多重化大容量制氫電源的研究

劉教民,李建文,崔玉龍,王震洲,孫 偉

(1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003;3.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029;4.保定供電公司,河北保定 071051)

多重化大容量制氫電源的研究

劉教民1,2,李建文2,崔玉龍3,王震洲1,孫 偉4

(1.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定 071003;3.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100029;4.保定供電公司,河北保定 071051)

針對傳統(tǒng)的三相橋式晶閘管相控整流制氫電源的不足,提出新型不控整流橋加三相三重斬波電路的制氫電源主電路拓?fù)?采用DSP+FPGA設(shè)計了數(shù)字化整流電源控制器,具有多種故障保護(hù)功能、顯示功能,開發(fā)出了多重化大容量制氫電源裝置,仿真與現(xiàn)場運行狀態(tài)良好。

三相三重斬波器;DSP+FPGA控制器;制氫電源;驅(qū)動保護(hù)電路

傳統(tǒng)的制氫電源的主電路采用三相橋式晶閘管相控整流器[1]。這種相控整流器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、控制技術(shù)相對成熟,得到了廣泛的應(yīng)用。但這種相控整流器也有非常明顯的缺點:控制電路中相序判斷困難,觸發(fā)脈沖同步一致性達(dá)不到要求精度,直流動態(tài)響應(yīng)速度慢,直流濾波器件容量大、體積大。筆者將重點研究目前受到廣泛關(guān)注的三相不控整流橋電路加三相三重斬波電路的大容量直流制氫電源,利用多重化的優(yōu)異性提高容量,實現(xiàn)制氫電源的“綠色無污染”,利用DSP+FPGA數(shù)字化設(shè)計,以提高控制精度,使電源的整體性能有所提高。

1 新型制氫電源主電路拓?fù)?/h2>

三相不控整流橋電路簡單,不需要額外的控制電路。三相三重斬波電路中[2],3個斬波器輸入、輸出端并聯(lián),一方面有效減少了斬波總輸入電流的高頻紋波,另一方面可以在相同功率容量下,大大降低主開關(guān)的電流定額。新型制氫電源主電路拓?fù)湟妶D1。V1,V2,V3是三重斬波電路中IGBT模塊,L1,C2是輸出濾波器。

圖1 新型的制氫電源拓?fù)銯ig.1 New hydrogen p roduction power supply topology

10 kV進(jìn)線經(jīng)變壓器 T1降壓,先通過三相二極管不控整流送入直流母線[3],再通過三重化DC-DC斬波電路濾波后,給負(fù)載直流電解槽供電。

三相三重斬波電路[4]是由3個降壓斬波電路單元并聯(lián)而成,輸入電流為各可控開關(guān)的電流之和,諧波分量顯著減小,總輸出電流平均值為單元輸出電流平均值的3倍,從而減少了開關(guān)器件的電流應(yīng)力,脈動頻率也為單個斬波電路單元的脈動頻率的3倍,輸出電流脈動頻率提高,且電源電流的最大脈動率也是與相數(shù)的平方成反比,這使得由電源電流引起的感應(yīng)干擾大大減小,濾波只需接上簡單的LC濾波器就可充分防止感應(yīng)干擾,平波電抗器的總質(zhì)量大為減輕。斬波的開關(guān)頻率在幾到幾百k Hz,從而有效減小了濾波元件(LC)的體積和質(zhì)量,通過PWM控制可實時快速地實現(xiàn)驅(qū)動脈沖的調(diào)節(jié)。

采用多重斬波技術(shù)一方面提高系統(tǒng)容量,另一方面可有效減小每個IGBT開關(guān)器件的電流應(yīng)力,使器件工作在允許的電流范圍內(nèi),同時還可以減小輸入電流中的高頻諧波含量,并降低負(fù)載電解槽脈動。

主電路仿真圖見圖2。

圖2 主電路仿真圖Fig.2 Main circuit simulink waveform s

從仿真圖2中可見,三相不控整流電路輸出 ud為六脈動直流電,電壓范圍為460～540 V。通過三相三重斬波電路后,電壓、電流的波動范圍很小,電流范圍為2 994.46～2 994.49 A,電壓范圍為500.075～500.080 V。

2 DSP+FPGA的智能控制

用數(shù)字化控制代替模擬控制,可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服的缺點,有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié),便于通過軟件程序的改變方便地調(diào)節(jié)控制方案和實現(xiàn)多種新型控制策略,同時可減少元器件數(shù)目、簡化硬件結(jié)構(gòu),從而提高系統(tǒng)可靠性。

在此系統(tǒng)中檢測到的負(fù)載電解槽的電壓、電流信號通過信號調(diào)理電路,送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換引腳,在DSP內(nèi)實現(xiàn)智能數(shù)字PID調(diào)節(jié)[5]后確定移相角的大小,輸出PWM脈沖方波的占空比、輸出頻率兩參數(shù)在DSP中都有相應(yīng)的控制寄存器設(shè)定,從而可通過軟件編程靈活地修改輸出參數(shù)值,得到滿足直流電源所需的PWM驅(qū)動波形;選通死區(qū)控制寄存器(DBTCONA),相應(yīng)的死區(qū)時間便能靈活設(shè)置。

將DSP輸出的PWM脈沖傳送給FPGA,通過相應(yīng)的分頻和移相處理得到每個模塊三路IGBT橋臂所需要的驅(qū)動脈沖信號,從而調(diào)節(jié)輸出電壓的高低。

當(dāng)電源正常工作時,上述各個模塊在時序控制器的作用下循環(huán)執(zhí)行,輸出各個管子的驅(qū)動控制信號。當(dāng)檢測電路檢測到過流、過壓、過熱情況發(fā)生時,總的保護(hù)信號PROTECT便會有效,從而控制器的所有模塊都將停止,驅(qū)動控制脈沖信號會被封鎖,所有的功率器件將在2～3個工作周期關(guān)斷,從而快速保護(hù)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的總體設(shè)計與實驗驗證

DSP選用 TI公司的 TM S320F28335,FPGA使用的是 XIL INX公司 Spartan-3A FPGA系列XC3S50A,選用三菱的CM 2400HC-34N的IGBT模塊,其額定電壓為1 700 V,通態(tài)電流為2 400 A。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System structure picture

根據(jù)上述理論,制造出實驗樣機(jī),在輸出電壓為500 V,電流為3 000 A時,圖4為不控整流后電壓ud1波形,圖5—圖9中曲線1為電解槽電壓 ud波形,曲線2為電解槽電流id波形。

實驗和現(xiàn)場使用結(jié)果表明:新型制氫電源電壓與電流波動范圍小于0.1%,啟動時間為2 s。負(fù)載變化時調(diào)節(jié)時間為40 m s左右,故障保護(hù)延遲時間小于5 ms。恒流方式調(diào)節(jié)下,也會有同樣的結(jié)果。從而可見新制氫電源在控制精度、啟動、故障保護(hù)以及電壓波動的調(diào)節(jié)速度上整體性能良好。

[1] 崔玉龍,何榮軍,祁鳳華.智能型制氫電源研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(Journal of Hebei University of Science and Technology),2001,22(1):52-55.

[2] 熊 新,梁 暉.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電變流系統(tǒng)多重斬波器研究[J].電力電子技術(shù)(Pow er Electronics),2006,40(5):47-49.

[3] 王一農(nóng),杜世俊,劉小寧.電容濾波型三相橋式整流電路的電壓分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(Journal of Hefei University of Science and Technology(Natural Science)),2005,28(5):554-557.

[4] 王兆安,黃 俊.電力電子技術(shù)[M].第4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[5] 何術(shù)利,周海燕,洪厚勝.智能模糊自調(diào)整PID控制器在發(fā)酵過程p H值控制中的應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(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;責(zé)任編輯:陳書欣

河北省自然科學(xué)基金資助項目(E2009000714)

劉教民(1958-),男,河南西峽人,教授,博士,主要從事智能控制和大功率電源方面的研究。