DC_DC隔离型制氢电源发展现状与趋势.pdf
《DC_DC隔离型制氢电源发展现状与趋势.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《DC_DC隔离型制氢电源发展现状与趋势.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第第 44 卷卷 第第 4 期期 2023 年年 8 月月Vol.44 No.4Aug.2023发电技术发电技术Power Generation TechnologyDC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势孔令国1,宫健1,杨士慧2,倪德富3,王士博1,刘闯1(1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学),吉林省 吉林市 132012;2.先进输电技术国家重点实验室(国网智能电网研究院有限公司),北京市 昌平区 102209;3.国网江西鹰潭供电公司,江西省 鹰潭市 335000)Development Status and Trend of DC/DC Isolat
2、ed Hydrogen Production Power SupplyKONG Lingguo1,GONG Jian1,YANG Shihui2,NI Defu3,WANG Shibo1,LIU Chuang1(1.Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control&Renewable Energy Technology,Ministry of Education(Northeast Electric Power University),Jilin 132012,Jilin Province,China;2.State Ke
3、y Laboratory of Advanced Transmission Technology(Global Energy Interconnection Research Institute Co.,Ltd.),Changping District,Beijing 102209,China;3.Yingtan Power Supply Branch of State Grid Jiangxi Electric Power Co.,Ltd.,Yingtan 335000,Jiangxi Province,China)摘要摘要:随着国家“双碳”目标的推进,电解水制氢将迎来爆发式增长,其中电源的
4、拓扑及控制对提升制氢系统效率具有重要意义。对DC/DC隔离型制氢电源的拓扑进行梳理及分析,针对不同的应用场景,分别从单级型、两级型、并联型和多端口型DC/DC隔离型制氢电源的结构及其优缺点进行分析,结果表明,全桥谐振变换器及考虑电解槽温度、压力及氢/氧交叉渗透反馈的控制方案,将成为适应宽范围、强波动的大功率规模化制氢电源发展趋势,且隔离型三端口DC/DC变换电源将成为分布式集成化电氢耦合未来发展模式,为电解水制氢电源进一步研究提供参考。关键词关键词:氢能;制氢电源;拓扑结构;电解水制氢;隔离型DC/DC变换器ABSTRACT:With the advancement of the nation
5、al goal of“double carbon”,the hydrogen production by electrolytic water will usher in explosive growth,among which the topology and control of power supply is of great significance to improve the efficiency of hydrogen production system.This paper took the topology of isolated DC/DC hydrogen product
6、ion power supply as the main line to sort out and analyze,and summarized and analyzed the structures,advantages and disadvantages of single-stage,two-stage,parallel and multi-port DC/DC isolated hydrogen production power supply according to different application scenarios.The analysis shows that the
7、 full-bridge resonant converter and the control scheme considering the temperature,pressure and hydrogen/oxygen cross-osmosis feedback of the electrolytic cell will become the development trend of high-power large-scale hydrogen production power supply which can adapt to wide range and strong fluctu
8、ation.Moreover,the isolated three-port DC/DC conversion power supply will become the distributed integrated electric-hydrogen coupling development mode in the future.The research of this paper aims to provide theoretical reference for the further research of hydrogen production by electrolytic water
9、.KEY WORDS:hydrogen energy;hydrogen preparation power supply;topological structure;hydrogen production by electrolytic water;isolated DC/DC converter0引言引言在全球能源转型和“双碳”目标的背景下,氢能成为了我国未来能源战略中不可替代的重要角色之一1。2021 年,国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要草案中明确提出要在氢能与储能等前沿科技和产业变革领域谋划布局一批未来产业2-5。2022年3月,国家发改委、国家能源局联合印发了氢能产业发展中长
10、期规划(20212035年),正式确立了发展氢能产业在中国的战略地位6-7。氢能作为一种新型可再生能源,具有储量丰富、能量密度高、清洁高效等优点8-10。目DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.22187 中图分类号:TK 91;TQ 116.2基金项目:国家自然科学基金项目(51907021)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(51907021).Vol.44 No.4孔令国等孔令国等:DC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势隔离型制氢电源发展现状与趋势前,全球大多数氢气的生产
11、来源于化石燃料11,特别是由天然气重整所产生的灰氢,占据了较大的市场份额。为了减少化石燃料的消耗以及二氧化碳等温室气体的排放,电解水制氢(绿氢)被认为是一种有前途的替代方案12-18。其中制氢电源是电解水制氢中的核心装置,不同的制氢电源对电解产生氢气的纯度、效率以及电解槽使用寿命均存在不同的影响19-20。因此,研究与开发高效的制氢电源对氢能的发展具有重要意义。制氢电源按照电能的来源不同分为2类,对于电能来自光伏电源等提供的直流电,需要经过DC/DC变换器为电解槽供电21-22,而对于电网或风力发电机等提供的交流电,需要经过AC/DC变换器将交流电转换为直流电为电解槽供电23-24。其中DC/
12、DC变换器按照结构可以分为非隔离型和隔离型。目前,非隔离型DC/DC变换器多以Buck电路为基础结构,但是由于Buck电路本身结构特点,导致大多数非隔离型变换器存在电流纹波大等问题,仅适用于电压比变化小且无需电气隔离的制氢场合。相对于非隔离型DC/DC变换器,隔离型DC/DC变换器由于引入高频变压器,既可以实现降低二次侧电压,又可以起到一、二次侧电气隔离的作用。为了满足电解槽的需求,制氢电源应该具备输出电流纹波低、大电流承载能力、高降压比和输出宽电压范围等特性,同时,在保证制氢电源可靠性和高效率的情况下尽可能地降低电源成本25。本文主要对应用于电解水制氢的DC/DC隔离型变换器的拓扑结构及优缺
13、点进行分析总结,从规模化和集成化的角度提出DC/DC隔离型制氢电源未来发展的技术方案,并对应用于可再生能源系统(renewable energy systems,RES)和氢储能系统(hydrogen energy storage system,HESS)互联的隔离型DC/DC三端口变换器的典型拓扑结构以及工作模式进行简单介绍,以期对隔离型DC/DC制氢电源的研究提供参考。1DC/DC隔离型制氢电源隔离型制氢电源按照制氢电源拓扑结构的不同,可以将DC/DC隔离型制氢电源分为单级型、两级型、并联型和多端口型,以下将分别介绍各类型制氢电源的拓扑结构及其优缺点。1.1单级型单级型1.1.1半桥DC/
14、DC变换器RES耦合电解槽适用于RES与电解槽互联的半桥DC/DC变换器拓扑26如图1所示。该变换器具有开关损耗低、电压调节范围宽等优点,在RES的宽输入电压范围下,将进一步提高电解槽制氢效率。但是由于存在能量循环,导致变换器的功率因数和效率有所降低,并且它容错能力较差,当其中一个开关管损坏,整个变换器均无法工作。1.1.2半桥谐振DC/DC变换器PEM电解槽适用于质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解槽的半桥谐振变换器拓扑27如图2所示。该变换器具有全范围软开关、高降压比以及通过谐振实现零电压条件最大程度降低开关管应力等优点,其中高降压比能够很好地满足PE
15、M电解槽低电压的需求,但是由于半桥拓扑结构容错能力有限,导致变换器可靠性低且隔离变压器电流应力较大,因此仅适用于小功率制氢场合。1.1.3全桥DC/DC变换器光伏耦合电解槽适用于光伏制氢系统的全桥DC/DC变换器拓扑28如图3所示。该变换器可以实现零电压开通,具有输出电流纹波小、输出电压稳定等优点,能够在光伏制氢系统中提供稳定的输出电压和较高 C1S1L2C2C3S2C4C5L1D1D2D3D4电解槽风电光伏图图 半桥半桥DC/DC变换器变换器Fig.1 Half-bridge DC/DC converterVdcS1C1L1D1S2L2C2D2N:1电解槽图图2 半桥谐振半桥谐振DC/DC变
16、换器变换器Fig.2 Half-bridge resonant DC/DC converter444第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术的电路效率。相对于半桥拓扑,全桥拓扑在大功率应用中更具有优势,但是它的开关器件更多、控制更加复杂,会进一步增加制氢电源成本。1.1.4全桥谐振DC/DC变换器PEM电解槽通过在变压器一次侧引入谐振电路构成适用于PEM电解槽的全桥谐振变换器拓扑29,如图4所示。该变换器没有占空比丢失现象、可以实现全负载范围的零电压开通,有较宽的电压输出范围,能够满足PEM电解槽输出宽电压范围的需求,提高系统制氢效率30,但是谐振电路存在较大的循环电流。1.1.5三电
17、平半桥ZVS DC/DC变换器RES耦合电解槽适用于RES与电解槽互联的三电平半桥零电压开关(zero voltage switch,ZVS)DC/DC 变换器拓扑31如图5所示。由于该变换器引入带耦合电感的倍流整流器,使二极管和变压器二次绕组电流降低2倍,降低了变换器二次侧损耗。此外,该变换器固有零电压开关,有效地提高了电解制氢效率。虽然该变换器器件数量相对较多,但是在设计和操作上相对简单。1.1.6推挽式DC/DC变换器光伏耦合电解槽适用于光伏制氢系统的推挽式DC/DC变换器拓扑32如图 6 所示。该变换器结构和控制简单,具有低电流纹波、高降压比等优点,能够满足电解槽低电压的需求,可以更好
18、地兼容光伏电源。但是由于采用硬切换的方式,导致变换器效率有所降低,开关器件的电压应力升高,此外,中心抽头变压器结构过于复杂,因此该变换器在大功率制氢场合受到限制。1.2两级型两级型1.2.1两级式降压型DC/DC变换器光伏耦合电解槽适用于离网间接耦合型光伏制氢系统的大功率降压型两级式DC/DC变换器拓扑33如图7所示。该变换器前级采用飞跨电容型多电平结构,具有功率转换效率高、纹波低、开关损耗小等优点,能够更灵活地匹配光伏阵列和电解槽的I-V曲线,提高光伏制氢系统效率,但是在使用时需要预充电,并且结构复杂,前后级变换器需要分别进行控制。1.2.2DCX 两级式 DC/DC 变换器光伏耦合电解槽适
19、用于离网光伏制氢系统的DCX两级式DC/DC变换器拓扑34如图8所示。该变换器具有高电S1L1D1CS2S3S4D2L2L3电解槽光伏图图3 全桥全桥DC/DC变换器变换器Fig.3 Full-bridge DC/DC converterL1C1D1P1P2N:1NpR1C2S1S2D2L2C3光伏电解槽图图6 推挽式推挽式DC/DC变换器变换器Fig.6 Push-pull DC/DC converterC1C2C3C4S1D1L1L3L2D3D4D2S3S4S5S6S8S7Q1Q2Q3Q4C5C6S2L4电解槽光伏图图7 两级式降压型两级式降压型DC/DC变换器变换器Fig.7 Two-s
20、tage step-down DC/DC converterVdcS1C1L1L2D1C2S2S3S4D2电解槽图图4 全桥谐振全桥谐振DC/DC变换器变换器Fig.4 Full-bridge resonant DC/DC converter电解槽*C1D5D1D2D7D8C3D3D4T1T3T4L1L2C2D6风电光伏图图5 三电平半桥三电平半桥ZVS DC/DC变换器变换器Fig.5 Three-level half-bridge ZVS DC/DC converter445Vol.44 No.4孔令国等孔令国等:DC/DC隔离型制氢电源发展现状与趋势隔离型制氢电源发展现状与趋势压转换比、
21、在较宽功率范围内保持高效率等优点,满足光伏制氢系统需要工作在宽输出电压范围的特点,可以实现电解槽的高效制氢,但是必须使用恒流源供电且电流纹波大,需要加装滤波器。1.2.3带电容输出滤波器的两级Boost LLC串联谐振变换器RES耦合电解槽一种带电容输出滤波器的两级Boost LLC型串联谐振变换器拓扑35如图9所示。其中后级变换器没有占空比损失、效率高也不存在振铃问题,能够使电解槽更好地耦合RES的直流母线。当输入低电压时必须使用低的谐振电感,因此变换器前级采用ZVT Boost结构提高输入电压,使变换器在开关工作范围内实现零电压开关,但是两级结构控制复杂。1.3并联型并联型1.3.1基于Y
22、型三相交错并联LLC谐振变换器PEM电解槽适用于PEM电解槽的一种基于Y型三相交错并联LLC谐振变换器拓扑36如图10所示。该变换器将高频变压器设计为2个变压器,并采用一次侧串联、二次侧并联的方式来实现输出大电流、低纹波,采用交错并联的方式降低开关管的电流应力,能够满足PEM电解槽大电流、低电压的需求,适用于新能源发电电解水制氢场合,但是变换器结构复杂,投入成本高。1.3.2双有源桥集成Boost变换器光伏耦合电解槽适用于光伏制氢系统的双有源桥(dual active bridge,DAB)集成Boost变换器拓扑37如图11所示。该变换器通过对多个DAB串并联,构成输入串联、输出并联型变换器
23、。该变换器输入侧串联提高了输入电压等级;输出侧并联提高了传输功率等级,能够更好地满足系统中光伏的降本增效,并且由于变换器在不同运行模式中存在Boost电路,能够更容易地切除故障,但是变换器结构复杂,成本更高。1.4多端口型多端口型1.4.1多端口氢储能DC/DC变换器适用于分布式能源系统(distributed energy system,DES)的多端口氢储能 DC/DC 变换器拓扑38如图12所示。该变换器有2个单向低压端口用于电解槽和燃料电池的互联,一个高压双向端口用于与DES互联。应用多端口技术既能减少功率转换阶段,又能满足集中控制需求,提高电解C1S1S2C3L1L2D2D1C4C2
24、光伏电解槽图图8 DCX两级式两级式DC/DC变换器变换器Fig.8 DCX two-stage DC/DC converter模块NL1L2C2C3S1S3S5S7S6S8S2Si1Si3Si4Ci1Ci2C2Si2Si5Si6Si8Si7Li2S4C1电解槽光伏图图11 双有源集成双有源集成Boost变换器变换器Fig.11 Dual active integrated Boost converterL1D1D2D3D4S3S5L3D5D6D8D7L4C3C4C1C2L2S1S2S4S6风电光伏电解槽图图9 带电容输出滤波的两级带电容输出滤波的两级Boost LCL串联谐振变换器串联谐振变
25、换器Fig.9 Two-stage Boost LCL series resonant converter with capacitor output filterVdcS1S2S4S6L1Lm1Lm2Lm3Lm4Lm5Lm6C1D1D2D4D5D6D7D8D9D10D11D12D3C2C3L2L3S3S5C4电解槽图图10 基于基于Y型三相交错并联型三相交错并联LLC谐振变换器谐振变换器Fig.10 Y-type three-phase staggered parallel LLC converter446第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术制氢效率,能够更好地耦合DES和HES
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- DC_DC 隔离 型制氢 电源 发展 现状 趋势
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。