基于光氫儲的多能互補系統(tǒng)研究

時間：2022-03-22 02:21:29

關鍵字：多能互補光氫儲模型

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[導讀]摘要:考慮到光伏發(fā)電出力隨機性大、波動較強等問題,提出了含制氫系統(tǒng)與儲能單元的多能互補系統(tǒng)。該多能互補系統(tǒng)包含光伏發(fā)電、電解槽、氫燃料電池、鋰電池等模塊,不僅可以平抑直流母線電壓波動,還可以平滑并網功率。最后,通過PsCAD/EMTDC仿真驗證了該系統(tǒng)的有效性。

引言

目前大部分能源系統(tǒng)都是獨立設計和規(guī)劃的,相互間沒有協(xié)調控制,因此,由不同能源設備互聯(lián)的系統(tǒng)成為提高能源利用率的方案之一。國內外已有學者進行了很多基于光氫儲的并網系統(tǒng)建模與協(xié)調控制研究。文獻將電解槽和蓄電池儲能接入并網系統(tǒng),實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)輸出;文獻提出了由光伏發(fā)電、燃料電池、蓄電池及超級電容器組成的混合并網系統(tǒng),可保證對負荷的不間斷供電;文獻采用電解槽和燃料電池結合的方法,解決了光伏功率波動性較大的問題;文獻提出了由光伏發(fā)電/風力發(fā)電/燃料電池構成的混合系統(tǒng),解決了不同能源間的優(yōu)化運行及協(xié)調控制問題。綜上所述,國內外對光氫混合系統(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,并搭建了相應的DC/DC變流器模型,通過仿真結果驗證了所提多能互補系統(tǒng)的有效性。

1系統(tǒng)的數(shù)學建模

1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏陣列及并網逆變器單元通過升壓變接入大電網,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)光伏電池數(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,與實際功率Pbat進行比較,Pbat與定時器控制信號有關,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HYs能量管理中心產生的參考功率Pfcref除以FC端電壓Ufc產生電流參考值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,并通過控制DC-DC變換器實現(xiàn)充換電轉換,逆變器控制直流母線電壓穩(wěn)定來實現(xiàn)整個系統(tǒng)協(xié)調運行。

3仿真結果分析

根據上述建立的多能互補系統(tǒng)數(shù)學模型和控制策略,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）總需求大于網側負荷需求(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,在仿真運行到2s時刻達到最大值,Ulib=Ulibmax(0.5kV）,LIB退出運行,此時,EL消納系統(tǒng)功率增加為Pel=Ppv＋Pfc-Pg=0.T+Mw。仿真結果如圖4～6所示。