IGBT開關(guān)斬波整流技術(shù)在水電解制氫中的應(yīng)用

孔衛(wèi)江，楊金彭，魏燦，史鐵，李潔

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所, 河北邯鄲，056000）

0 引言

某項(xiàng)目生產(chǎn)線現(xiàn)有一臺(tái)產(chǎn)氣量為1000Nm3/h，設(shè)計(jì)壓力為2.0MPa的堿性水電解制氫裝置。電解槽額定直流電壓：330V，直流電流:DC13KA。為滿足制氫裝置對(duì)大功率高精度整流電源的要求，提出一種基于IGBT開關(guān)斬波的13KA/330V的單機(jī)大功率高精度整流電源技術(shù)。采用模塊單元化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于不同功率等級(jí)要求的制氫裝置，可通過改變模塊單元數(shù)量來滿足使用。同時(shí)可避免重復(fù)性技術(shù)開發(fā)為項(xiàng)目量產(chǎn)和擴(kuò)容提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

如圖1電氣原理圖所示，由三相AC10KV/50Hz交流供電，采用IGBT開關(guān)斬波整流技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高、對(duì)電網(wǎng)諧波分量小的特點(diǎn)。

12脈波整流單元由2個(gè)6500A/380V的三相整流橋并聯(lián)，并聯(lián)后直流輸出13000A/330V的直流母線電源。三相AC10KV交流電經(jīng)三相工頻隔離整流變壓器降為AC282V的交流電壓，通過快速熔斷器后送入前級(jí)12脈波整流單元整流，整流后直流母線電壓可達(dá)DC380V，為后級(jí)由66個(gè)200A/330V的DC/DC斬波整流單元模塊提供直流母線電壓。66個(gè)斬波整流單元模塊的直流輸入側(cè)并聯(lián)，直流輸出側(cè)經(jīng)直流濾波后并聯(lián)，共直流輸出母線。

2 主要電氣元件設(shè)計(jì)參數(shù)介紹

■2.1 工頻隔離整流變壓器單元設(shè)計(jì)選型

如圖2所示，工頻隔離整流變壓器采用d/d和d/y聯(lián)結(jié)組別，構(gòu)建12脈波整流系統(tǒng)，可減少整流電源系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波污染，實(shí)現(xiàn)綠色用電降低網(wǎng)側(cè)線路損耗[3]。

■2.2 12脈整流單元主要電氣元件設(shè)計(jì)選型

12脈功率整流單元由2個(gè)三相橋式硅二極管整流器并聯(lián)組成，輸出為12脈波。每個(gè)三相橋式功率整流單元主電路主要由快速熔斷器和三相整流橋二極管組成。每個(gè)整流橋直流輸出為6500A/380V。

2.2.1 整流二極管元件設(shè)計(jì)選型

單個(gè)整流橋直流輸出額定電流6500A，額定電壓為DC380V。根據(jù)三相整流橋電路的工作原理可知，通過每個(gè)二 極 管 整 流 橋 的 電 流 為0.577 ×Id= 0.577 × 6 500 = 3 751A?？紤]電源裝置的冷卻方式為水冷，水冷系數(shù)取0.85，所以二極管整流元件應(yīng)選擇大于3751A/0.85 = 4 413A，工程設(shè)計(jì)一般按照大于1.5-2倍電流選型，因此設(shè)計(jì)選型為6500A-9000A的二極管元件。元件電壓取值以直流母線額定電壓380V進(jìn)行計(jì)算，工程設(shè)計(jì)一般按照大于2-3倍電壓選型。因此設(shè)計(jì)選型為1200V的二極管元件。綜上，整流二極管設(shè)計(jì)選型為2只4500A/1200V，滿足使用要求，且具有較大的安全工作余量，系統(tǒng)設(shè)備可過載1.2倍額定電流安全運(yùn)行。

圖1 IGBT斬波整流電路原理圖

圖2 IGBT斬波整流電路電氣原理圖

2.2.2 快速熔斷器設(shè)計(jì)選型

快速熔斷器安裝在整流變壓器二次側(cè)與整流橋連接的交流母線上，通過交流母線的最大工作電流IL= 0.816 ×Id= 0.816× 6 500 = 5 304A?？焖偃蹟嗥髟陔娐分械淖饔檬窃诤蠹?jí)整流橋或斬波單元出現(xiàn)短路的情況下，需要快速切斷交流供電電源，因此設(shè)計(jì)考慮1.5倍電流時(shí)，快速熔斷器能夠可靠的正常工作而不被熔斷，因此設(shè)計(jì)選型1.5 ×IL= 1.5× 5 304 = 7 956A。電路中交流電壓為AC282V，因此可選用690V耐壓等級(jí)的快速熔斷器。

2.2.3 均流平衡濾波器電抗器設(shè)計(jì)選型

均流濾波平衡電抗器Lp在電路中的作用是起濾波和均流的作用[4]。設(shè)計(jì)選型為LP? 2 × 6 500A/ 0.1mH,可滿足直流母線文波電壓小于1%的技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

■2.3 DC/DC斬波整流電路設(shè)計(jì)選型計(jì)算

DC/DC斬波整流單元如圖3所示，共計(jì)66個(gè)斬波整流單元模塊并聯(lián)組成，每個(gè)斬波整流單元模塊直流輸出200A/330V。IBGT斬波整流單元模塊是一個(gè)典型的BUCK降壓斬波電路，直流輸入經(jīng)IGBT開關(guān)斬波，高頻濾波電感濾波后輸出0-330V連續(xù)可調(diào)的直流電源，每個(gè)模塊輸出額定電流200A。單元主控制通過電流和電壓反饋閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)單元模塊的恒流限壓輸出控制，滿足電解制氫整流對(duì)電源的控制要求[5]。

圖3 斬波整流模塊

■2.4 直流輸出電流傳感器設(shè)計(jì)選型計(jì)算

為了滿足直流輸出電流信號(hào)采集要求，直流輸出電流信號(hào)采集選用霍爾電流傳感器。系統(tǒng)總輸出電流為6300A，考慮系統(tǒng)過載1.2倍的設(shè)計(jì)要求?？傠娏鱾鞲衅鬟x擇為8000A/0-100mA的霍爾電流傳感器[6]。

■2.5 直流輸出電壓傳感器設(shè)計(jì)選型計(jì)算

為了滿足直流輸出電壓信號(hào)采集要求，直流輸出電壓信號(hào)采集選用霍爾電壓傳感器。系統(tǒng)額定輸出電壓為550V，考慮系統(tǒng)控制精度的設(shè)計(jì)要求，總電壓傳感器選擇400V/0-500mA的霍爾電壓傳感器。

3 電源的操作與控制功能設(shè)計(jì)

■3.1 電源的操作與控制功能設(shè)計(jì)說明

整流電源的操作與控制具有遠(yuǎn)程與就地控制兩種方式，就地控制操作在本機(jī)觸摸屏上進(jìn)行操作控制，遠(yuǎn)程操作控制通過以太網(wǎng)通信接口進(jìn)行操作。

■3.2 電源的操作與控制功能主要包括以下幾個(gè)操作控制功能：

（1）待機(jī)操作：手動(dòng)控制開關(guān)給電，若經(jīng)檢測正常，電源進(jìn)入“待機(jī)”模式。

（2）開機(jī)操作：由本機(jī)或者遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)送出開機(jī)指令，電源執(zhí)行開機(jī)操作，順利開啟，進(jìn)入“運(yùn)行”模式。

（3）關(guān)機(jī)操作：當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出“關(guān)機(jī)”指令后，電源執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，從“運(yùn)行”模式進(jìn)入“待機(jī)”模式。

（4）復(fù)位操作：清除檢測到的故障，使電源由“故障”模式返回到“待機(jī)”模式，本地設(shè)置復(fù)位按鈕。

（5）急停操作：電源單元柜急停按鈕按下操作時(shí)，電源斷開主回路供電，電源停止工作。

4 整流電路主要顯示參數(shù)設(shè)計(jì)

IGBT開關(guān)斬波整流電路的人機(jī)交互界面選用12”觸摸屏進(jìn)行顯示，其具體顯示參數(shù)如下：

（1）配電指示：采用紅色指示燈，亮點(diǎn)表示有電滅燈表示無電。

（2）電源運(yùn)行/待機(jī)狀態(tài)指示：綠色指示燈，亮燈表示電源處于運(yùn)行狀態(tài)，滅燈表示電源處于待機(jī)狀態(tài)。

（3）電源故障指示：黃色指示燈，燈亮表示電源處于故障狀態(tài)。

（4）故障報(bào)警指示：采用聲光報(bào)警器，當(dāng)電源處于故障狀態(tài)時(shí)（交流電源缺相、模塊故障、水溫過高、水壓過低/高等），用于報(bào)警指示。

（5）可動(dòng)態(tài)顯示整流電源輸出的電流-時(shí)間曲線，電壓-時(shí)間曲線，功率-時(shí)間曲線等。

（6）電壓、電流、功率等歷史曲線可用于存儲(chǔ)與查閱。

5 結(jié)束語

針對(duì)大功率水電解制氫裝置對(duì)直流電源高穩(wěn)定性、高精確度的要求[7]，本文提出了一種基于IGBT開關(guān)斬波的整流技術(shù)并對(duì)其電氣原理進(jìn)行了介紹。對(duì)電路中關(guān)鍵部分電氣元件選型進(jìn)行了詳細(xì)的說明與計(jì)算，各電氣參數(shù)均保留了足夠的安全裕量，以保證電路正常運(yùn)行。

介紹了直流電源的操作流程，并對(duì)電源運(yùn)行中顯示內(nèi)容與參數(shù)進(jìn)行了說明。該電源采用模塊化單元，除具有恒流限壓功能外，還具有精度高、經(jīng)濟(jì)性好、響應(yīng)速度快、對(duì)電網(wǎng)注入的諧波分量小的特點(diǎn)，同時(shí)具有可靠性高、易于維護(hù)、方便快捷等顯著特點(diǎn)，可大大提高制氫設(shè)備長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。