本发明属于电力电子技术领域，具体涉及了一种高变比宽输入范围电力电子变换拓扑。
背景技术：
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，并且已经在工业、交通、建筑供热等领域逐步推广，未来氢能在终端应用网络的大规模推广对规模化绿色制氢方式提出了新的挑战，可再生能源制氢被认为是未来主要的绿色氢气来源，且能够有效提升我国可再生能源利用率，例如风电制氢，对于解决风电就地消纳和发展分散式风力发电技术，实现可再生能源多途径高效利用具有重要意义，受到国内外广泛关注，风电制氢技术主要包括以下几种模式：(1)风电并网，将超出电网接纳能力的部分制氢；(2)风力发电为主，电网提供辅助的制氢系统；(3)风电制氢-燃料电池微网系统；(4)基于风电制氢的储能系统；(5)风电完全离网制氢[1]。
离网制氢技术避免了交流电上网带来的相位差、频率差等问题，能够大量简化控制系统、删减并网所需的辅助设备、能够适配结构优化的低成本风力发电机，因此与并网制氢系统、或者电网取电电解水制氢相比成本显著降低。由于电解槽额定工作电压低、对电流纹波指标要求较高、对功率波动较为敏感等特性，对整个系统的电能变换环节提出了与并网完全不同得要求。随着风力发电机朝着大功率快速发展，非隔离型dc/dc变换器受到器件工作电压和工作电流范围制约，较难适用于mw级大功率应用场合。文献[2]的对比结果显示隔离型变压器较为适合风机制氢的高变比应用场合，但是为了保证模块化隔离型dc/dc工作在最优工作范围，通常需要保证前端电压稳定。因此其应用场合一般连接于稳定的直流母线，或者通过前置dc/dc，ac/dc变换器稳定其输入电压。例如文献[3]提出一种风电制氢拓扑方案，通过采用不控整流桥，显著降低系统成本，通过在隔离型dc/dc前置buck电路，以增加电压/电流控制自由度。但是这种电路同样无法应用于大功率场合。
模块化隔离型dc/dc串并联是高电压大功率场合一个较为成熟的方案，其中输入串联、输出并联型模块化隔离型dc/dc，具有可扩展型，高可靠性，低电流纹波等优点，且特别适用于大功率大变比降压场合，文献[4]对这种方案的均压、均流控制策略进行了研究，但是其同样需要与稳定的直流母线连接，以便于使整个系统工作在最优范围，例如让隔离型dc/dc的开关器件能够持续工作在软开关模式，而常用的永磁同步风机输出电压频率与幅值均随风速变化，通过不控整流后的直流电压也无法直接保持稳定，无法直接采用该类型dc/dc连接电解槽。文献[5]提出一种交流侧通过级联子单元组成，各级联子单元直流侧作为独立输入，输出并联型的ac-dc变换器，为高压交流到低压直流变流提出了一种新的思路，但是这种拓扑结构应用于三相交流电时，存在子模块数量将增加3倍的问题。
以下文献是与本发明相关的技术背景资料：
[1]孙鹤旭、李争、陈爱兵、张岩、梅春晓，风电制氢技术现状及发展趋势[j]，中国电机工程学报，2019，34(19)：4071-4083.
[2]damienguilbert,stefaniamariacollura,angelscipioni.dc/dcconvertertopologiesforelectrolyzers:state-of-the-artandremainingkeyissues[j].internationaljournalofhydrogenenergy,2017,42:23966-23985.
[3]stefaniamariacollura,damienguilbert,gianpaolovitaleetal.designandexperimentalvalidationofahighvoltageratiodc/dcconverterforprotonexchangemembraneelectrolyzerapplications[j].internationaljournalofhydrogenenergy,2019,44:7059-7072.
[4]黄先进、赵鹃，一种基于输入串联输出并联移相全桥变换器的改进型交错控制方法研究[j]，电工技术学报，2019.
[5]武明义、侯聂、宋文胜、蒋威，独立输入并联输出全桥隔离dc-dc变换器直接功率平衡控制[j]，中国电机工程学报，2018，38(5)：1329-1337.
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题，即现有风电离网制氢系统中高变比宽输入范围电力电子变换拓扑子模块数量多、结构复杂、无法直接连接电解槽的问题，本发明提供了一种高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，该拓扑包括三相不控整流桥、电感模块、子模块组、滤波器；
所述三相不控整流桥用于接收基于风能转换获得的交流电能，并将所述交流电能转换为直流电源；
所述电感模块用于对所述三相不控整流桥发送的直流电源进行隔离及滤波，去除所述直流电源中的残余交流电能；
所述子模块组用于接收所述电感模块发送的隔离及滤波后的直流电源，并进行电压变换得到低电压直流电源；
所述滤波器用于接收所述子模块组发送的低电压直流电源，进行纹波滤除后发送至制氢电解槽模块。
在一些优选的实施例中，所述三相不控整流桥交流输入侧与风机输出侧相连，直流输出侧的正直流母线与所述电感一端相连，直流输出侧的负直流母线与所述子模块组负输入端相连；
所述电感另一端与所述子模块组正输入端相连；
所述子模块组正输出端与所述滤波器正输入端相连，所述子模块组负输出端与所述滤波器负输入端相连；
所述滤波器正输出端与制氢电解槽模块正输入端相连，所述滤波器负输出端与制氢电解槽模块负输入端相连。
在一些优选的实施例中，所述子模块组包括n个子模块；
所述n个子模块在输入端串联；所述n个子模块中第1个子模块第一输入端作为所述子模块组的正输入端，第n个子模块第二输入端作为所述子模块组的负输入端，第n个子模块第一输入端与第n-1个子模块第二输入端相连；
所述n个子模块在输出端并联；所述n个子模块中每一个子模块第一输出端连接到一起作为所述子模块组的正输出端，所述n个子模块中每一个子模块第二输出端连接到一起作为所述子模块组的负输出端。
在一些优选的实施例中，所述子模块包括半桥子单元、隔离dc-dc；
所述半桥子单元第一输入端作为所述子模块第一输入端，第二输入端作为所述子模块第二输入端，第一输出端与所述隔离dc-dc输入侧正极相连，第二输出端与所述隔离dc-dc输入侧负极相连；
所述隔离dc-dc输出侧正极作为所述子模块第一输出端，负极作为所述子模块第二输出端。
在一些优选的实施例中，所述半桥子单元包括第一电容、第二电容、二极管、全控器件；
所述第一电容正极与所述二极管阴极相连，作为所述半桥子单元直流母线正极，负极与所述第二电容正极相连；
所述第二电容负极与所述全控器件的发射极相连，作为所述半桥子单元的第二输入端以及半桥子单元直流母线负极；
所述全控器件的集电极与所述二级管阳极相连，作为所述半桥子单元的第一输入端。
在一些优选的实施例中，所述隔离dc-dc包括逆变结构、变压器、不控整流桥；
所述逆变结构第一输出端与所述变压器输入侧正极相连，第二输出端与所述变压器输入侧负极相连；
所述变压器输出侧正极与所述不控整流桥第一输入端相连，输出侧负极与所述不控整流桥第二输入端相连；
所述逆变结构直流侧正极与负极作为隔离dc-dc的两个输入端，所述不控整流桥直流侧正极与负极作为隔离dc-dc的两个输出端。
本发明的另一方面，提出了一种风电离网制氢系统，基于上述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，该系统包括永磁风机、高变比宽输入范围电力电子变换拓扑、制氢电解槽模块；
所述永磁风机用于将风能转换为交流电能，并发送至所述高变比宽输入范围电力电子变换拓扑；
所述高变比宽输入范围电力电子变换拓扑用于基于所述交流电能获取纹波滤除后的低电压直流电源，并发送至所述制氢电解槽模块；
所述制氢电解槽模块用于接收所述纹波滤除后的低电压直流电源，并进行风电离网制氢。
在一些优选的实施例中，所述永磁风机为永磁同步风机。
本发明的有益效果：
(1)本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，通过级联子单元直流电容分压、隔离dc-dc高频变压器变比、输出并联三种方式结合实现高变比电压，可通过对多个隔离dc-dc的采取交错控制，采用输出纹波抵消的方法实现电感电流低纹波效应，模块数量少、结构简单，满足电解槽的低纹波输入要求，可直接连接电解槽。
(2)本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，全控器件数量少，降低系统成本，采用模块化结构，便于实现冗余配置，提高系统可靠性，同时，本发明拓扑中采用的均为低压常规部件，拓扑结构简单、方便实现，可靠性高。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑的结构示意图；
图2是本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑一种实施例的子模块组构成示意图；
图3是本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑一种实施例的子模块结构示意图；
图4是本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑一种实施例的半桥子单元与隔离dc-dc结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，该拓扑包括三相不控整流桥、电感模块、子模块组、滤波器；
所述三相不控整流桥用于接收基于风能转换获得的交流电能，并将所述交流电能转换为直流电源；
所述电感模块用于对所述三相不控整流桥发送的直流电源进行隔离及滤波，去除所述直流电源中的残余交流电能；
所述子模块组用于接收所述电感模块发送的隔离及滤波后的直流电源，并进行电压变换得到低电压直流电源；
所述滤波器用于接收所述子模块组发送的低电压直流电源，进行纹波滤除后发送至制氢电解槽模块。
为了更清晰地对本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明一种实施例的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，包括三相不控整流桥、电感模块、子模块组、滤波器，各模块详细描述如下：
三相不控整流桥用于接收基于风能转换获得的交流电能，并将交流电能转换为直流电源。三相不控整流桥交流输入侧与风机输出侧相连，直流输出侧的正直流母线与电感一端相连，直流输出侧的负直流母线与子模块组负输入端相连。
不控整流桥只需要几只晶闸管和触发电路，无需宽脉冲或双脉冲触发，线路简单经济、调整方便，其输出电压不可控，仅由电网电压决定，多用在中等容量或不要求可逆拖动的电力装置中。
电感模块用于对三相不控整流桥发送的直流电源进行隔离及滤波，去除直流电源中的残余交流电能。电感一端与三相不控整流桥直流输出侧的正直流母线相连，另一端与子模块组正输入端相连。
子模块组用于接收电感模块发送的隔离及滤波后的直流电源，并进行电压变换得到低电压直流电源。子模块组正输出端与滤波器正输入端相连，负输出端与滤波器负输入端相连，正输入端与电感相连，负输入端与三相不控整流桥直流输出侧的负直流母线相连。
滤波器用于接收子模块组发送的低电压直流电源，进行纹波滤除后发送至制氢电解槽模块。滤波器正输出端与制氢电解槽模块正输入端相连，负输出端与制氢电解槽模块负输入端相连。
风机6输出侧与三相不控整流桥1交流输入侧连接，三相不控整流桥直流输出侧的正直流母线11与电感一侧13连接，电感另一侧14与子模块组的第一输入端15连接，三相不控整流桥直流输出侧的负直流母线12与子模块组的第二输入端16连接。子模块组的第一输出端17与滤波器的第一输入端19连接，子模块组的第二输出端18与滤波器的第二输入端20连接，滤波器的第一输出端21与制氢电解槽模块的第一输入端23连接，滤波器的第二输出端22与制氢电解槽模块的第二输入端24连接。
子模块组包括n个子模块；
n个子模块在输入端串联；n个子模块中第1个子模块第一输入端作为子模块组的正输入端，第n个子模块第二输入端作为子模块组的负输入端，第n个子模块第一输入端与第n-1个子模块第二输入端相连；
n个子模块在输出端并联；n个子模块中每一个子模块第一输出端连接到一起作为子模块组的正输出端，n个子模块中每一个子模块第二输出端连接到一起作为子模块组的负输出端。
如图2所示，为本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑一种实施例的子模块组构成示意图，包括n个子模块：子模块1第一输入端21作为子模块组的第一输入端，子模块1第二输入端22与子模块2第一输入端23连接，以此类推，子模块n-1第二输入端25与子模块n第一输入端26连接，子模块n第二输入端27作为子模块组的第二输入端。子模块1到子模块n的第一输出端连接在一起作为子模块组的第一输出端，子模块1到子模块n的第二输出端连接在一起作为子模块组的第二输出端。
子模块包括半桥子单元、隔离dc-dc；
半桥子单元第一输入端作为子模块第一输入端，第二输入端作为子模块第二输入端，第一输出端与隔离dc-dc输入侧正极相连，第二输出端与隔离dc-dc输入侧负极相连；
隔离dc-dc输出侧正极作为子模块第一输出端，负极作为子模块第二输出端。
如图3所示，为本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑一种实施例的子模块结构示意图，包括半桥子单元、隔离dc-dc：半桥子单元的第一输入端41作为子模块第一输入端，半桥子单元的第二输入端42作为子模块第二输入端；半桥子单元的直流母线正极(第一输出端)43连接隔离dc-dc输入侧正极45，半桥子单元的直流母线负极(第二输出端)44连接隔离dc-dc输入侧负极46；隔离dc-dc输出侧正极47作为子模块的第一输出端，隔离dc-dc输出侧负极48作为子模块的第二输出端。
半桥子单元包括第一电容、第二电容、二极管、全控器件；
第一电容正极与二极管阴极相连，作为半桥子单元直流母线正极，负极与第二电容正极相连；
第二电容负极与全控器件的发射极相连，作为半桥子单元的第二输入端以及半桥子单元直流母线负极；
全控器件的集电极与二级管阳极相连，作为半桥子单元的第一输入端。
隔离dc-dc包括逆变结构、变压器、不控整流桥；
逆变结构第一输出端与所述变压器输入侧正极相连，第二输出端与变压器输入侧负极相连；
变压器输出侧正极与所述不控整流桥第一输入端相连，输出侧负极与所述不控整流桥第二输入端相连；
逆变结构直流侧正极与负极作为隔离dc-dc的两个输入端，所述不控整流桥直流侧正极与负极作为隔离dc-dc的两个输出端。
半桥子单元、隔离dc-dc可由多种形式组成，如图4所示，为本发明高变比宽输入范围电力电子变换拓扑一种实施例的半桥子单元与隔离dc-dc结构示意图。半桥子单元包括：包括第一电容51、第二电容52、二极管53、全控器件54，第一电容的正极与二极管阴极连接为半桥子单元直流母线的正极，第一电容的负极与第二电容的正极连接，第二电容的负极与全控器件的发射极连接作为半桥子单元的第二输入端，且为半桥子单元直流母线负极，全控器件的集电极与二极管阳极连接作为半桥子单元的第一输入端。隔离dc-dc包括：逆变结构59、变压器57、不控整流桥58，逆变结构的直流侧正极负极作为隔离dc-dc的两个输入端，逆变结构的交流侧与变压器输入端连接，变压器输出端与单相不控整流桥交流侧连接，单相不控整流桥的直流侧正极负极作为隔离dc-dc的输出端。
需要说明的是，上述实施例提供的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。
本发明第二实施例的风电离网制氢系统，基于上述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，该系统包括永磁风机、高变比宽输入范围电力电子变换拓扑、制氢电解槽模块；
永磁风机用于将风能转换为交流电能，并发送至高变比宽输入范围电力电子变换拓扑；其中，永磁风机为永磁同步风机。
高变比宽输入范围电力电子变换拓扑用于基于交流电能获取设定频率的直流电源，并发送至制氢电解槽模块；
制氢电解槽模块用于接收设定频率的直流电源，并进行风电离网制氢。
风电离网制氢是一种与风电并网或者部分并网部分制氢完全不同的技术路径，生产的氢气能够供给工业、交通、等不同领域用途。离网制氢技术避免了交流电上网带来的相位差、频率差等问题，因此能够大量简化控制系统、删减并网所需的辅助设备、能够适配结构优化的低成本风力发电机，因此与并网制氢系统、或者电网取电电解水制氢相比成本显著降低。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
1.一种高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，其特征在于，该拓扑包括三相不控整流桥、电感模块、子模块组、滤波器；
所述三相不控整流桥用于接收基于风能转换获得的交流电能，并将所述交流电能转换为直流电源；
所述电感模块用于对所述三相不控整流桥发送的直流电源进行隔离及滤波，去除所述直流电源中的残余交流电能；
所述子模块组用于接收所述电感模块发送的隔离及滤波后的直流电源，并进行电压变换得到低电压直流电源；
所述滤波器用于接收所述子模块组发送的低电压直流电源，进行纹波滤除后发送至制氢电解槽模块。
2.根据权利要求1所述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，其特征在于，所述三相不控整流桥交流输入侧与风机输出侧相连，直流输出侧的正直流母线与所述电感一端相连，直流输出侧的负直流母线与所述子模块组负输入端相连；
所述电感另一端与所述子模块组正输入端相连；
所述子模块组正输出端与所述滤波器正输入端相连，所述子模块组负输出端与所述滤波器负输入端相连；
所述滤波器正输出端与制氢电解槽模块正输入端相连，所述滤波器负输出端与制氢电解槽模块负输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，其特征在于，所述子模块组包括n个子模块；
所述n个子模块在输入端串联；所述n个子模块中第1个子模块第一输入端作为所述子模块组的正输入端，第n个子模块第二输入端作为所述子模块组的负输入端，第n个子模块第一输入端与第n-1个子模块第二输入端相连；
所述n个子模块在输出端并联；所述n个子模块中每一个子模块第一输出端连接到一起作为所述子模块组的正输出端，所述n个子模块中每一个子模块第二输出端连接到一起作为所述子模块组的负输出端。
4.根据权利要求3所述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，其特征在于，所述子模块包括半桥子单元、隔离dc-dc；
所述半桥子单元第一输入端作为所述子模块第一输入端，第二输入端作为所述子模块第二输入端，第一输出端与所述隔离dc-dc输入侧正极相连，第二输出端与所述隔离dc-dc输入侧负极相连；
所述隔离dc-dc输出侧正极作为所述子模块第一输出端，负极作为所述子模块第二输出端。
5.根据权利要求4所述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，其特征在于，所述半桥子单元包括第一电容、第二电容、二极管、全控器件；
所述第一电容正极与所述二极管阴极相连，作为所述半桥子单元直流母线正极，负极与所述第二电容正极相连；
所述第二电容负极与所述全控器件的发射极相连，作为所述半桥子单元的第二输入端以及半桥子单元直流母线负极；
所述全控器件的集电极与所述二级管阳极相连，作为所述半桥子单元的第一输入端。
6.根据权利要求4所述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，其特征在于，所述隔离dc-dc包括逆变结构、变压器、不控整流桥；
所述逆变结构第一输出端与所述变压器输入侧正极相连，第二输出端与所述变压器输入侧负极相连；
所述变压器输出侧正极与所述不控整流桥第一输入端相连，输出侧负极与所述不控整流桥第二输入端相连；
所述逆变结构直流侧正极与负极作为隔离dc-dc的两个输入端，所述不控整流桥直流侧正极与负极作为隔离dc-dc的两个输出端。
7.一种风电离网制氢系统，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的高变比宽输入范围电力电子变换拓扑，该系统包括永磁风机、高变比宽输入范围电力电子变换拓扑、制氢电解槽模块；
所述永磁风机用于将风能转换为交流电能，并发送至所述高变比宽输入范围电力电子变换拓扑；
所述高变比宽输入范围电力电子变换拓扑用于基于所述交流电能获取纹波滤除后的低电压直流电源，并发送至所述制氢电解槽模块；
所述制氢电解槽模块用于接收所述纹波滤除后的低电压直流电源，并进行风电离网制氢。
8.根据权利要求7所述的风电离网制氢系统，其特征在于，所述永磁风机为永磁同步风机。
技术总结