IGBT开关斩波整流技术在水电解制氢中的应用

孔卫江，杨金彭，魏灿，史铁，李洁

（中国船舶集团有限公司第七一八研究所, 河北邯郸，056000）

0 引言

某项目生产线现有一台产气量为1000Nm³/h，设计压力为2.0MPa的碱性水电解制氢装置。电解槽额定直流电压：330V，直流电流:DC13KA。为满足制氢装置对大功率高精度整流电源的要求，提出一种基于IGBT开关斩波的13KA/330V的单机大功率高精度整流电源技术。采用模块单元化结构设计，对于不同功率等级要求的制氢装置，可通过改变模块单元数量来满足使用。同时可避免重复性技术开发为项目量产和扩容提供技术支撑。

1 系统构成与工作原理

如图1电气原理图所示，由三相AC10KV/50Hz交流供电，采用IGBT开关斩波整流技术和模块化设计，具有控制精度高、响应速度快、功率因数高、对电网谐波分量小的特点。

图1 IGBT斩波整流电路原理图

12脉波整流单元由2个6500A/380V的三相整流桥并联，并联后直流输出13000A/330V的直流母线电源。三相AC10KV交流电经三相工频隔离整流变压器降为AC282V的交流电压，通过快速熔断器后送入前级12脉波整流单元整流，整流后直流母线电压可达DC380V，为后级由66个200A/330V的DC/DC斩波整流单元模块提供直流母线电压。66个斩波整流单元模块的直流输入侧并联，直流输出侧经直流滤波后并联，共直流输出母线。

2 主要电气元件设计参数介绍

■2.1 工频隔离整流变压器单元设计选型

如图2所示，工频隔离整流变压器采用d/d和d/y联结组别，构建12脉波整流系统，可减少整流电源系统对网侧谐波污染，实现绿色用电降低网侧线路损耗[3]。

图2 IGBT斩波整流电路电气原理图

■2.2 12脉整流单元主要电气元件设计选型

12脉功率整流单元由2个三相桥式硅二极管整流器并联组成，输出为12脉波。每个三相桥式功率整流单元主电路主要由快速熔断器和三相整流桥二极管组成。每个整流桥直流输出为6500A/380V。

2.2.1 整流二极管元件设计选型

单个整流桥直流输出额定电流6500A，额定电压为DC380V。根据三相整流桥电路的工作原理可知，通过每个二 极 管 整 流 桥 的 电 流 为0.577 × Id= 0 .577 × 6 500 = 3 751A 。考虑电源装置的冷却方式为水冷，水冷系数取0.85，所以二极管整流元件应选择大于3751A/0.85 = 4 413A，工程设计一般按照大于1.5-2倍电流选型，因此设计选型为6500A-9000A的二极管元件。元件电压取值以直流母线额定电压380V进行计算，工程设计一般按照大于2-3倍电压选型。因此设计选型为1200V的二极管元件。综上，整流二极管设计选型为2只4500A/1200V，满足使用要求，且具有较大的安全工作余量，系统设备可过载1.2倍额定电流安全运行。

2.2.2 快速熔断器设计选型

快速熔断器安装在整流变压器二次侧与整流桥连接的交流母线上，通过交流母线的最大工作电流IL= 0 .816 ×Id= 0 .816× 6 500 = 5 304A。快速熔断器在电路中的作用是在后级整流桥或斩波单元出现短路的情况下，需要快速切断交流供电电源，因此设计考虑1.5倍电流时，快速熔断器能够可靠的正常工作而不被熔断，因此设计选型1.5 ×IL= 1 .5× 5 304 = 7 956A。电路中交流电压为AC282V，因此可选用690V耐压等级的快速熔断器。

2.2.3 均流平衡滤波器电抗器设计选型

均流滤波平衡电抗器Lp在电路中的作用是起滤波和均流的作用[4]。设计选型为LP− 2 × 6 500A/ 0.1mH,可满足直流母线文波电压小于1%的技术设计要求。

■2.3 DC/DC斩波整流电路设计选型计算

DC/DC斩波整流单元如图3所示，共计66个斩波整流单元模块并联组成，每个斩波整流单元模块直流输出200A/330V。IBGT斩波整流单元模块是一个典型的BUCK降压斩波电路，直流输入经IGBT开关斩波，高频滤波电感滤波后输出0-330V连续可调的直流电源，每个模块输出额定电流200A。单元主控制通过电流和电压反馈闭环控制实现单元模块的恒流限压输出控制，满足电解制氢整流对电源的控制要求[5]。

图3 斩波整流模块

■2.4 直流输出电流传感器设计选型计算

为了满足直流输出电流信号采集要求，直流输出电流信号采集选用霍尔电流传感器。系统总输出电流为6300A，考虑系统过载1.2倍的设计要求。总电流传感器选择为8000A/0-100mA的霍尔电流传感器[6]。

■2.5 直流输出电压传感器设计选型计算

为了满足直流输出电压信号采集要求，直流输出电压信号采集选用霍尔电压传感器。系统额定输出电压为550V，考虑系统控制精度的设计要求，总电压传感器选择400V/0-500mA的霍尔电压传感器。

3 电源的操作与控制功能设计

■3.1 电源的操作与控制功能设计说明

整流电源的操作与控制具有远程与就地控制两种方式，就地控制操作在本机触摸屏上进行操作控制，远程操作控制通过以太网通信接口进行操作。

■3.2 电源的操作与控制功能主要包括以下几个操作控制功能：

（1）待机操作：手动控制开关给电，若经检测正常，电源进入“待机”模式。

（2）开机操作：由本机或者远程计算机送出开机指令，电源执行开机操作，顺利开启，进入“运行”模式。

（3）关机操作：当计算机发出“关机”指令后，电源执行关机操作，从“运行”模式进入“待机”模式。

（4）复位操作：清除检测到的故障，使电源由“故障”模式返回到“待机”模式，本地设置复位按钮。

（5）急停操作：电源单元柜急停按钮按下操作时，电源断开主回路供电，电源停止工作。

4 整流电路主要显示参数设计

IGBT开关斩波整流电路的人机交互界面选用12”触摸屏进行显示，其具体显示参数如下：

（1）配电指示：采用红色指示灯，亮点表示有电灭灯表示无电。

（2）电源运行/待机状态指示：绿色指示灯，亮灯表示电源处于运行状态，灭灯表示电源处于待机状态。

（3）电源故障指示：黄色指示灯，灯亮表示电源处于故障状态。

（4）故障报警指示：采用声光报警器，当电源处于故障状态时（交流电源缺相、模块故障、水温过高、水压过低/高等），用于报警指示。

（5）可动态显示整流电源输出的电流-时间曲线，电压-时间曲线，功率-时间曲线等。

（6）电压、电流、功率等历史曲线可用于存储与查阅。

5 结束语

针对大功率水电解制氢装置对直流电源高稳定性、高精确度的要求[7]，本文提出了一种基于IGBT开关斩波的整流技术并对其电气原理进行了介绍。对电路中关键部分电气元件选型进行了详细的说明与计算，各电气参数均保留了足够的安全裕量，以保证电路正常运行。

介绍了直流电源的操作流程，并对电源运行中显示内容与参数进行了说明。该电源采用模块化单元，除具有恒流限压功能外，还具有精度高、经济性好、响应速度快、对电网注入的谐波分量小的特点，同时具有可靠性高、易于维护、方便快捷等显著特点，可大大提高制氢设备长期运行的稳定性和可维护性。