DC_DC隔离型制氢电源发展现状与趋势.pdf

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 Isolated 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 Key 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 national 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 production 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 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 fluctuation.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.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/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/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PEM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-stage 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、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。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HESS。1.4.2新型多端口氢储能DC/DC变换器图13为适用于RES的新型多端口DC/DC变换器拓扑39。相对于DES多端口变换器，RES多端口变换器将半桥结构替换为三电平中性点箝位(3L-NPC)逆变器，使变换器损耗减少25%以上，能够为电解槽提供稳定电压，更好地耦合RES和HESS系统，但是多端口变换器大多存在功率耦合现象。2DC/DC隔离型制氢电源发展趋势隔离型制氢电源发展趋势2.1适应复杂工况的大功率规模化制氢电源适应复杂工况的大功率规模化制氢电源针对未来可再生能源宽范围、强波动复杂工况电解制氢电源的巨大需求，推荐全桥谐振变换器，通过引入谐振电路实现全负载范围的零电压开通，提高系统制氢效率。该变换器没有占空比损失并且具有较宽的电压输出范围，能够更好地满足电解槽大功率、低电压、大电流、宽输出电压范围的要求，适用于未来可再生能源宽范围、强波动的复杂工况。此外，考虑到控制系统的完整性，全桥谐振变换器的控制器通过调节电网侧电流控制参考功率，为满足制氢系统的协调控制，综合考虑电解槽物理工况约束，在控制有功功率和无功功率的同时，还应该考虑电解槽温度、压力、氢/氧交叉渗透反馈对控制系统的影响40，如图14所示。2.2分布式电分布式电 氢耦合集成化多端口变换器氢耦合集成化多端口变换器2.2.1变换器拓扑针对小型化分布式电氢耦合场景，本文推荐采用高效率、高集成化多端口变换器(一般以三端口为主)。相对于采用多个二端口变换器分别连接HESS各部分，多端口变换器可以直接耦合RES和HESS，这样既能减少功率，转换阶段、提高系统效率又能满足功率集成转换和集中控制的需求41-42，优化氢储能系统的动态性能，使系统高度集成化，为隔离型DC/DC制氢电源的发展提供了一种可行方案。图15为应用于RES耦合HESS的一种基于移燃料电池电解槽C1D1D2D3L3L4D4S1S5S7D5L1L2C3C4C5S8S6S2S3S4C2*风电光伏图图13 新型多端口氢储能新型多端口氢储能DC/DC变换器变换器Fig.13 A novel multi-port hydrogen energy storage DC/DC converterC1S1S3S5D3S6L3L4C4C3S4D1D2L1L2C5S2C2燃料电池电解槽风电光伏图图12 多端口氢储能多端口氢储能DC/DC变换器变换器Fig.12 Multi-port hydrogen energy storage DC/DC converter限流运行域修正控制电流控制调制波功率控制PrefPrefIe,refIe,refVeIeIeVePeVdcH2O2温度/压力/渗透等状态参量全桥谐振变换器电解槽图图14 DC/DC变换器考虑温度和压强的协调控制变换器考虑温度和压强的协调控制Fig.14 DC/DC convreter considering temperature and pressure coordination control447Vol.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相全桥变换器和双有源桥变换器的三端口隔离型DC/DC变换器。该变换器有一个高压双向端口(端口1)用于三端口变换器与RES互联，2个低压单向端口(端口2、3)用于燃料电池与电解槽互联。2.2.2功率解耦为了最小化三端口变换器各端口间的循环功率，独立控制各端口功率流动43-44，采用如下解耦算法，如图16和公式(1)所示。L12=Lr1+Lk1+Lr1Lk1Lk2L13=Lr1+Lk2+Lr1Lk2Lk1L32=Lk1+Lk2+Lk1Lk2Lr1(1)式中：Lr1为一次侧漏感；Lk1和Lk2分别为端口2、3折算到一次侧参数；L12、L13和L32分别为经过星角变换后各端口间参数。由式(1)可知，通过减小一次侧漏感Lr1可以实现功率解耦45，因此令Lr10来实现该三端口变换器硬件上固有的功率解耦。2.2.3工作模式在用电低谷时段，可再生能源除供给电网用电外，将多余电能通过三端口变换器用于电解制氢储存起来；在用电高峰时段，燃料电池将储存的氢气转换为电能，通过三端口变换器供给电网使用。因此，三端口隔离型DC/DC变换器有6种工作模式，如图17所示。RES制氢模式：电解槽在允许功率波动范围内吸收可再生能源，或在电网需要时提供调频调峰辅助服务。RES+电池制氢模式：电池与可再生能源共同为电解槽供电；电池制氢模式：燃料电池/锂电池单独为电解槽供电C1S1S2S4S3S5L1C2L3S11S10S8S6D1D3L3L2D2D4C3H2H2H2L4S7S9D5 工业用氢储氢罐端口2锂电池电解槽端口3端口1燃料电池ACDC交流电网光伏风电DCDCACDC图图15 隔离型三端口隔离型三端口DC/DC变换器变换器Fig.15 Isolated three-port DC/DC converterV1V2V3V1V2V3V1V2V3V1V2V3V1V2V3V1V2V3(f)RES电池充电模式 I2I3I2I3I2I3I2I3I2I2I3I3(a)RES制氢模式(b)RES+电池制氢模式(c)电池制氢模式(d)RES制氢+电池充电模式(e)燃料电池/锂电池上网模式 图图17 三端口隔离型三端口隔离型DC/DC变换器工作模式变换器工作模式Fig.17 Three-port isolated DC/DC converter operating modesLr1P12P13P32vpriL12L13L32Lk1Vdab/n3 Lk2 RR(a)三端口变换器电路模型(b)三端口变换器等效电路模型 图图16 三端口隔离型三端口隔离型DC/DC变换器功率解耦变换器功率解耦Fig.16 Three-port isolated DC/DC converter power decoupling448第第 44 卷卷 第第 4 期期发电技术发电技术保持电解槽热备用。RES制氢+电池充电模式：当可再生能源功率波动大于制氢允许功率波动时，利用电池储存能量以平衡可再生能源剩余功率。燃料电池/锂电池上网模式：当电网需要深度调峰或调频辅助服务时，燃料电池/锂电池放电。RES电池充电模式：电池消纳可再生能源并网剩余电量。3结论结论从DC/DC隔离型制氢电源拓扑角度进行总结分析，根据电源结构不同，主要分为单级型、两级型、并联型和多端口型，分别应用于不同的制氢场景，结论如下:1）由于单级型变换器开关管数量较少，对应的损耗相对较小，普遍具有高降压比，但是开关管的应力较大，因此仅适用于中小功率制氢场合。2）两级型变换器效率高，适用于大功率的高效制氢场合，但是由于前后两级需要分别控制，导致变换器结构复杂、成本高。3）并联型变换器多采用输入串联、输出并联的结构，适用于输入电压等级高、输出大功率、大电流场合，但是变换器结构复杂。4）多端口型变换器一般以三端口变换器为主，既能够满足单级变换、紧凑封装，又能满足高效的热管理和集中控制的需求，普遍适用于新能源耦合HESS的制氢场合。参考文献参考文献1杨希特中国发展氢能社会的构想J智库理论与实践，2022，7(5)：159-165YANG X TThe idea of developing a hydrogen society in ChinaJ Think Tank：Theory Practice，2022，7(5)：159-1652刘尚泽，于青，管健氢能利用与产业发展现状及展望J能源与节能，2022(11)：18-21LIU S Z，YU Q，GUAN J Current situation and prospects of hydrogen energy utilization and industrial developmentJ Energy and Energy Conservation，2022(11)：18-213李建林，李光辉，郭丽军，等“十四五”规划下氢能应用技术现状综述及前景展望J电气应用，2021，40(6)：10-16LI J L，LI G H，GUO L J，et al Overview and prospect of hydrogen energy application technology under the 14th Five Year 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