IGBT開關斬波整流技術在水電解制氫中的應用

孔衛江，楊金彭，魏燦，史鐵，李潔

（中國船舶集團有限公司第七一八研究所, 河北邯鄲，056000）

0 引言

某項目生產線現有一臺產氣量為1000Nm3/h，設計壓力為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。為滿足制氫裝置對大功率高精度整流電源的要求，提出一種基于IGBT開關斬波的13KA/330V的單機大功率高精度整流電源技術。采用模塊單元化結構設計，對于不同功率等級要求的制氫裝置，可通過改變模塊單元數量來滿足使用。同時可避免重復性技術開發為項目量產和擴容提供技術支撐。

1 系統構成與工作原理

如圖1電氣原理圖所示，由三相AC10KV/50Hz交流供電，采用IGBT開關斬波整流技術和模塊化設計，具有控制精度高、響應速度快、功率因數高、對電網諧波分量小的特點。

12脈波整流單元由2個6500A/380V的三相整流橋并聯，并聯后直流輸出13000A/330V的直流母線電源。三相AC10KV交流電經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12脈波整流單元整流，整流后直流母線電壓可達DC380V，為后級由66個200A/330V的DC/DC斬波整流單元模塊提供直流母線電壓。66個斬波整流單元模塊的直流輸入側并聯，直流輸出側經直流濾波后并聯，共直流輸出母線。

2 主要電氣元件設計參數介紹

■2.1 工頻隔離整流變壓器單元設計選型

如圖2所示，工頻隔離整流變壓器采用d/d和d/y聯結組別，構建12脈波整流系統，可減少整流電源系統對網側諧波污染，實現綠色用電降低網側線路損耗[3]。

■2.2 12脈整流單元主要電氣元件設計選型

12脈功率整流單元由2個三相橋式硅二極管整流器并聯組成，輸出為12脈波。每個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。每個整流橋直流輸出為6500A/380V。

2.2.1 整流二極管元件設計選型

單個整流橋直流輸出額定電流6500A，額定電壓為DC380V。根據三相整流橋電路的工作原理可知，通過每個二 極 管 整 流 橋 的 電 流 為0.577 ×Id= 0.577 × 6 500 = 3 751A。考慮電源裝置的冷卻方式為水冷，水冷系數取0.85，所以二極管整流元件應選擇大于3751A/0.85 = 4 413A，工程設計一般按照大于1.5-2倍電流選型，因此設計選型為6500A-9000A的二極管元件。元件電壓取值以直流母線額定電壓380V進行計算，工程設計一般按照大于2-3倍電壓選型。因此設計選型為1200V的二極管元件。綜上，整流二極管設計選型為2只4500A/1200V，滿足使用要求，且具有較大的安全工作余量，系統設備可過載1.2倍額定電流安全運行。

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 快速熔斷器設計選型

快速熔斷器安裝在整流變壓器二次側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。快速熔斷器在電路中的作用是在后級整流橋或斬波單元出現短路的情況下，需要快速切斷交流供電電源，因此設計考慮1.5倍電流時，快速熔斷器能夠可靠的正常工作而不被熔斷，因此設計選型1.5 ×IL= 1.5× 5 304 = 7 956A。電路中交流電壓為AC282V，因此可選用690V耐壓等級的快速熔斷器。

2.2.3 均流平衡濾波器電抗器設計選型

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]。設計選型為LP? 2 × 6 500A/ 0.1mH,可滿足直流母線文波電壓小于1%的技術設計要求。

■2.3 DC/DC斬波整流電路設計選型計算

DC/DC斬波整流單元如圖3所示，共計66個斬波整流單元模塊并聯組成，每個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典型的BUCK降壓斬波電路，直流輸入經IGBT開關斬波，高頻濾波電感濾波后輸出0-330V連續可調的直流電源，每個模塊輸出額定電流200A。單元主控制通過電流和電壓反饋閉環控制實現單元模塊的恒流限壓輸出控制，滿足電解制氫整流對電源的控制要求[5]。

圖3 斬波整流模塊

■2.4 直流輸出電流傳感器設計選型計算

為了滿足直流輸出電流信號采集要求，直流輸出電流信號采集選用霍爾電流傳感器。系統總輸出電流為6300A，考慮系統過載1.2倍的設計要求。總電流傳感器選擇為8000A/0-100mA的霍爾電流傳感器[6]。

■2.5 直流輸出電壓傳感器設計選型計算

為了滿足直流輸出電壓信號采集要求，直流輸出電壓信號采集選用霍爾電壓傳感器。系統額定輸出電壓為550V，考慮系統控制精度的設計要求，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計

■3.1 電源的操作與控制功能設計說明

整流電源的操作與控制具有遠程與就地控制兩種方式，就地控制操作在本機觸摸屏上進行操作控制，遠程操作控制通過以太網通信接口進行操作。

■3.2 電源的操作與控制功能主要包括以下幾個操作控制功能：

（1）待機操作：手動控制開關給電，若經檢測正常，電源進入“待機”模式。

（2）開機操作：由本機或者遠程計算機送出開機指令，電源執行開機操作，順利開啟，進入“運行”模式。

（3）關機操作：當計算機發出“關機”指令后，電源執行關機操作，從“運行”模式進入“待機”模式。

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

（5）急停操作：電源單元柜急停按鈕按下操作時，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設計

IGBT開關斬波整流電路的人機交互界面選用12”觸摸屏進行顯示，其具體顯示參數如下：

（1）配電指示：采用紅色指示燈，亮點表示有電滅燈表示無電。

（2）電源運行/待機狀態指示：綠色指示燈，亮燈表示電源處于運行狀態，滅燈表示電源處于待機狀態。

（3）電源故障指示：黃色指示燈，燈亮表示電源處于故障狀態。

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

（5）可動態顯示整流電源輸出的電流-時間曲線，電壓-時間曲線，功率-時間曲線等。

（6）電壓、電流、功率等歷史曲線可用于存儲與查閱。

5 結束語

針對大功率水電解制氫裝置對直流電源高穩定性、高精確度的要求[7]，本文提出了一種基于IGBT開關斬波的整流技術并對其電氣原理進行了介紹。對電路中關鍵部分電氣元件選型進行了詳細的說明與計算，各電氣參數均保留了足夠的安全裕量，以保證電路正常運行。

介紹了直流電源的操作流程，并對電源運行中顯示內容與參數進行了說明。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、經濟性好、響應速度快、對電網注入的諧波分量小的特點，同時具有可靠性高、易于維護、方便快捷等顯著特點，可大大提高制氫設備長期運行的穩定性和可維護性。