多重化大容量制氢电源的研究

刘教民,李建文,崔玉龙,王震洲,孙 伟

(1.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定 071003;3.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029;4.保定供电公司,河北保定 071051)

多重化大容量制氢电源的研究

刘教民1,2,李建文2,崔玉龙3,王震洲1,孙 伟4

(1.河北科技大学信息科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.华北电力大学电气与电子工程学院,河北保定 071003;3.北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029;4.保定供电公司,河北保定 071051)

针对传统的三相桥式晶闸管相控整流制氢电源的不足,提出新型不控整流桥加三相三重斩波电路的制氢电源主电路拓扑,采用DSP+FPGA设计了数字化整流电源控制器,具有多种故障保护功能、显示功能,开发出了多重化大容量制氢电源装置,仿真与现场运行状态良好。

三相三重斩波器;DSP+FPGA控制器;制氢电源;驱动保护电路

传统的制氢电源的主电路采用三相桥式晶闸管相控整流器[1]。这种相控整流器结构简单、成本较低、控制技术相对成熟,得到了广泛的应用。但这种相控整流器也有非常明显的缺点:控制电路中相序判断困难,触发脉冲同步一致性达不到要求精度,直流动态响应速度慢,直流滤波器件容量大、体积大。笔者将重点研究目前受到广泛关注的三相不控整流桥电路加三相三重斩波电路的大容量直流制氢电源,利用多重化的优异性提高容量,实现制氢电源的“绿色无污染”,利用DSP+FPGA数字化设计,以提高控制精度,使电源的整体性能有所提高。

1 新型制氢电源主电路拓扑

三相不控整流桥电路简单,不需要额外的控制电路。三相三重斩波电路中[2],3个斩波器输入、输出端并联,一方面有效减少了斩波总输入电流的高频纹波,另一方面可以在相同功率容量下,大大降低主开关的电流定额。新型制氢电源主电路拓扑见图1。V1,V2,V3是三重斩波电路中IGBT模块,L1,C2是输出滤波器。

图1 新型的制氢电源拓扑Fig.1 New hydrogen p roduction power supply topology

10 kV进线经变压器 T1降压,先通过三相二极管不控整流送入直流母线[3],再通过三重化DC-DC斩波电路滤波后,给负载直流电解槽供电。

三相三重斩波电路[4]是由3个降压斩波电路单元并联而成,输入电流为各可控开关的电流之和,谐波分量显著减小,总输出电流平均值为单元输出电流平均值的3倍,从而减少了开关器件的电流应力,脉动频率也为单个斩波电路单元的脉动频率的3倍,输出电流脉动频率提高,且电源电流的最大脉动率也是与相数的平方成反比,这使得由电源电流引起的感应干扰大大减小,滤波只需接上简单的LC滤波器就可充分防止感应干扰,平波电抗器的总质量大为减轻。斩波的开关频率在几到几百k Hz,从而有效减小了滤波元件(LC)的体积和质量,通过PWM控制可实时快速地实现驱动脉冲的调节。

采用多重斩波技术一方面提高系统容量,另一方面可有效减小每个IGBT开关器件的电流应力,使器件工作在允许的电流范围内,同时还可以减小输入电流中的高频谐波含量,并降低负载电解槽脉动。

主电路仿真图见图2。

图2 主电路仿真图Fig.2 Main circuit simulink waveform s

从仿真图2中可见,三相不控整流电路输出 ud为六脉动直流电,电压范围为460～540 V。通过三相三重斩波电路后,电压、电流的波动范围很小,电流范围为2 994.46～2 994.49 A,电压范围为500.075～500.080 V。

2 DSP+FPGA的智能控制

用数字化控制代替模拟控制,可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点,有利于参数整定和变参数调节,便于通过软件程序的改变方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略,同时可减少元器件数目、简化硬件结构,从而提高系统可靠性。

在此系统中检测到的负载电解槽的电压、电流信号通过信号调理电路,送入DSP的A/D转换引脚,在DSP内实现智能数字PID调节[5]后确定移相角的大小,输出PWM脉冲方波的占空比、输出频率两参数在DSP中都有相应的控制寄存器设定,从而可通过软件编程灵活地修改输出参数值,得到满足直流电源所需的PWM驱动波形;选通死区控制寄存器(DBTCONA),相应的死区时间便能灵活设置。

将DSP输出的PWM脉冲传送给FPGA,通过相应的分频和移相处理得到每个模块三路IGBT桥臂所需要的驱动脉冲信号,从而调节输出电压的高低。

当电源正常工作时,上述各个模块在时序控制器的作用下循环执行,输出各个管子的驱动控制信号。当检测电路检测到过流、过压、过热情况发生时,总的保护信号PROTECT便会有效,从而控制器的所有模块都将停止,驱动控制脉冲信号会被封锁,所有的功率器件将在2～3个工作周期关断,从而快速保护系统。

3 系统的总体设计与实验验证

DSP选用 TI公司的 TM S320F28335,FPGA使用的是 XIL INX公司 Spartan-3A FPGA系列XC3S50A,选用三菱的CM 2400HC-34N的IGBT模块,其额定电压为1 700 V,通态电流为2 400 A。

系统结构框图见图3。

图3 系统结构框图Fig.3 System structure picture

根据上述理论,制造出实验样机,在输出电压为500 V,电流为3 000 A时,图4为不控整流后电压ud1波形,图5—图9中曲线1为电解槽电压 ud波形,曲线2为电解槽电流id波形。

实验和现场使用结果表明:新型制氢电源电压与电流波动范围小于0.1%,启动时间为2 s。负载变化时调节时间为40 m s左右,故障保护延迟时间小于5 ms。恒流方式调节下,也会有同样的结果。从而可见新制氢电源在控制精度、启动、故障保护以及电压波动的调节速度上整体性能良好。

[1] 崔玉龙,何荣军,祁凤华.智能型制氢电源研究[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(1):52-55.

[2] 熊 新,梁 晖.兆瓦级风力发电变流系统多重斩波器研究[J].电力电子技术(Pow er Electronics),2006,40(5):47-49.

[3] 王一农,杜世俊,刘小宁.电容滤波型三相桥式整流电路的电压分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版)(Journal of Hefei University of Science and Technology(Natural Science)),2005,28(5):554-557.

[4] 王兆安,黄 俊.电力电子技术[M].第4版.北京:机械工业出版社,2000.

[5] 何术利,周海燕,洪厚胜.智能模糊自调整PID控制器在发酵过程p H值控制中的应用[J].河北科技大学学报(Journal of Hebei University of Science and Technology),2008,29(1):36-39.

Study on multip lex large capacity hydrogen p reparation power supp ly

L IU Jiao-m in1,2,L IJian-w en2,CU I Yu-long3,WANG Zhen-zhou1,SUN Wei4

(1.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;2.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003,China;3.Collge of Information Science and Technology,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;4.Baoding Power Supply Company,Baoding Hebei071051,China)

In view of the disadvantage of the traditional SCR phase-control rectification hydrogen p reparation power supp ly,a new diode rectification with multip lex chopper topology is introduced,w hich is used in large capacity hydrogen p reparation power.DSP+FPGA controller is designed,w ith a variety of failure p rotective and disp lay functions.Then a multip lex large capacity hydrogen p reparation system is developed.The simulink and the running states are very good.

multip lex chopper;DSP+FPGA controller;hydrogen p reparation power supp ly;driving and p roctected circuit

TM 46

A

1008-1542(2011)01-0026-04

2010-05-08;

2010-09-16;责任编辑:陈书欣

河北省自然科学基金资助项目(E2009000714)

刘教民(1958-),男,河南西峡人,教授,博士,主要从事智能控制和大功率电源方面的研究。