基于光氫儲的多能互補(bǔ)系統(tǒng)研究

引言

目前大部分能源系統(tǒng)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)和規(guī)劃的,相互間沒有協(xié)調(diào)控制,因此,由不同能源設(shè)備互聯(lián)的系統(tǒng)成為提高能源利用率的方案之一。國內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行了很多基于光氫儲的并網(wǎng)系統(tǒng)建模與協(xié)調(diào)控制研究。文獻(xiàn)將電解槽和蓄電池儲能接入并網(wǎng)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)輸出;文獻(xiàn)提出了由光伏發(fā)電、燃料電池、蓄電池及超級電容器組成的混合并網(wǎng)系統(tǒng),可保證對負(fù)荷的不間斷供電;文獻(xiàn)采用電解槽和燃料電池結(jié)合的方法,解決了光伏功率波動性較大的問題;文獻(xiàn)提出了由光伏發(fā)電/風(fēng)力發(fā)電/燃料電池構(gòu)成的混合系統(tǒng),解決了不同能源間的優(yōu)化運(yùn)行及協(xié)調(diào)控制問題。綜上所述,國內(nèi)外對光氫混合系統(tǒng)的建模與控制研究還處在初級階段,有待深入研究。

本文建立了光伏電池、電解槽、燃料電池、鋰電池耦合于直流母線的混合發(fā)電系統(tǒng)模型,并搭建了相應(yīng)的DC/DC變流器模型,通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提多能互補(bǔ)系統(tǒng)的有效性。

1系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏陣列及并網(wǎng)逆變器單元通過升壓變接入大電網(wǎng),大量的光伏組件串并聯(lián)組成了光伏陣列。光伏電池的等效電路方程:

光伏陣列的數(shù)學(xué)模型公式:

式中,Ipv,cell、Ipv為光生電流;Io,cell、Io為飽和電流;g為電子電荷;a為二極管理想常數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);N為PN結(jié)的溫度;Ut為光伏電池的輸出電壓,Ut=NskN/g,us為串聯(lián)光伏電池?cái)?shù)目;Rs是等效串聯(lián)電阻;Rp是等效并聯(lián)電阻。

1.2電解槽模型EL電壓方程:

式中,.cell為電解槽電壓;.0為可逆的電池電壓;r1、r2為電解液歐姆電阻;Nel為電解液溫度;A是電極的面積;.el為EL電壓;iel為電解液產(chǎn)生的電流;s1、s2、s3、11、12、13是電極過電壓參數(shù);Nel為電解槽數(shù)量。

1.3燃料電池模型

單個燃料電池電壓方程:

單個燃料電堆電壓方程:

式中,Enerst為熱力學(xué)電動勢;Vact為活化過電壓;Vohm為歐姆過電壓;Vconc為濃差過電壓;Nfc為單體串聯(lián)數(shù)量。

2混合系統(tǒng)控制策略

2.1光伏發(fā)電控制模塊

如圖1所示,光伏發(fā)電模塊采用電壓閉環(huán)控制,其中光伏輸出電流7pv由端電壓Vpv決定;Vmppt為產(chǎn)生最大功率所需要的端電壓;D為BOOsT變換器的控制信號。

2.2電解槽控制模塊

如圖2所示,EL模塊采用電流閉環(huán)控制,Pelref為功率參考值,與實(shí)際功率Pbat進(jìn)行比較,Pbat與定時器控制信號有關(guān),D為BUCK變換器的控制信號。

2.3燃料電池控制模塊

如圖3所示,FC模塊采用電流閉環(huán)控制,根據(jù)HYs能量管理中心產(chǎn)生的參考功率Pfcref除以FC端電壓Ufc產(chǎn)生電流參考值ifcref,控制信號D是由ifcref與ifc兩者的誤差通過PI控制器產(chǎn)生的。

將上述光伏發(fā)電、電解槽制氫、氫燃料電池儲能等模塊并聯(lián)接入直流母線,再通過逆變器接入交流電網(wǎng),并通過控制DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)充換電轉(zhuǎn)換,逆變器控制直流母線電壓穩(wěn)定來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

3仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述建立的多能互補(bǔ)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制策略,在PsCAD/EMTDC軟件中搭建光伏/制氫/氫燃料電池/鋰電池儲能混合并網(wǎng)系統(tǒng),系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

仿真工況:PV出力(Ppv=0.26Mw）和燃料電池(Pfc=0.1Mw）總需求大于網(wǎng)側(cè)負(fù)荷需求(Pg=0.1Mw）與EL消納功率(Pel=0.1Mw）之和,此時系統(tǒng)所剩有功功率總和為Pbus=Ppv＋Pfc-Pg-Pel=0.16Mw,LIB快速動作,吸收系統(tǒng)的剩余有功功率Pbus,LIB處于充電狀態(tài),此時,LIB吸收系統(tǒng)剩余的有功功率為Plib=Pbus,隨著LIB充電時間的增加,其端電壓Ulib(0.4kV）不斷升高,在仿真運(yùn)行到2s時刻達(dá)到最大值,Ulib=Ulibmax(0.5kV）,LIB退出運(yùn)行,此時,EL消納系統(tǒng)功率增加為Pel=Ppv＋Pfc-Pg=0.T+Mw。仿真結(jié)果如圖4～6所示。

4結(jié)論

通過仿真分析得到以下結(jié)論:

(1）本文提出的控制策略可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)出力可控,上網(wǎng)功率平滑,且直流母線電壓穩(wěn)定在800V。

(2）能量管理系統(tǒng)中,通過PV單元、EL單元、FC單元及LIB單元的協(xié)調(diào)配合,鋰離子電池LIB可以在PV出力波動的三種工況下充放電完全,燃料電池FC可以根據(jù)產(chǎn)生的氫氣量控制發(fā)電多少,電解槽EL能夠快速實(shí)現(xiàn)運(yùn)行與退出。

(3）相比于PV模塊獨(dú)立并網(wǎng)發(fā)電,多能互補(bǔ)系統(tǒng)提高了太陽能和氫能利用率,符合綠色能源的發(fā)展要求。