电压与优化电力资源配置,减少DCAC 的下网电量,从而降低电费。

3.3 离网运行逻辑

当站内停电检修等需要断开并网点时,DCAC退出运行,此时设备进入离网模式运行,PCS通过恒压运行控制模式来达到母线电压稳定的目的;当PCS端口因输出容量或其接口的电池电量原因无法稳定直流母线电压时:如果DCDC输出负荷大于汇流接口输入功率,直流线电压降低至母线额定电压以下的 DCDC恒压模式的控制电压目标值时,DCDC主动降低其输出功率;当DCDC输出负荷小于汇流接口输入功率时,直流母线电压升高,MPPT自动降低功率或增加DCDC输出。离网模式下的运行逻辑如图7所示。

在离网模式下,除了多端口变流器本身的 自动控制,在制氢站内配置的项目灵活控制系统投入后,也可以根据光功率预测与生产计划提前介入,使用项 目的整体性生产协调储能端口,防止出现SOC的极端情况,提高生产的稳定与持续性。

4 实验验证

设备投入运行后电压、电流各项指标均满足相关标准要求,满足现场生产需要。图8为运行时网侧与直流侧的电压、电流波形,图9为集控后台画面,集控中心通过光功率预测及生产需求相结合方式,优化数据控制模型能量路径,协调控制多台制氢电源,在满足生产任务前提下减少下网电量,从而提高制氢生产的性价比。

5 结束语

项目应用中多接口变流器及其控制方法提高了连接效率和灵活性—多端口变流器可同时处理多个连接,这有助于减少设备的数量和复杂性,并提高系统整体的效率和灵活性;节省了成本—通过使用多端口变流器,可以减少设备和线缆的使用,从而节省资金和资源,并通过功率控制来优化能量配置与供电的稳定性,减少下网电量。

[参考文献]

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2025年第1期第3篇