基于光氢储的多能互补系统研究

时间：2022-03-22 02:21:29

关键字：多能互补光氢储模型

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[导读]摘要:考虑到光伏发电出力随机性大、波动较强等问题,提出了含制氢系统与储能单元的多能互补系统。该多能互补系统包含光伏发电、电解槽、氢燃料电池、锂电池等模块,不仅可以平抑直流母线电压波动,还可以平滑并网功率。最后,通过PsCAD/EMTDC仿真验证了该系统的有效性。

引言

目前大部分能源系统都是独立设计和规划的,相互间没有协调控制,因此,由不同能源设备互联的系统成为提高能源利用率的方案之一。国内外已有学者进行了很多基于光氢储的并网系统建模与协调控制研究。文献将电解槽和蓄电池储能接入并网系统,实现光伏发电系统平稳输出;文献提出了由光伏发电、燃料电池、蓄电池及超级电容器组成的混合并网系统,可保证对负荷的不间断供电;文献采用电解槽和燃料电池结合的方法,解决了光伏功率波动性较大的问题;文献提出了由光伏发电/风力发电/燃料电池构成的混合系统,解决了不同能源间的优化运行及协调控制问题。综上所述,国内外对光氢混合系统的建模与控制研究还处在初级阶段,有待深入研究。

本文建立了光伏电池、电解槽、燃料电池、锂电池耦合于直流母线的混合发电系统模型,并搭建了相应的DC/DC变流器模型,通过仿真结果验证了所提多能互补系统的有效性。

1系统的数学建模

1.1光伏发电系统

光伏阵列及并网逆变器单元通过升压变接入大电网,大量的光伏组件串并联组成了光伏阵列。光伏电池的等效电路方程:

光伏阵列的数学模型公式:

式中,Ipv,cell、Ipv为光生电流;Io,cell、Io为饱和电流;g为电子电荷;a为二极管理想常数;k为波尔兹曼常数;N为PN结的温度;Ut为光伏电池的输出电压,Ut=NskN/g,us为串联光伏电池数目;Rs是等效串联电阻;Rp是等效并联电阻。

1.2电解槽模型EL电压方程:

式中,.cell为电解槽电压;.0为可逆的电池电压;r1、r2为电解液欧姆电阻;Nel为电解液温度;A是电极的面积;.el为EL电压;iel为电解液产生的电流;s1、s2、s3、11、12、13是电极过电压参数;Nel为电解槽数量。

1.3燃料电池模型

单个燃料电池电压方程:

单个燃料电堆电压方程:

式中,Enerst为热力学电动势;Vact为活化过电压;Vohm为欧姆过电压;Vconc为浓差过电压;Nfc为单体串联数量。

2混合系统控制策略

2.1光伏发电控制模块

如图1所示,光伏发电模块采用电压闭环控制,其中光伏输出电流7pv由端电压Vpv决定;Vmppt为产生最大功率所需要的端电压;D为BOOsT变换器的控制信号。

2.2电解槽控制模块

如图2所示,EL模块采用电流闭环控制,Pelref为功率参考值,与实际功率Pbat进行比较,Pbat与定时器控制信号有关,D为BUCK变换器的控制信号。

2.3燃料电池控制模块

如图3所示,FC模块采用电流闭环控制,根据HYs能量管理中心产生的参考功率Pfcref除以FC端电压Ufc产生电流参考值ifcref,控制信号D是由ifcref与ifc两者的误差通过PI控制器产生的。

将上述光伏发电、电解槽制氢、氢燃料电池储能等模块并联接入直流母线,再通过逆变器接入交流电网,并通过控制DC-DC变换器实现充换电转换,逆变器控制直流母线电压稳定来实现整个系统协调运行。

3仿真结果分析

根据上述建立的多能互补系统数学模型和控制策略,在PsCAD/EMTDC软件中搭建光伏/制氢/氢燃料电池/锂电池储能混合并网系统,系统主要参数如表1所示。

仿真工况:PV出力(Ppv=0.26Mw）和燃料电池(Pfc=0.1Mw）总需求大于网侧负荷需求(Pg=0.1Mw）与EL消纳功率(Pel=0.1Mw）之和,此时系统所剩有功功率总和为Pbus=Ppv＋Pfc-Pg-Pel=0.16Mw,LIB快速动作,吸收系统的剩余有功功率Pbus,LIB处于充电状态,此时,LIB吸收系统剩余的有功功率为Plib=Pbus,随着LIB充电时间的增加,其端电压Ulib(0.4kV）不断升高,在仿真运行到2s时刻达到最大值,Ulib=Ulibmax(0.5kV）,LIB退出运行,此时,EL消纳系统功率增加为Pel=Ppv＋Pfc-Pg=0.T+Mw。仿真结果如图4～6所示。