制氫整流電源背靠背對拖實驗方案的研究

王成悅，江 才

（陽光氫能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

在可再生能源電解水的制氫場合中，10/35 kV 電網通過變壓器降壓后，經制氫整流電源轉換為穩定直流電，供電解槽制氫。作為連接電網和電解槽的關鍵環節，制氫整流電源不僅影響制氫系統的響應特性和輸入電能質量，還影響電解槽的使用壽命。因此，開發高效節能的制氫整流電源測試平臺，并對平臺效率、穩定性、動態性能以及可靠性進行評估[1]。

與傳統消耗型測試平臺（使用無源電阻負載或直接連接電解槽，電能損耗大、成本高）不同，現代測試平臺采用能量回饋方式間接加載。通過控制另一臺直流電源或并網逆變器模擬電解槽負載，進行電源性能測試。這種方法允許通過軟件控制實現制氫電源和直流電源或并網逆變器之間的循環流動，僅有的電能消耗來自設備自身，使得能量回饋型電源測試系統具有較好的節能效果[2]。

1 制氫電源現有對拖實驗方案

現有的能量回饋型制氫電源對拖平臺方案的結構如圖1 所示。

圖1 制氫電源現有對拖實驗方案的結構

現有的能量回饋型制氫電源對拖平臺工作原理如下：與制氫整流電源容量標配的雙分裂或2 個獨立的隔離變壓器從原邊接入電網，副邊分別接至制氫電源和并網逆變器的交流輸入端，從而實現制氫電源和并網逆變器交流側的電氣隔離。并網逆變器包括直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）和交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）兩級式拓撲，制氫整流電源與并網逆變器DC/DC 單元的直流側互連。通過控制制氫電源的直流輸出或負載側逆變器的并網電流，實現能量在制氫電源、并網逆變器以及變壓器之間的循環流動，制氫電源、儲能變流器和隔離變壓器內部損耗電能由電網提供[3]。

對拖平臺的主要不足為：一方面，制氫電源動態響應性能受負載側逆變器控制系統截止頻率的制約；另一方面，目前與市場主流1 000 標方制氫系統堿性電解槽配套的制氫電源額定功率都在5 MW以上，由多個單元并聯組成，選型和設計與電源功率等級、工作電壓和電流范圍相匹配的并網逆變器變得十分困難。針對這些問題，文章構建一種新型的兩組制氫電源背靠背對拖的實驗方案，并深入分析該方案中電源側和負載側的關鍵技術及其控制策略，同時通過單機和4 單元并聯整機的對拖實驗，驗證提出實驗方案的有效性和可行性。

2 基于兩組制氫整流電源背靠背連接的對拖實驗方案

制氫整流電源的AC/DC 單元和DC/DC 單元均支持能量雙向流動，可以通過背靠背連接2 組制氫整流電源設計對拖平臺，如圖2 所示。

圖2 基于兩組制氫整流電源背靠背連接的對拖實驗方案

隔離變壓器1 的副邊為待測制氫電源（以下簡稱為電源側）交流輸入，而隔離變壓器2 的副邊為模擬負載的制氫電源（以下簡稱為負載側）交流輸入。

通過互連兩組制氫電源的直流輸出，電源側的AC/DC 單元在整流模式下工作，DC/DC 單元在Buck模式下工作；負載側的AC/DC 單元在逆變模式下工作，DC/DC 單元在Boost 模式下工作，實現能量循環流動，損耗由電網補償。

該實驗方案的優點包括以下3 點：一是兩組制氫電源使用相同控制器和閉環控制算法，參數調整后可獲得相似控制帶寬，快速響應負載變化；二是兩組電源的功率級別、工作電壓范圍、工作電流范圍及并聯能力完全匹配，支持帶載和老化測試，顯著降低試驗成本，簡化測試流程；三是支持一組電源發出感性無功，另一組發出容性無功，無須消耗電網無功，完成無功功率對拖測試。

3 制氫電源對拖方案控制策略

3.1 制氫電源AC/DC 單元控制

在制氫電源系統中，AC/DC 單元通常采用三相脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）的整流器。為實現電流的有效解耦，確保并網電流的對稱性，系統應用基于解耦雙同步參考坐標系軟件鎖相環的控制技術[4]。在通過直流電壓外環實現直流母線電壓等于設定值的前提下，對三相電感電流進行正負序dq雙同步坐標系的解耦，實現有功功率和無功功率的獨立控制。同時，為實現三相并網電流的對稱控制，將負序的有功和無功電流控制為0。

PWM 整流器可以在4 個象限內進行能量的流動控制。在制氫電源的對拖方案中，AC/DC 單元無論是整流模式還是逆變模式，其核心區別僅在于電流流向不同，控制策略都相同。

3.2 制氫電源DC/DC 單元控制

在制氫電源的對拖方案中，DC/DC 單元根據電流流向的不同，通常采用Buck 降壓電路或Boost 升壓電路。

3.2.1 Buck 降壓電路控制

Buck 電路作為制氫整流電源裝置的核心組件，其直流輸出連接電解槽，并在恒壓、恒流和恒功率3種模式工作，對應的輸出外特性分別為直流輸出電壓、輸出電流、輸出功率。對于交錯并聯Buck 電路來說，其控制環路的復雜性會隨著并聯相數的增多而增大，控制框圖如圖3 所示。圖3 中外環根據恒壓、恒流和恒功率的不同工作模式，設定為直流輸出電壓環或電流環，起到穩定輸出電壓或電流的作用；內環由3 個結構相同的獨立電感電流環并聯而成，可以實現各并聯電路之間的均流[5]。

圖3 三相交錯并聯Buck 電路雙閉環控制框圖

在圖3 所示的控制框圖中，Gid(s)為電流內環被控對象，GM(s)為PWM 調制環節的等效傳遞函數，其表達式為

式中：M為載波幅值。

理想條件下，3 個并聯的電流環被控對象結構和參數完全一致，其控制器參數也完全一致。

3.2.2 Boost 升壓電路控制

三相交錯并聯Boost 電路采用與Buck 相同的雙閉環控制策略，其控制框圖如圖4 所示。電源側的Buck 電路工作在恒壓模式時，Boost 電路工作在恒流模式，外環控制對象是直流輸入電流；Buck 電路工作在恒流或恒功率模式時，Boost電路工作在恒壓模式，外環控制對象是直流輸入電壓。

圖4 三相交錯并聯Boost 電路雙閉環控制框圖

3.3 制氫電源多機并聯均流控制

制氫電源的AC/DC 單元和DC/DC 單元均采用基于高速通信的主從式并聯均流控制，即主機運行在電壓模式，執行電壓外環控制，其余各臺從機運行在電流模式。主機電壓外環輸出的電流指令通過高速通信總線發送給各臺從機，主從機按照同一個電流指令執行電感電流內環控制。

4 對拖實驗方案的實驗驗證

為驗證兩組制氫電源對拖實驗方案的有效性，搭建兩組制氫整流電源單機（電源側和負載側都是額定功率為1 425 kW 的單臺制氫電源），4 機并聯（電源側和負載側都由4 個1 425 kW 的單元并聯）背靠背對拖實驗平臺，在恒壓、恒流以及恒功率3 種模式和直流輸出電壓250 ～820 V 的范圍內，均可以實現穩定的帶載運行。

電源側和負載側的4機并聯對拖平臺的額定功率、交直流電流以及功率實驗數據如表1 和表2 所示。表1 數據表明：由于兩組制氫電源的直流輸出相互連接，考慮線路上的損耗，電源側和負載側的直流總電流和直流總功率大約一致；電源側的制氫電源處于整流模式，吸收電網能量，其交流功率呈正值；而負載側電源處于逆變模式，將能量回饋至電網，交流功率呈負值。這實現兩組制氫電源間的功率循環，電源側和負載側的交流功率差值（5 833.6 ～5 575.7 kW）由電網補充，以維持系統功率平衡。同時，電源側和負載側的4 個并聯單元在交流側和直流側均展現出良好的并聯均流性能，證明制氫電源背靠背對拖實驗方案的有效性與合理性。

表1 電源側制氫電源4 機并聯對拖平臺實驗數據

表2 負載側制氫電源4 機并聯對拖平臺實驗數據

在兩組制氫電源單機對拖的實驗條件下，輸出功率由10%Pn增加到100%Pn和由100%Pn降低至10%Pn的測試波形如圖5 所示。其中，額定功率Pn為1 425 kW，1 表示電網電壓，2 表示直流輸出電流，3 表示直流輸出電壓，4 表示電網電流。從圖5 實驗結果可以看出，對拖平臺對輸出功率快速變化的響應時間在0.1 s 以內，具有較好的動態響應性能。

圖5 輸出功率在10%Pn 和100%Pn 之間的動態響應測試波形

5 結 論

文章針對現有制氫整流電源測試平臺的不足，提出一種成本低、效率高且動態響應較好的新型雙制氫電源背靠背對拖測試方案。通過對電源側和負載側關鍵技術及控制策略的深入分析，并結合背靠背對拖實驗驗證，證實方案的有效性和實際應用的可行性。該方案在減少能量損耗、降低運行成本方面顯示出優勢，為制氫整流電源的測試與優化提供了一個高效、經濟的方法。這項研究對推進制氫整流電源技術進步和提高系統整體性能有著重要的理論與實際價值。