本公开总体上涉及电力转换领域，且特别地涉及一种用于电解器站中的氢气电解器整流器的方法和系统。更具体地，本公开涉及一种包括转换器布置结构的系统和一种用于控制此类系统的方法，该转换器布置结构用于将ac电流转换为dc电流以供与电解器单元一起使用。
背景技术：
1、为了限制气候变化的影响和负面效应，需要减少对co2和促成全球变暖的其他气体的排放。一种实现碳减排(这是利用其他方法难以实现的领域)的方式是通过使用作为能源载体的氢气。一种产生氢气的方式是通过电解，电解使用电将水分成氧气和氢气。通过使用来自可再生能源的电力，可以产生所谓的“绿色氢气”。
2、当可再生能源(诸如，风或太阳能)过剩且电价低时，可以例如在很大程度上产生氢气。存在可以使用以便产生氢气的几种电解器技术。无论过程中使用何种化学反应，系统都通常包括至少一个电力电子转换器，其将来自电网的ac电流变换为dc电流。
3、当今用于转换的一个示例是12脉冲晶闸管整流器。然而，该解决方案是成问题的并且带来挑战，例如因为ac侧上的谐波将随着电解器负载的变化而变化。因此，需要将谐波滤波器与晶闸管整流器一起使用。使用晶闸管整流器的另外的问题是，无功功率随着产生的氢气而变化，这需要通过使用statcom来解决。
4、因此，感兴趣的是提供一种用于将ac电流变换为dc电流以供与电解器单元一起使用的改进的方法和系统。
技术实现思路
1、因此，本公开的目标是提供一种系统和方法，该系统和该方法可提供受控电力转换以供与电解器单元一起使用。
2、为了实现该目标，本公开提供了如由独立权利要求定义的一种系统和一种用于控制该系统的方法，该系统包括至少一个变压器、转换器单元、电解器单元、控制单元。在从属权利要求中提供了另外的实施例。
3、根据本公开的第一方面，提供了一种系统。该系统包括可连接到电网的至少一个变压器。所述至少一个变压器被配置成用于将系统与电网电流地隔离以及用于调适与从电网接收到的交流电相关联的输入电压电平。该系统进一步包括连接到所述至少一个变压器的转换器单元。转换器单元被配置成将接收到的交流电转换为转换器单元的正极与负极之间的直流电输出。转换器单元包括至少一个模块化多电平转换器。所述至少一个模块化多电平转换器包括转换器分支。一个转换器分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到(转换器单元的)正极，并且另一个转换器分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到(转换器单元的)负极。每个转换器分支包括至少一个转换器室(cell)和至少一个电感器。该系统进一步包括布置在转换器单元的正极与负极之间的电解器单元。该系统进一步包括控制单元，该控制单元被配置成基于用于驱动电解器单元的参考值来控制从转换器单元到电解器单元的直流电输出。
4、根据本公开的第二方面，提供了一种用于控制系统的方法。该系统包括可连接到电网的至少一个变压器，所述至少一个变压器用于将系统与电网电流地隔离以及用于调适从电网接收到的交流电的输入电压电平。该系统进一步包括转换器单元，该转换器单元连接到所述至少一个变压器并且被配置成将接收到的交流电转换为转换器单元的正极与负极之间的直流电输出。转换器单元包括至少一个模块化多电平转换器，所述至少一个模块化多电平转换器包括转换器分支。一个转换器分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到正极，并且另一个转换器分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到负极。每个转换器分支包括至少一个转换器室和至少一个电感器。该系统进一步包括布置在正极与负极之间的电解器单元。
5、该方法包括：接收参考值，该参考值用于驱动电解器单元并且指示针对转换器单元的正极与负极之间的直流电输出抑或针对转换器单元的正极和负极两端的电压降的目标值。该方法进一步包括：接收指示直流电输出的实际电流值或电压降的实际电压值的信息。实际电流值可基于直流电输出的测量值来确定，抑或基于接收到的交流电的测量值、接着是基于测量的接收到的交流电对直流电输出的估计值来确定。实际电压值可基于代表转换器单元的正极和负极两端的电压的电压测量值来确定。该方法进一步包括：基于接收到的信息和接收到的参考值来控制转换器单元的所述至少一个模块化多电平转换器的转换器室。
6、就参考值而言，本文中意指待用于操作电解器单元的控制值。参考值例如可以是待由电解器单元产生的氢气的体积或量或者是电解器单元旨在产生氢气的速率。此类参考值于是可指示或至少代表待用于转换器单元的操作以便实现参考值的目标值。从参考值导出的目标值例如可以是要在转换器单元的正极与负极之间输出的直流电的电平或者是转换器单元的正极与负极之间的电压电平。从参考值导出的目标值也可以是各极之间的直流电输出的水平和各极之间的电压电平两者。
7、将了解，转换器分支可被称为转换器臂，其中模块化多电平转换器包括上臂/分支和下臂/分支。每个相通常包括上臂和下臂，其中，上臂连接到转换器单元的正极，并且下臂连接到转换器单元的负极。
8、转换器单元的正极和负极也可被称为转换器单元的正端子和负端子。因此，提供了一种系统和方法，其第一功能是利用至少一个模块化多电平转换器将从电网接收到的交流电转换为到电解器单元的直流电输出。预计经由电解产生的氢气量在未来几年内增加。因此，具有用于将电力提供给电解器的更可靠的系统和方法是非常有利的。本系统提供了胜过其他系统的优势，因为在转换器单元中使用模块化多电平转换器不会让谐波污染电网或者至少显著地减少了ac侧上谐波的发生。进一步地，与基于晶闸管整流器的使用的现有技术系统相比，ac侧上对谐波滤波器的需求得以减少且甚至可能被抑制。进一步地，该系统和方法提供了控制电网中的无功功率的可能性。可以使用对无功功率的快速调节连同系统控制到电解器的有功功率的可能性，以稳定可再生能源程度高的电网。因此，对添加无源或有源的无功功率补偿的需求得以减少且甚至可能被抑制。
9、进一步地，由于利用本系统可以满足电网规范(即，对电网的所连接装置的要求)，因此对通常连接到系统、可再生能源发电厂和电网之间的公共连接点的statcom的需求得以减少或甚至消失。
10、进一步地，该系统在dc侧上提供低谐波含量的电压和电流，这有益于电解器单元的操作。系统的高灵活性进一步有益于随时间的推移处理和调适电解器单元的dc电压或dc电流，因为电解器单元在其使用寿命期间可能退化。进一步地，本系统和方法还可用于支持孤岛电网。电解器单元可能需要高的额定电流，并且将来当电解器单元进一步发展时，额定电流将可能更进一步增加。该系统的模块化提供了一种解决方案，该解决方案可用于需要比当今电解器更高额定电流的未来电解器单元。
11、根据实施例，转换器单元包括以并联电路耦合的第一数量z个模块化多电平转换器。第一数量z大于1。本实施例的有利之处在于提高了系统的灵活性。通过将多个模块化多电平转换器并联耦合，可以增加到电解器单元的额定电流。这可以是有利的，因为不同的电解器单元可能需要不同的额定电流，由此确保该系统可用于任何电解器单元。模块化多电平转换器中的每一个可促成将电流的相等部分提供给电解器单元。例如，如果z等于2，则每个模块化多电平转换器可将所需电流的50％提供给电解器单元。然而，应理解，这仅仅是示例，并且模块化多电平转换器中的每一个的贡献可取决于模块化多电平转换器的特性(诸如，转换器室的数量和额定电流)和用于控制该系统的方法或甚至各个模块化多电平转换器的状况而变化。第一数量z可以是大于1的任何数字。然而，如本公开内所公开的，仅具有一个模块化多电平转换器的系统似乎是合理的。
12、根据实施例，所述至少一个变压器包括第二数量w个变压器。换句话说，该系统可包括数量为w个的变压器。该第二数量w可等于第一数量z，使得每个变压器连接到一个模块化多电平转换器。本实施例的有利之处在于，每个模块化多电平转连接到一个变压器。变压器既用于调适传入(incoming)电压以使其适应模块化多电平转换器，又用于电流地隔离模块化多电平转换器。通过为每个模块化多电平转换器提供变压器，提高了系统的灵活性，并且模块化多电平转换器被单独地隔离。进一步地，本系统可有利于处理来自电网的非常高的交流电。
13、根据实施例，所述至少一个变压器是连接到第一数量z个模块化多电平转换器的单个变压器。本实施例的有利之处在于，提供一个变压器是一种更便宜的替代方案。取决于模块化多电平转换器的数量，一个变压器对于系统而言可能已足够。变压器可以是任何类型的变压器。变压器例如可以是双绕组变压器。双绕组变压器包括电网侧上的一个三相连接和转换器侧上的一个三相连接。变压器也可以是三绕组变压器。三绕组变压器包括电网侧上的一个三相连接和这些转换器的侧上的两个三相连接。仅使用一个变压器的系统可有利于降低来自电网的交流电。
14、根据实施例，所述至少一个变压器包括第二数量w个变压器，并且第二数量w小于第一数量z。第二数量w个变压器中的至少一个可连接到多个模块化多电平转换器。在本实施例中，一个变压器可耦合到多个模块化多电平转换器或者耦合到单个模块化多电平转换器，由此提高系统的灵活性。变压器可以是任何种类的变压器。变压器可以是双绕组变压器。变压器也可以是双绕组变压器。变压器也可包括双绕组变压器和三绕组变压器两者。
15、根据实施例，所述至少一个模块化多电平转换器包括六个转换器分支。六个转换器分支包括：三个分支，每个分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到正极；以及另外三个分支，每个分支从所述至少一个变压器的相应ac线路连接到转换器单元的负极。换句话说，本实施例提供了一种用于三相ac侧的系统。
16、根据实施例，每个转换器分支包括多个串行连接的转换器室(或串联连接的转换器室)。将了解，如果不需要串行连接的转换器室中的一些，或者如果一个或多个转换器室由于任何原因停止运作，则可绕过这些室，而无需脱离或停止系统。
17、根据实施例，所述至少一个电感器布置在ac线路与所述多个串行连接的转换器室之间或者布置在串行连接的转换器室与正极或负极之间。电感器也可被称为分支电抗器，并且可以是任何类型的分支电抗器。
18、根据实施例，每个转换器分支包括多个电感器。所述多个电感器中的至少一个布置在所述多个串行连接的转换器室中的两个转换器室之间。在发生内部接地故障的情况下，本实施例是有利的。电感器可以是任何类型的分支电抗器。
19、根据实施例，每个转换器分支的所述至少一个转换器室中的每个转换器室具有全桥拓扑。换句话说，所述至少一个模块化多电平转换器可基于全桥转换器室。全桥转换器室可包括任何自换向半导体开关。这些自换向半导体开关至少包括绝缘栅双极晶体管(igbt)、集成门极换向晶闸管(igct)、注入增强型门极晶体管(legt)、门极关断晶闸管(gto)和金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。
20、根据实施例，每个转换器分支包括具有全桥拓扑的至少一个转换器室和具有半桥拓扑的至少一个转换器室。由于施加到电解器单元的电压(即，转换器单元的正极与负极之间的电压降)应为正，因此模块化多电平转换器可使用全桥转换器室和半桥转换器室的混合体。本实施例的有利之处在于，半桥转换器室的制造成本可比全桥转换器室的制造成本更低。
21、根据实施例，控制单元被配置成通过将实际电流值与目标电流值进行比较或者通过将实际电压值与目标电压值进行比较来控制到电解器单元的直流电输出。目标电流值和目标电压值是从参考值导出的。实际电流值是基于直流电输出的测量值来确定的，抑或基于接收到的交流电的测量值、接着是基于测量的接收到的交流电对直流电输出的估计值来确定的。实际电压值是基于代表转换器单元的正极和负极两端的电压的电压测量值来确定的。本实施例是控制单元可如何控制系统、且特别是所述至少一个模块化多电平转换器单元的转换器室的示例。取决于电解器单元的要求，直流电输出可能发生变化。因此，控制单元可控制模块化多电平转换器，使得来自模块化多电平转换器的组合输出电流与电解器单元的操作所需的电流匹配。控制单元还可被配置成基于代表正极与负极之间的电压的测量值来控制系统。此类测量值例如可以是各极之间的电压，或者它可对应于在电解器单元的电解器堆栈上测量的电压的组合值或在每个转换器室处测量的电压的组合值。进一步地，控制单元可被配置成电流开始一流过电解器单元或者至少高于某个阈值的电流开始一流过电解器单元就从电压控制变为电流控制。
22、根据实施例，该系统进一步包括布置在转换器分支中的一个与正极或负极之间的至少一个端部电感器。在本实施例中，在所述至少一个模块化多电平转换器之后添加至少一个端部电感器或分支电抗器。如果系统具有多个模块化多电平转换器，则可存在多个端部电感器。这些端部电感器可例如放置在正极与每个模块化多电平转换器的连接到正极的端子之间。这些端部电感器也可放置在负极与每个模块化多电平转换器的连接到负极的端子之间。对于每个模块化多电平转，该系统可进一步包括耦合在正极与该模块化多电平转换器之间的一个端部电感器、以及耦合在负极与该模块化多电平转换器之间的一个端部电感器。本实施例提供电流共享、限制谐波并减少故障的影响。
23、根据实施例，电解器单元包括多个串行连接的电解器堆栈。电解器单元可包括任何类型的电解器堆栈。电解器堆栈可进而包括串联连接的多个电解器室。电解器堆栈和室例如可以是基于碱性、质子交换膜(pem)或固体氧化物技术。与其他类型的电解器单元相比，碱性电解器单元的优点在于，它们包更便宜的催化剂，并且具有更高的寿命。与其他电解器相比，pem电解器单元的优点在于，它们具有更高的电流密度、更紧凑、具有更小的占地面积、具有更快的响应、并且允许更动态的操作。
24、根据实施例，该系统进一步包括电解器保护单元。电解器保护单元被配置成基于指示电解器堆栈的各个最大电压和最大电压极限的信息来限制通过电解器单元的电流和/或被配置成引起绕过失灵的电解器堆栈。电解器堆栈以及每个堆栈中可能的多个电解器室可由于例如老化退化、温度差异和制造工艺所致而具有不同的特性。电解器保护单元可确保单独电解器堆栈上的电压不超过该单独电解器堆栈的最大值。电解器保护单元可进一步引起绕过失灵的电解器堆栈或这些电解器堆栈的电解器室。
25、根据实施例，所述至少一个转换器室包括被配置成绕过转换器室的机械旁路开关。在转换器室失灵的情况下，本实施例是有利的。
26、根据实施例，该系统可任选地包括布置在正极与接地连接之间或布置在负极与接地连接之间的至少一个滤波器和浪涌抑制器中的至少一者。所述至少一个滤波器可包括至少一个电阻器和至少一个电容器或者被配置成对谐波进行滤波的至少一个电力电子装置。本实施例的有利之处在于，rc滤波器或包括电力电子装置的滤波器可以减少且甚至去除在dc侧上产生的任何谐波。进一步设想的是，该系统可包括多于一个滤波器。例如，可存在耦合在负极与接地连接之间的一个滤波器以及耦合在正极与接地连接之间的一个滤波器。进一步地，可存在耦合在每个模块化多电平转换器与接地连接之间的滤波器。浪涌抑制器可以是有利的，因为它限制了过电压。
27、根据实施例，参考值指示以下各者中的至少一者：待由电解器单元产生的氢气量、待传导通过电解器单元的电流、待施加在电解器单元上的电压、以及电解器单元的状况。参考值可以是从电解器单元接收到的指示驱动电解器单元所需的电压或电流的任何相关信息。
28、根据实施例，控制转换器室包括：当直流电输出已达到预定阈值时，从电压控制模式转变为电流控制模式。
29、因此，当从电压控制模式转变为电流控制模式时，接收到的信息可从指示实际电压值变为指示实际电流值。
30、电压控制模式意指如下的控制模式：其中控制单元被配置成控制转换器室，使得在转换器单元的正极与负极之间施加特定的电压。电流控制模式意指如下的控制模式：其中控制单元被配置成控制转换器室，使得在转换器单元的正极与负极之间输出特定的dc电流。
31、控制单元可被配置成在这两种模式之间转变，例如当在系统启动之后直流电输出达到预定阈值时。
32、根据实施例，转换器单元包括数量为y个的运作的模块化多电平转换器。控制转换器室可包括：如果数量y减少，则增加由剩余运作的模块化多电平转换器提供的电流。例如，即使一个或多个模块化多电平转换器经历故障或失灵，系统也可保持工作。系统的模块化允许控制单元控制剩余运作的模块化多电平转换器，以便向电解器单元递送所需的直流电输出(假设剩余运作的模块化多电平转换器可以应付增加的电流)。
33、根据另一个实施例，仍然在包括数量为y个的运作的模块化多电平转换器的转换器单元的情况下，控制转换器室包括：如果数量y减少，则调整参考值。例如，在模块化多电平转换器已经在最大负载下运作的情况下，如果模块化多电平转换器中的一个或多个失灵，则可调整参考值。这可确保系统保持向电解器单元递送直流电输出。
34、所公开的实施例的其他目的、特征和优点将从以下详细公开内容以及从附图中显而易见。
35、应注意，本公开的实施例涉及权利要求中叙述的特征的所有可能组合。进一步地，将了解，针对如根据第一方面定义的系统所描述的各种实施例和针对根据第二方面的方法所描述的实施例全部都可彼此组合。
1.一种系统(100)，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述转换器单元包括以并联电路耦合的第一数量z个模块化多电平转换器，其中，所述第一数量z大于1。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个变压器包括第二数量w个变压器，其中，所述第二数量w等于所述第一数量z，并且其中，每个变压器连接到一个模块化多电平转换器。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个变压器是连接到所述第一数量z个模块化多电平转换器的单个变压器。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个变压器包括第二数量w个变压器，其中，所述第二数量w小于所述第一数量z，并且其中，所述第二数量w个变压器中的至少一个连接到多个模块化多电平转换器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述至少一个模块化多电平转换器包括六个转换器分支，其中，所述六个转换器分支包括：三个分支，每个分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到所述正极；以及另外三个分支，每个分支从所述至少一个变压器的相应ac线路连接到所述转换器单元的所述负极。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，每个转换器分支包括多个串行连接的转换器室。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个电感器布置在所述ac线路与所述多个串行连接的转换器室之间或者布置在所述串行连接的转换器室与所述正极或负极之间。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，每个转换器分支包括多个电感器，并且其中，所述多个电感器中的至少一个布置在所述多个串行连接的转换器室中的两个转换器室之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，每个转换器分支的所述至少一个转换器室中的每个转换器室具有全桥拓扑。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，每个转换器分支包括具有全桥拓扑的至少一个转换器室和具有半桥拓扑的至少一个转换器室。
12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述控制单元被配置成通过将实际电流值与目标电流值进行比较或者通过将实际电压值与目标电压值进行比较来控制到所述电解器单元的所述直流电输出，其中，所述目标电流值和所述目标电压值是从所述参考值导出的，其中，所述实际电流值是基于所述直流电输出的测量值来确定的，抑或基于所述接收到的交流电的测量值、接着是基于所述测量的接收到的交流电对所述直流电输出的估计值来确定的，并且其中，所述实际电压值是基于代表所述转换器单元的所述正极和所述负极两端的电压的电压测量值来确定的。
13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其进一步包括布置在所述转换器分支中的一个与所述正极或所述负极之间的至少一个端部电感器(285)。
14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述电解器单元包括多个串行连接的电解器堆栈(165)。
15.根据权利要求14所述的系统，其进一步包括电解器保护单元，其中，所述电解器保护单元被配置成基于指示所述电解器堆栈的各个最大电压和最大电压极限的信息来限制通过所述电解器单元的电流，和/或其中，所述电解器保护单元被配置成引起绕过失灵的电解器堆栈。
16.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述至少一个转换器室包括被配置成绕过所述转换器室的机械旁路开关。
17.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其进一步包括布置在所述正极与接地连接之间或布置在所述负极与接地连接之间的至少一个滤波器(180)和浪涌抑制器中的至少一者，其中，所述至少一个滤波器包括至少一个电阻器和至少一个电容器或者被配置成对谐波进行滤波的至少一个电力电子装置。
18.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述参考值指示以下各者中的至少一者：待由所述电解器单元产生的氢气量、待传导通过所述电解器单元的电流、施加到所述电解器单元的电压、以及所述电解器单元的状况。
19.一种用于控制系统(100)的方法(1300)，所述系统包括：能够连接到电网的至少一个变压器，所述至少一个变压器用于将所述系统与所述电网电流地隔离以及用于调适从所述电网接收到的交流电的输入电压电平，转换器单元，其连接到所述至少一个变压器并且被配置成将所述接收到的交流电转换为所述转换器单元的正极与负极之间的直流电输出，其中，所述转换器单元包括至少一个模块化多电平转换器，所述至少一个模块化多电平转换器包括转换器分支，其中，一个转换器分支从所述至少一个变压器的ac线路连接到所述正极，并且另一个转换器分支从所述至少一个变压器的所述ac线路连接到所述负极，并且其中，每个转换器分支包括至少一个转换器室和至少一个电感器，并且其中，所述系统进一步包括布置在所述转换器单元的所述正极与所述负极之间的电解器单元，所述方法包括：
20.根据权利要求19所述的方法，其中，控制所述转换器室包括：当所述直流电输出已达到预定阈值时，从电压控制模式转变(1340)为电流控制模式。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述转换器单元包括数量为y个的运作的模块化多电平转换器，并且其中，控制所述转换器室包括：如果所述数量y减少，则增加(1350)由剩余运作的模块化多电平转换器提供的电流。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中，所述转换器单元包括数量为y个的运作的模块化多电平转换器，并且其中，控制所述转换器室包括：如果所述数量y减少，则调整(1360)所述参考值。
