某小電流電解槽的整流方式選擇論證

趙 贏

(上海電氣工程設(shè)計有限公司 上海 202106)

0 前 言

某一電廠擬新建一座制氫站，制氫設(shè)計規(guī)模為200 Nm3/h(按PEM純水電解技術(shù))，主要利用廠用余電及煤棚頂光伏發(fā)電電解水制成氫氣。

1 整流方案

電解槽大功率供電大多采用可控硅(晶閘管)(晶閘管)進行整流，利用觸發(fā)角和晶閘管的導通特性組成整流電路，將交流電壓變成所需的直流電壓供負載用。但對于一些小電流的電解槽，整流方案也可以選擇IGBT開關(guān)電源整流方式。本項目電解槽電流較小，直流電流為1 800 A，直流電壓為280 V，屬于小電流電解槽，因此選用IGBT開關(guān)電源整流方式。

1.1 方案一：可控硅(晶閘管)(晶閘管)(SCR)整流

通過整流變壓器利用晶閘管的單向?qū)ㄐ阅軐⒔涣麟娮優(yōu)樗柚绷麟娨怨╇娊獠壑绷麟姷男枰?。本項目采?臺三相橋6脈波通過變壓器移相形成 24 脈的方式進行整流。

(1)本項目采用的整流柜的技術(shù)參數(shù)見表1及表2：

表1 變壓器主要技術(shù)參數(shù)

(續(xù)表1)

表2 整流器主要技術(shù)參數(shù)

(2)典型三相橋式全控整流電路

對于大功率的整流電路需要采用三相整流電路，因為大功率的交流電源是三相供電形式。圖1是一個典型的三相相橋式全控整流電路，它有六個晶閘管，將VT1、VT3、VT5的陰極接到三相電源，接成共陰極形式；VT2、VT4、VT6的陽極聯(lián)接在一起成為直流電的負極接成共陽極形式，而三相橋式整流電路由陰極型整流組與陽極型整流組串聯(lián)組成。

圖1 典型三相橋式全控整流電路

(3)SCR三相橋式全控整流電路工作原理

在交流電源的一個周期內(nèi)，晶閘管在正向陽極電壓作用下不導通的電角度稱為觸發(fā)角，用α表示。在三相可控整流電路中，觸發(fā)角的起點，不是在交流電壓過零點處，而是在自然換相點，即三相相電壓的交點。當晶閘管觸發(fā)角α=0時，對于共陰極組的三個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最高的一個導通，對于共陽極組的三個晶閘管，則是陽極所接交流電壓值最低的一個導通，這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組各有1個晶閘管處于導通狀態(tài)，施加于負載上的電壓為某一線電壓。

為便于分析，假設(shè)所帶負載為純阻性負載，輸入電壓的瞬時值表達式：(其中UM為電壓最大值)

UA=UMsin(wt)

UB=UMsin(wt+120°)

UC=UMsin(wt+240°)

三相橋式全控整流電路晶閘管導通的規(guī)律如下，如圖2所示：

時間段Ⅰ：此時間段a相電位最高，所以共陰極的晶閘管VT1被觸發(fā)導通，b相電位最低，所以共陽極的晶閘管VT4被觸發(fā)導通。這時電流從a相經(jīng)VT1流向負載再經(jīng)VT4流入b相。變壓器a,b兩相工作，共陰極的a相電流為正，共陽極的b相電流為負。加在負載上的整流電壓ud=uab(即為線電壓)。在此后60°期間，VT1和VT4保持導通，此輸出保持60°。

時間段Ⅱ：此時間段a相電位最高，晶閘管VT1仍然導通，但c相電位變?yōu)樽畹?，當?jīng)過自然換相點時觸發(fā)c相晶閘管VT6，電流從b相換到c相，VT4承受反相電壓而關(guān)斷。這時電流從a相經(jīng)VT1流向負載再經(jīng)VT6流入c相。變壓器a,c兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=uac。

時間段Ⅲ：此時間段b相電位最高，當經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)晶閘管VT3,電流從a相換到b相，c相晶閘管VT6因電位仍然最低而繼續(xù)導通。變壓器b,c兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=ubc。

時間段Ⅳ：此時間段b相電位最高，晶閘管VT3仍然導通, 但a相電位變?yōu)樽畹?，當?jīng)過自然換相點時觸發(fā)a相晶閘管VT2，電流從b相換到c相，VT6承受反相電壓而關(guān)斷。這時電流從b相經(jīng)VT3流向負載再經(jīng)VT2流入a相。變壓器b,a兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=uba

時間段Ⅴ：此時間段c相電位最高，當經(jīng)過自然換相點時觸發(fā)晶閘管VT5，電流從b相換到c相，a相晶閘管VT2因電位仍然最低而繼續(xù)導通，變壓器c,a兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=uca。

時間段Ⅵ：此時間段c相電位最高，晶閘管VT5仍然導通，但b相電位變?yōu)樽畹?，當?jīng)過自然換相點時觸發(fā)b相晶閘管VT4，電流從a相換到b相，VT2承受反相電壓而關(guān)斷。這時電流從c相經(jīng)VT5流向負載再經(jīng)VT4流入b相。變壓器c,b兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=ucb。

時間段Ⅶ：此時間段又變成a相電位最高，b相電位最低，這時電流從a相經(jīng)VT1流向負載再經(jīng)VT4流入b相。變壓器a,b兩相工作,電路狀態(tài)不斷重復。加在負載上的整流電壓ud=uab。

當α>0時，品閘管導通要推遲α角,但品閘管的觸發(fā)、導通順序不變。

圖2 三相橋式全控整流電路α=0時的波形

(4)整流電路的移相

電解槽等大電流整流裝置中常采用多臺整流電源并聯(lián)供電，以滿足工藝對電流的要求，為了減小諧波要求(可控硅(晶閘管)整流各脈波的諧波含量如表3所示)，各臺變壓器一次繞組均采用曲折接法，使各臺整流變壓器二次繞組的輸出電壓有不同的移相角，以使并聯(lián)后總輸出直流電流為多脈波電流。

對于一個由若干臺整流變壓器并聯(lián)運行的整流系統(tǒng)來說,其整流變壓器的移相一般都具有對稱性。也就是說,一個整流系統(tǒng)中總是需要有二臺或二臺以上的移相角度大小相等,方向相反的移相整流變壓器并聯(lián),以達到多相整流的目的。比如,由二臺單機6相,分別移相±15°的整流變壓器可組成等效12相整流，以此類推。

本項目采用單機6脈波整流變壓器，單臺變壓器網(wǎng)測分別移相±7.5和±15，采用4臺6脈波合成等效24脈波，如圖3所示。在 4 臺電解槽額定輸出、同時工作且負載一致的情況下，電流諧波約小于 8%(理論值)。

表3 可控硅(晶閘管)整流各脈波的諧波含量(理論值)

圖3 4臺6脈波合成等效24脈波

1.2 方案二： IGBT開關(guān)電源整流方式

本項目采用電力變壓器，將廠用電6 KV輸入變?yōu)?80 V，作為IGBT開關(guān)電源的輸入，IGBT開關(guān)電源整機總共包括10個高頻開關(guān)電源功率模組，每個功率模組均可提供穩(wěn)定的直流，10 個模組提供 1 800 A300 V 輸出電流。如圖4 所示：

圖4 開關(guān)電源系統(tǒng)示意框圖

高頻開關(guān)電源模塊由功率電路和控制系統(tǒng)兩部分組成, 其中功率電路由輸入全波整流濾波電路、高頻功率逆變電路、高頻變壓器、輸出整流電路等部分組成, 控制系統(tǒng)由DSP控制板、電壓/電流采集電路、存儲器等部分組成?？刂齐娐分饕ǎ阂愿咝阅蹹SP芯片為核心的主控制器、IGBT 驅(qū)動電路、信號采樣電路、過熱保護電 路、觸摸屏人機界面、遠控模擬信號及開關(guān)量輸入輸出電路等。

(1)電源模塊電氣原理

電源模塊硬件電路主要由兩部分組成：主電路和控制電路。其中主電路主要包括：整流電路、雷擊浪涌及濾波電路、全橋高頻逆變電路、超微晶高頻變壓器、次級全波整流電路等。功率電路單元采用高頻PWM變換技術(shù)，采用軟開關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)直流輸出。功率模塊主電路原理如圖5所示：

圖5 功率模塊控制系統(tǒng)框圖

(2)整流電路

輸入整流電路有三相全控橋式整流、PWM 整流、三相不控整流等幾種方式，綜合考慮功率因數(shù)、對電網(wǎng)的諧波污染、控制策略的難易程度以及開發(fā)成本等因數(shù)，電源采用三相不控橋式整流的方式得到中間直流電壓，三相不控橋式整流電路采用三相整流橋模塊。

(3)諧波

因IGBT形式諧波含量相對比較高，THDi約為25～30%，可通過將使用24脈波電力變壓器或額外增加濾波裝置的方式，減小諧波含量。

2 整流方案的分析比較

如表4所示：

表4 整流方案分析表

3 總 結(jié)

整流方式的選擇是電解槽供電的重要組成部分，綜合兩種方案在技術(shù)和經(jīng)濟方面的比較，方案一在可靠性和經(jīng)濟性上略高于方案二，性價比相對比較高，但方案二總空間占用面積相對較小。基于本項目是示范類工程，采用結(jié)構(gòu)簡單、維護工作量小、耐用程度高的方案會降低電廠投資的風險，因此本項目推薦采用方案一，即可控硅(晶閘管)(SCR)整流方式。