某小電流電解槽的整流方式選擇論證

趙 贏

(上海電氣工程設計有限公司 上海 202106)

0 前 言

某一電廠擬新建一座制氫站，制氫設計規模為200 Nm3/h(按PEM純水電解技術)，主要利用廠用余電及煤棚頂光伏發電電解水制成氫氣。

1 整流方案

電解槽大功率供電大多采用可控硅(晶閘管)(晶閘管)進行整流，利用觸發角和晶閘管的導通特性組成整流電路，將交流電壓變成所需的直流電壓供負載用。但對于一些小電流的電解槽，整流方案也可以選擇IGBT開關電源整流方式。本項目電解槽電流較小，直流電流為1 800 A，直流電壓為280 V，屬于小電流電解槽，因此選用IGBT開關電源整流方式。

1.1 方案一：可控硅(晶閘管)(晶閘管)(SCR)整流

通過整流變壓器利用晶閘管的單向導通性能將交流電變為所需直流電以供電解槽直流電的需要。本項目采用4臺三相橋6脈波通過變壓器移相形成 24 脈的方式進行整流。

(1)本項目采用的整流柜的技術參數見表1及表2：

表1 變壓器主要技術參數

(續表1)

表2 整流器主要技術參數

(2)典型三相橋式全控整流電路

對于大功率的整流電路需要采用三相整流電路，因為大功率的交流電源是三相供電形式。圖1是一個典型的三相相橋式全控整流電路，它有六個晶閘管，將VT1、VT3、VT5的陰極接到三相電源，接成共陰極形式；VT2、VT4、VT6的陽極聯接在一起成為直流電的負極接成共陽極形式，而三相橋式整流電路由陰極型整流組與陽極型整流組串聯組成。

圖1 典型三相橋式全控整流電路

(3)SCR三相橋式全控整流電路工作原理

在交流電源的一個周期內，晶閘管在正向陽極電壓作用下不導通的電角度稱為觸發角，用α表示。在三相可控整流電路中，觸發角的起點，不是在交流電壓過零點處，而是在自然換相點，即三相相電壓的交點。當晶閘管觸發角α=0時，對于共陰極組的三個晶閘管，則是陰極所接交流電壓值最高的一個導通，對于共陽極組的三個晶閘管，則是陽極所接交流電壓值最低的一個導通，這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組各有1個晶閘管處于導通狀態，施加于負載上的電壓為某一線電壓。

為便于分析，假設所帶負載為純阻性負載，輸入電壓的瞬時值表達式：(其中UM為電壓最大值)

UA=UMsin(wt)

UB=UMsin(wt+120°)

UC=UMsin(wt+240°)

三相橋式全控整流電路晶閘管導通的規律如下，如圖2所示：

時間段Ⅰ：此時間段a相電位最高，所以共陰極的晶閘管VT1被觸發導通，b相電位最低，所以共陽極的晶閘管VT4被觸發導通。這時電流從a相經VT1流向負載再經VT4流入b相。變壓器a,b兩相工作，共陰極的a相電流為正，共陽極的b相電流為負。加在負載上的整流電壓ud=uab(即為線電壓)。在此后60°期間，VT1和VT4保持導通，此輸出保持60°。

時間段Ⅱ：此時間段a相電位最高，晶閘管VT1仍然導通，但c相電位變為最低，當經過自然換相點時觸發c相晶閘管VT6，電流從b相換到c相，VT4承受反相電壓而關斷。這時電流從a相經VT1流向負載再經VT6流入c相。變壓器a,c兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=uac。

時間段Ⅲ：此時間段b相電位最高，當經過自然換相點時觸發晶閘管VT3,電流從a相換到b相，c相晶閘管VT6因電位仍然最低而繼續導通。變壓器b,c兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=ubc。

時間段Ⅳ：此時間段b相電位最高，晶閘管VT3仍然導通, 但a相電位變為最低，當經過自然換相點時觸發a相晶閘管VT2，電流從b相換到c相，VT6承受反相電壓而關斷。這時電流從b相經VT3流向負載再經VT2流入a相。變壓器b,a兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=uba

時間段Ⅴ：此時間段c相電位最高，當經過自然換相點時觸發晶閘管VT5，電流從b相換到c相，a相晶閘管VT2因電位仍然最低而繼續導通，變壓器c,a兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=uca。

時間段Ⅵ：此時間段c相電位最高，晶閘管VT5仍然導通，但b相電位變為最低，當經過自然換相點時觸發b相晶閘管VT4，電流從a相換到b相，VT2承受反相電壓而關斷。這時電流從c相經VT5流向負載再經VT4流入b相。變壓器c,b兩相工作, 加在負載上的整流電壓ud=ucb。

時間段Ⅶ：此時間段又變成a相電位最高，b相電位最低，這時電流從a相經VT1流向負載再經VT4流入b相。變壓器a,b兩相工作,電路狀態不斷重復。加在負載上的整流電壓ud=uab。

當α>0時，品閘管導通要推遲α角,但品閘管的觸發、導通順序不變。

圖2 三相橋式全控整流電路α=0時的波形

(4)整流電路的移相

電解槽等大電流整流裝置中常采用多臺整流電源并聯供電，以滿足工藝對電流的要求，為了減小諧波要求(可控硅(晶閘管)整流各脈波的諧波含量如表3所示)，各臺變壓器一次繞組均采用曲折接法，使各臺整流變壓器二次繞組的輸出電壓有不同的移相角，以使并聯后總輸出直流電流為多脈波電流。

對于一個由若干臺整流變壓器并聯運行的整流系統來說,其整流變壓器的移相一般都具有對稱性。也就是說,一個整流系統中總是需要有二臺或二臺以上的移相角度大小相等,方向相反的移相整流變壓器并聯,以達到多相整流的目的。比如,由二臺單機6相,分別移相±15°的整流變壓器可組成等效12相整流，以此類推。

本項目采用單機6脈波整流變壓器，單臺變壓器網測分別移相±7.5和±15，采用4臺6脈波合成等效24脈波，如圖3所示。在 4 臺電解槽額定輸出、同時工作且負載一致的情況下，電流諧波約小于 8%(理論值)。

表3 可控硅(晶閘管)整流各脈波的諧波含量(理論值)

圖3 4臺6脈波合成等效24脈波

1.2 方案二： IGBT開關電源整流方式

本項目采用電力變壓器，將廠用電6 KV輸入變為380 V，作為IGBT開關電源的輸入，IGBT開關電源整機總共包括10個高頻開關電源功率模組，每個功率模組均可提供穩定的直流，10 個模組提供 1 800 A300 V 輸出電流。如圖4 所示：

圖4 開關電源系統示意框圖

高頻開關電源模塊由功率電路和控制系統兩部分組成, 其中功率電路由輸入全波整流濾波電路、高頻功率逆變電路、高頻變壓器、輸出整流電路等部分組成, 控制系統由DSP控制板、電壓/電流采集電路、存儲器等部分組成。控制電路主要包括：以高性能DSP芯片為核心的主控制器、IGBT 驅動電路、信號采樣電路、過熱保護電 路、觸摸屏人機界面、遠控模擬信號及開關量輸入輸出電路等。

(1)電源模塊電氣原理

電源模塊硬件電路主要由兩部分組成：主電路和控制電路。其中主電路主要包括：整流電路、雷擊浪涌及濾波電路、全橋高頻逆變電路、超微晶高頻變壓器、次級全波整流電路等。功率電路單元采用高頻PWM變換技術，采用軟開關技術，實現直流輸出。功率模塊主電路原理如圖5所示：

圖5 功率模塊控制系統框圖

(2)整流電路

輸入整流電路有三相全控橋式整流、PWM 整流、三相不控整流等幾種方式，綜合考慮功率因數、對電網的諧波污染、控制策略的難易程度以及開發成本等因數，電源采用三相不控橋式整流的方式得到中間直流電壓，三相不控橋式整流電路采用三相整流橋模塊。

(3)諧波

因IGBT形式諧波含量相對比較高，THDi約為25～30%，可通過將使用24脈波電力變壓器或額外增加濾波裝置的方式，減小諧波含量。

2 整流方案的分析比較

如表4所示：

表4 整流方案分析表

3 總 結

整流方式的選擇是電解槽供電的重要組成部分，綜合兩種方案在技術和經濟方面的比較，方案一在可靠性和經濟性上略高于方案二，性價比相對比較高，但方案二總空間占用面積相對較小。基于本項目是示范類工程，采用結構簡單、維護工作量小、耐用程度高的方案會降低電廠投資的風險，因此本項目推薦采用方案一，即可控硅(晶閘管)(SCR)整流方式。