中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量不斷增加，電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性面臨挑戰(zhàn)。近些年，電化學(xué)儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。一方面能夠有效促進(jìn)可再生能源的消納，維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性；另一方面可有效解決綠色氫能生產(chǎn)的難題，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
《中國(guó)電力》2024年第7期刊發(fā)了邵沖等撰寫(xiě)的《考慮荷電與儲(chǔ)氫狀態(tài)的風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制仿真模型》一文。文章開(kāi)展了考慮荷電狀態(tài)與儲(chǔ)氫狀態(tài)的電化學(xué)/氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模與控制策略研究。首先，構(gòu)建了考慮多物理特性的質(zhì)子交換膜電解槽動(dòng)態(tài)仿真模型。模型考慮了內(nèi)部氧氣、氫氣的跨膜行為、傳質(zhì)以及傳熱現(xiàn)象，包含陽(yáng)極、陰極、膜、電化學(xué)、熱子模塊，可準(zhǔn)確模擬電制氫動(dòng)態(tài)過(guò)程。進(jìn)一步，結(jié)合永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、光伏陣列、電化學(xué)儲(chǔ)能以及變流器等單元模型，建立了風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型?？紤]了電化學(xué)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、儲(chǔ)氫罐氫狀態(tài)以及電解槽最小工作功率等約束條件，同時(shí)考慮了系統(tǒng)波動(dòng)電負(fù)荷和氫負(fù)荷等因素，提出了底層控制與上層功率管理的協(xié)調(diào)控制策略。最后，通過(guò)算例仿真驗(yàn)證了各單元模型及控制策略的正確性和有效性。
摘要 儲(chǔ)能是平抑可再生能源波動(dòng)的重要手段之一?？紤]內(nèi)部氣體跨膜傳輸現(xiàn)象，基于質(zhì)子交換膜電解槽的組件結(jié)構(gòu)以及電化學(xué)和熱平衡原理，構(gòu)建了可描述質(zhì)子交換膜電解槽物質(zhì)傳輸以及能量轉(zhuǎn)換的精細(xì)化仿真模型。在此基礎(chǔ)上，建立了包含電化學(xué)儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能的電-氫耦合系統(tǒng)模型。提出了一種考慮電化學(xué)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)與氫儲(chǔ)能氫狀態(tài)的雙層協(xié)調(diào)控制策略。上層功率分配考慮了系統(tǒng)內(nèi)電負(fù)荷和氫負(fù)荷需求變化，將電化學(xué)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、儲(chǔ)氫罐氫狀態(tài)作為重要約束因素，確定系統(tǒng)各設(shè)備的工作模式。底層控制根據(jù)設(shè)備的工作特性，采用PQ控制、VQ控制等方法實(shí)現(xiàn)功率追蹤調(diào)整。通過(guò)多種不同運(yùn)行場(chǎng)景的算例仿真驗(yàn)證了所提模型與控制方法的有效性。研究成果可為風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略優(yōu)化提供支撐。
1 風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型
1.1 風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單元、光伏陣列單元、質(zhì)子交換膜電解槽單元及儲(chǔ)能單元通過(guò)變流器連接到交流母線。電化學(xué)儲(chǔ)能單元與電制氫存儲(chǔ)過(guò)剩的新能源。一方面解決新能源消納問(wèn)題；另一方面，在新能源不足時(shí)，電化學(xué)儲(chǔ)能單元可向電網(wǎng)輸送電力，支持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，通過(guò)質(zhì)子交換膜電解槽產(chǎn)生的氫氣同時(shí)可滿足氫負(fù)荷需求。
圖1 風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
Fig.1 Wind-photovoltaic-hydrogen-storage system topology
圖1中的系統(tǒng)采用雙層控制框架。上層為功率管理層，底層為設(shè)備單元控制層。上層系統(tǒng)通過(guò)采集風(fēng)電機(jī)組和光伏陣列的出力、電負(fù)荷、氫負(fù)荷、儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)以及儲(chǔ)氫罐狀態(tài)等信息，確定底層設(shè)備的功率參考值指令，并將相關(guān)指令傳輸至各設(shè)備單元。底層設(shè)備根據(jù)上層指令控制各設(shè)備運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)組模型和光伏發(fā)電陣列模型參見(jiàn)文獻(xiàn)[11-13]。
1.2 電化學(xué)儲(chǔ)能單元模型
本文采用通用等效電路模型，其由一個(gè)受控電壓源和常值內(nèi)阻組成，與諸多文獻(xiàn)一致，該模型的假設(shè)前提為：1）儲(chǔ)能單元容量保持不變；2）儲(chǔ)能單元內(nèi)阻在充放電過(guò)程中保持恒定；3）儲(chǔ)能單元的模型參數(shù)通過(guò)放電特性曲線得到，并完全適用于充電特性；4）不考慮儲(chǔ)能單元的自放電特性及記憶特性。
儲(chǔ)能單元的空載電壓E(t)可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式表示為
式中：E0為儲(chǔ)能單元的恒定電壓；K為極化過(guò)電壓；Qfull為儲(chǔ)能單元的容量；i為儲(chǔ)能單元工作電流；A1為放電特性曲線指數(shù)區(qū)域幅值；B為指數(shù)區(qū)域時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)值。
電化學(xué)儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）SSOC(t)為
式中：Ns、Np分別為蓄電池的串聯(lián)數(shù)和并聯(lián)數(shù)。
在電力系統(tǒng)仿真軟件中構(gòu)建電化學(xué)儲(chǔ)能單元仿真模型，如圖2所示。該模型分為控制層與電氣層2層?？刂茖永秒娏骰ジ衅鲝碾姎鈱荧@取工作電流i，并根據(jù)式（1）計(jì)算出受控電壓E(t)并輸出至電氣層，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
圖2 電化學(xué)儲(chǔ)能單元仿真模型
Fig.2 Electrochemical energy storage unit model
1.3 質(zhì)子交換膜電解槽模型
質(zhì)子交換膜電解槽涉及多物理場(chǎng)。為準(zhǔn)確反映電解槽內(nèi)部動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，本節(jié)分別建立了質(zhì)子交換膜電解槽的氣動(dòng)、電化學(xué)和熱的多物理場(chǎng)模型，其中氣動(dòng)模型又包括了陽(yáng)極、陰極、質(zhì)子交換膜模型。其建?？驁D如圖3所示。
圖3 質(zhì)子交換膜電解槽模型
Fig.3 Model of proton exchange membrane electrolyser
1.3.1 陽(yáng)極模型
根據(jù)電解槽陰/陽(yáng)極的物質(zhì)流量平衡和分壓公式，分別構(gòu)建陰/陽(yáng)極模型。水送入陽(yáng)極并施加電壓后發(fā)生析氧反應(yīng)，產(chǎn)生氧氣、電子和質(zhì)子，質(zhì)子和電子穿過(guò)膜和外部電路后到達(dá)陰極。根據(jù)法拉第定律，陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣與消耗的水摩爾流量為
式中：圖片為陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣摩爾流量；I為流經(jīng)電解槽的電流；F為法拉第常數(shù)；圖片為消耗水的摩爾流量。
對(duì)于氣態(tài)產(chǎn)物的擴(kuò)散運(yùn)輸，可應(yīng)用菲克定律表示為
式中：圖片為氫氣從陰極擴(kuò)散到陽(yáng)極的摩爾流量；圖片為因壓力效應(yīng)從陰極到陽(yáng)極的氫氣摩爾流量；圖片為H2擴(kuò)散系數(shù)；圖片為H2滲透系數(shù)；A為膜面積；δmem為膜厚度；圖片分別為陰極和陽(yáng)極的氫氣分壓；圖片分別為陰、陽(yáng)極氧氣分壓。
通過(guò)陽(yáng)極的水的摩爾通量可以表示為
1.3.2 陰極模型
根據(jù)法拉第定律，陰極產(chǎn)生的氫氣的摩爾流量為
水穿過(guò)膜流到陰極的摩爾流量為
1.3.3 質(zhì)子交換膜模型
1.3.5 熱動(dòng)態(tài)模型
1.3.6 質(zhì)子交換膜電解槽動(dòng)態(tài)仿真模型
根據(jù)1.3.1節(jié)至1.3.5節(jié)中質(zhì)子交換膜電解槽各部分的數(shù)學(xué)模型，可搭建質(zhì)子交換膜電解槽動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖4所示。模型整體可分為8個(gè)部分，即陽(yáng)極模塊、產(chǎn)氧模塊、陰極模塊、產(chǎn)氫模塊、有效擴(kuò)散模塊、膜模塊、電化學(xué)模塊及熱模塊，各模塊間密切聯(lián)系，相互耦合。
圖4 質(zhì)子交換膜電解槽動(dòng)態(tài)仿真模型
Fig.4 Dynamic simulation model of proton exchange membrane electrolyser
1）陽(yáng)極模塊?；谑剑?）~（11）搭建出電解槽模型的陽(yáng)極模塊，其輸入信號(hào)包括電流I、膜面積A、陽(yáng)極壓強(qiáng)Pan以及水摩爾流量圖片其輸出信號(hào)包括氧氣分壓圖片氧氣摩爾通量圖片水摩爾通量圖片氧氣摩爾分?jǐn)?shù)圖片及氫氣分壓圖片
2）產(chǎn)氧模塊?；谑剑?）（12）（17）搭建出電解槽模型的產(chǎn)氧模塊，其輸入信號(hào)包括電流I、膜面積A和氧氣分壓圖片輸出氧氣流出速率圖片
3）陰極模塊。基于式（15）~（20）搭建出電解槽模型的陰極模塊，其輸入信號(hào)包括電流I、膜面積A、陽(yáng)極壓強(qiáng)Pcat以及水摩爾流量圖片其輸出信號(hào)為氫氣分壓圖片氫氣摩爾通量圖片水摩爾通量圖片氫氣摩爾分?jǐn)?shù)圖片
4）產(chǎn)氫模塊?；谑剑?）（6）（15）（18）（21）搭建出電解槽模型的產(chǎn)氫模塊，輸入信號(hào)包括電流I、膜面積A、陰極氫氣分壓圖片陽(yáng)極氫氣分壓圖片和氧氣分壓圖片可計(jì)算輸出氫氣產(chǎn)生速率圖片
5）有效擴(kuò)散模塊?；谑剑?6）（27）搭建出電解槽模型的有效擴(kuò)散模塊，輸入信號(hào)分別為溫度T、陽(yáng)極壓強(qiáng)Pan、陰極壓強(qiáng)Pcat，輸出有效擴(kuò)散系數(shù)圖片
6）膜模塊?；谑剑?3）~（25）搭建出電解槽模型的交換膜模塊，輸入信號(hào)包括效擴(kuò)散系數(shù)圖片電流I、膜面積A、溫度T、陰/陽(yáng)極水摩爾通量圖片陰/陽(yáng)極壓強(qiáng)Pcat、Pan，計(jì)算并輸出流過(guò)膜的水摩爾流量圖片
7）電化學(xué)模塊。基于式（28）~（34）搭建出電解槽模型的電化學(xué)模塊，輸入信號(hào)為電流密度j、膜面積A、溫度T、陰極氫氣分壓圖片陰極氫氣摩爾通量圖片陰極氫氣摩爾分?jǐn)?shù)圖片陽(yáng)極氧氣分壓圖片陽(yáng)極氧氣摩爾通量圖片摩爾分?jǐn)?shù)圖片陰/陽(yáng)極壓強(qiáng)Pcat、Pan和有效擴(kuò)散系數(shù)圖片和圖片輸出電壓信號(hào)V。
8）熱模塊。基于式（35）~（40）搭建出電解槽模型的熱動(dòng)態(tài)模塊，輸入信號(hào)包括電流I、電壓V、溫度T、氫氣產(chǎn)生速率圖片和氧氣產(chǎn)生速率圖片輸出溫度信號(hào)T。
1.4 儲(chǔ)氫罐模型
圖5 儲(chǔ)氫罐動(dòng)態(tài)仿真模型
Fig.5 Dynamic simulation model of hydrogen storage tank
2 風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)雙層控制策略
2.1 系統(tǒng)底層控制策略
2.1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能單元控制策略
電化學(xué)儲(chǔ)能單元采用PQ控制，參考文獻(xiàn)[23]可以得到PQ控制下的電化學(xué)儲(chǔ)能單元控制策略，如圖6所示。有功功率參考值Pref與測(cè)量值P、無(wú)功功率參考值Qref與測(cè)量值Q分別相減后通過(guò)PI控制器得到電流的d軸和q軸分量參考值，經(jīng)電流內(nèi)環(huán)得到端口電壓d軸、q軸指令值，再將其變換到abc三相作為SPWM參考波，進(jìn)一步產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖控制逆變器工作。
圖6 電化學(xué)儲(chǔ)能單元控制結(jié)構(gòu)
Fig.6 Electrochemical energy storage unit control structure
2.1.2 電解槽控制策略
質(zhì)子交換膜電解槽的控制策略主要包括兩部分：功率控制部分和變流器控制部分。其中，電解槽的功率控制方程參考文獻(xiàn)[24]，如圖7所示。電解槽功率參考值Pelref與測(cè)量功率Pel相減后通過(guò)PI控制器得到電解槽電流參考值，再將其與電流測(cè)量值相減后通過(guò)PI控制器產(chǎn)生變流器觸發(fā)信號(hào)控制DC/DC變流器工作。
圖7 電解槽功率控制結(jié)構(gòu)
Fig.7 Electrolyser power control structure
網(wǎng)側(cè)變流器控制部分采用VQ控制策略，具體控制策略推導(dǎo)過(guò)程參考文獻(xiàn)[25]，如圖8所示。直流側(cè)電壓參考值Ueldref與直流側(cè)實(shí)際電壓Udc相減、電解槽無(wú)功功率參考值Qelref與d軸電壓Ueld相除后通過(guò)PI控制器并經(jīng)電流內(nèi)環(huán)得到電壓d軸、q軸指令值，再將其變換到abc三相作為SPWM參考波，進(jìn)一步產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖控制逆變器工作。
圖8 質(zhì)子交換膜電解槽網(wǎng)側(cè)控制結(jié)構(gòu)
Fig.8 Grid-side control structure of proton exchange membrane electrolyser
2.2 考慮負(fù)荷變化的上層控制策略
風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)上層功率控制流程如圖9所示。上層控制策略分兩種情況：可再生能源功率大于負(fù)荷需求和可再生能源功率小于負(fù)荷需求。
圖9 上層功率控制
Fig.9 Upper layer power control flow
系統(tǒng)差額功率定義為
3 測(cè)試與驗(yàn)證
3.1 模型驗(yàn)證
3.1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能單元模型
在PSCAD仿真軟件中搭建電化學(xué)儲(chǔ)能單元并網(wǎng)系統(tǒng)驗(yàn)證模型的正確性。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為20 s，[0, 10) s電化學(xué)儲(chǔ)能單元以有功功率40 kW和無(wú)功功率20 kV·A對(duì)外放電；[10, 20] s電化學(xué)儲(chǔ)能單元以有功功率20 kW和無(wú)功功率40 kV·A進(jìn)行充電。仿真結(jié)果如圖10所示。
圖10 電化學(xué)儲(chǔ)能單元功率及荷電狀態(tài)變化曲線
Fig.10 Power and state of charge variation curves of electrochemical energy storage unit
仿真開(kāi)始后，電化學(xué)儲(chǔ)能單元的有功功率和無(wú)功功率迅速穩(wěn)定在設(shè)定的參考值，電化學(xué)儲(chǔ)能單元放電導(dǎo)致其荷電狀態(tài)下降；參考值發(fā)生階躍變化后，電化學(xué)儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)功率同步追蹤，荷電狀態(tài)上升，直流端電壓保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了功率調(diào)度和四象限運(yùn)行。
3.1.2 質(zhì)子交換膜電解槽模型
1）極化特性。
極化特性主要與輸入電流、活化面積以及電解槽內(nèi)部若干參數(shù)有關(guān)?；谖墨I(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所提模型進(jìn)行驗(yàn)證。在10~80 ℃和1~9 MPa的范圍內(nèi)探索溫度和壓力效應(yīng)對(duì)電解槽運(yùn)行的影響。質(zhì)子交換膜電解槽主要參數(shù)如表1所示。
表1 質(zhì)子交換膜電解槽參數(shù)
Table 1 Parameters of PEM
圖11分別展示了在溫度313 K和陰極壓力7 MPa、溫度328 K和陰極壓力1 MPa 2種工況下的極化曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的比較?？梢?jiàn)本文模型能較準(zhǔn)確地反映電解槽的極化特性。
圖11 電解槽不同工況下的極化曲線
Fig.11 Polarization curves for different operating conditions of electrolyser
2）溫度特性。
此外，對(duì)所建模型的溫度變化曲線進(jìn)行驗(yàn)證，模型主要參數(shù)同見(jiàn)表1。仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1800 s，電解槽的工作電流密度保持在1 A/cm2，仿真環(huán)境溫度為10 ℃。基于文獻(xiàn)[26]的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。
該模型對(duì)溫度的仿真與預(yù)測(cè)受環(huán)境溫度變化、冷卻水流速波動(dòng)等諸多因素的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯觯诜抡嫫陂g內(nèi)電解槽溫度不斷上升，仿真值和實(shí)驗(yàn)值最高分別可達(dá)到55.05 ℃和56.33 ℃。[0, 1300] s本文模型與實(shí)驗(yàn)曲線的匹配度較好，之后的時(shí)間內(nèi)仿真值略低于實(shí)驗(yàn)值，整體的誤差在合理范圍內(nèi)。
圖12 電解槽運(yùn)行溫度曲線比較
Fig.12 Comparison of electrolyser operating temperature profiles
3.2 風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略驗(yàn)證測(cè)試
為了驗(yàn)證所提控制策略的正確性，利用PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)，搭建了圖1所示風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)模型。模型仿真運(yùn)行時(shí)間為100 s，仿真步長(zhǎng)為2 μs。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定功率設(shè)置為1500 kW，光伏陣列的額定功率設(shè)置為500 kW，質(zhì)子交換膜電解槽的額定功率設(shè)置為400 kW，儲(chǔ)能單元的額定功率設(shè)置為400 kW。電化學(xué)儲(chǔ)能單元和儲(chǔ)氫罐的主要仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2和表3。通過(guò)正常運(yùn)行場(chǎng)景與儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界運(yùn)行場(chǎng)景對(duì)所提出雙層控制策略的有效性進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。
表2 電化學(xué)儲(chǔ)能單元參數(shù)
Table 2 Parameters of electrochemical energy storage units
表3 儲(chǔ)氫罐參數(shù)
Table 3 Parameters of hydrogen storage tank
3.2.1 正常運(yùn)行場(chǎng)景
在正常運(yùn)行場(chǎng)景中，系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備狀態(tài)位于正常區(qū)間，儲(chǔ)能單元SOC和儲(chǔ)氫罐SOH均處于正常范圍內(nèi)，電解槽工作功率位于最小工作功率和額定功率之間。常規(guī)運(yùn)行場(chǎng)景中系統(tǒng)電負(fù)荷和氫負(fù)荷在不同時(shí)間段內(nèi)的變化如表4所示。
表4 常規(guī)運(yùn)行場(chǎng)景中系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)置
Table 4 System load settings in regular operation scenarios
風(fēng)電機(jī)組的功率輸出如圖13 a)所示。在[0, 40) s、[40, 60) s和[60, 100] s期間，將風(fēng)速分別設(shè)置為6 m/s、10.9 m/s和7.8 m/s，風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的輸出功率分別為500 kW、1200 kW和700 kW。
圖13 常規(guī)運(yùn)行場(chǎng)景仿真運(yùn)行曲線
Fig.13 Simulation results in regular operation scenarios
光伏陣列的運(yùn)行曲線如圖13 b)所示，光照強(qiáng)度在[0, 40) s、[40, 100] s分別設(shè)置為650 W/m2和900 W/m2。光伏陣列輸出功率在第一階段穩(wěn)定在350 kW，光照強(qiáng)度改變后，光伏陣列的最大功率點(diǎn)改變，MPPT將控制光伏陣列工作在新的外界條件下的最大功率點(diǎn)，40 s后其功率迅速維持在480 kW。
儲(chǔ)能單元的運(yùn)行情況如圖13 c)所示，儲(chǔ)能單元初始值設(shè)置為50%，運(yùn)行中儲(chǔ)能單元SOC功率動(dòng)態(tài)跟蹤良好，在–250 kW和150 kW之間平衡系統(tǒng)中的缺額功率或剩余功率。
電解槽的運(yùn)行曲線如圖13 d)所示，儲(chǔ)氫罐SOH初始值設(shè)置為50%，在此過(guò)程中，電解槽動(dòng)作3次，并且可以觀察到電解槽在功率變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲特性。在[0, 20) s期間電解槽以200 kW的功率運(yùn)行，儲(chǔ)能單元彌補(bǔ)電解槽功率調(diào)整過(guò)程中的差額功率，電解槽溫度上升，此時(shí)產(chǎn)氫速率大于氫負(fù)荷需求，儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫量增加。[20, 40) s期間由于風(fēng)光出力小于負(fù)荷需求，電解槽停機(jī)，由儲(chǔ)氫罐供應(yīng)氫負(fù)荷。[40, 60) s期間電解槽以額定功率運(yùn)行，溫度上升速率最快，儲(chǔ)氫量緩慢增加。[60, 80) s期間系統(tǒng)內(nèi)的剩余功率用于制氫，而[80, 100] s期間電解槽關(guān)閉，由儲(chǔ)氫罐滿足氫負(fù)荷，氫狀態(tài)SOH下降。
表5給出了風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)段的運(yùn)行模式。[0, 20) s期間風(fēng)光出力大于電負(fù)荷需求，由電解槽吸收剩余功率制取氫氣存儲(chǔ)到儲(chǔ)氫罐中，用于滿足氫負(fù)荷需求。由于電解槽的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，在響應(yīng)過(guò)程中會(huì)存在差額功率，電化學(xué)儲(chǔ)能單元將放電以此來(lái)平滑上網(wǎng)功率。[20, 40) s期間電負(fù)荷需求大于風(fēng)光出力，功率差額為200 kW，此時(shí)僅由電化學(xué)儲(chǔ)能單元放電補(bǔ)充。[40, 60) s期間電解槽以額定功率運(yùn)行，此時(shí)仍有部分剩余功率由電化學(xué)儲(chǔ)能單元吸收。[60, 80) s期間由于風(fēng)光出力和負(fù)荷變化，系統(tǒng)剩余功率為200 kW，此時(shí)剩余功率全部用于制氫。[80, 100] s期間負(fù)荷增加，系統(tǒng)缺額功率為100 kW，根據(jù)儲(chǔ)能單元SOC狀態(tài)可知電化學(xué)儲(chǔ)能單元仍有剩余電量，故電化學(xué)儲(chǔ)能單元釋放電能給負(fù)荷供電，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率平衡。
表5 風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行模式
Table 5 Wind-photovoltaic-hydrogen-storage system operation mode
3.2.2 儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界運(yùn)行場(chǎng)景1
在儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界運(yùn)行場(chǎng)景1中，系統(tǒng)內(nèi)可再生能源出力較長(zhǎng)時(shí)間小于電負(fù)荷需求，儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫量的初始值較低，氫負(fù)荷需求保持在較高水平。該運(yùn)行場(chǎng)景中系統(tǒng)電負(fù)荷和氫負(fù)荷的變化如表6所示。
表6 臨界運(yùn)行場(chǎng)景1中的系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)置
Table 6 System load settings in scenario 1
風(fēng)電機(jī)組的功率輸出如圖14 a)所示。在[0, 40) s、[40, 70) s、[70, 100] s期間，將風(fēng)速分別設(shè)置為5 m/s、9 m/s和7 m/s，風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的輸出功率分別為380 kW、870 kW和600 kW。
圖14 臨界運(yùn)行場(chǎng)景1仿真運(yùn)行曲線
Fig.14 Simulation results in scenario 1
光伏陣列的運(yùn)行曲線如圖14 b)所示，光照強(qiáng)度在[0, 40) s、[40, 80) s、[80, 100] s期間分別設(shè)置為500 W/m2、800 W/m2、600 W/m2。光伏陣列的輸出功率在[0, 40) s內(nèi)穩(wěn)定在260 kW，40 s時(shí)光照強(qiáng)度增加，光伏陣列的最大功率點(diǎn)改變，功率迅速追蹤至420 kW，[80, 100] s期間光伏陣列輸出功率穩(wěn)定在310 kW。
儲(chǔ)能單元的運(yùn)行情況如圖14 c)所示，儲(chǔ)能單元SOC初始值設(shè)置為40%，可以看到儲(chǔ)能單元功率動(dòng)態(tài)跟蹤良好，在–50 kW和400 kW之間平衡系統(tǒng)中的缺額功率或剩余功率。
電解槽的運(yùn)行曲線如圖14 d)所示，儲(chǔ)氫罐SOH初始值設(shè)置為22%。在此過(guò)程中，可以觀察到電解槽在功率變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲特性。[0, 35.3) s期間，由于可再生能源出力小于電負(fù)荷需求，電解槽不投入使用，在35.3 s時(shí)，儲(chǔ)氫罐氫狀態(tài)SOH達(dá)到下限，電解槽開(kāi)始啟動(dòng)并按照氫負(fù)荷需求功率運(yùn)行。[40, 90) s出力大于電負(fù)荷需求，剩余功率用于制氫，儲(chǔ)氫罐氫狀態(tài)上升。[90, 100] s電解槽關(guān)閉，儲(chǔ)氫量由于氫負(fù)荷供應(yīng)而下降。
風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)在儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界場(chǎng)景1中的工作模式如表7所示，在該場(chǎng)景中，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷需求發(fā)生變化時(shí)，上層功率管理模塊快速判斷系統(tǒng)狀態(tài)，并發(fā)出控制信號(hào)。單元層控制系統(tǒng)中的PI控制器迅速響應(yīng)，各設(shè)備功率穩(wěn)定追蹤負(fù)荷需求變化，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能單元和儲(chǔ)氫罐均運(yùn)行到狀態(tài)下限。整個(gè)過(guò)程中，在協(xié)調(diào)控制策略的驅(qū)動(dòng)下，各設(shè)備間相互配合，既能夠有效消納系統(tǒng)的剩余功率，又能夠及時(shí)補(bǔ)充系統(tǒng)出現(xiàn)的差額功率。
表7 臨界運(yùn)行場(chǎng)景1工作模式
Table 7 Operation modes in scenario 1
3.2.3 儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界運(yùn)行場(chǎng)景2
在儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界運(yùn)行場(chǎng)景2中，系統(tǒng)內(nèi)可再生能源出力較長(zhǎng)時(shí)間高于電負(fù)荷需求，并且儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)氫量初始值較低，氫負(fù)荷需求保持在較低水平。該臨界運(yùn)行場(chǎng)景中系統(tǒng)電負(fù)荷和氫負(fù)荷的變化如表8所示。
表8 臨界運(yùn)行場(chǎng)景2中的系統(tǒng)負(fù)荷設(shè)置
Table 8 System load settings in scenario 2
風(fēng)電機(jī)組的功率輸出如圖15 a)所示。在[0, 30) s、[30, 80) s和[80, 100] s期間，將風(fēng)速分別設(shè)置為6 m/s、10 m/s和3 m/s，風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)的輸出功率分別為487 kW、1038 kW和228 kW。
圖15 臨界運(yùn)行場(chǎng)景2仿真運(yùn)行曲線
Fig.15 Simulation results in scenario 2
光伏陣列的運(yùn)行曲線如圖15 b)所示。[0, 30) s、[30, 60) s、[60, 80) s和[80, 100] s期間的光照強(qiáng)度分別設(shè)置為500 W/m2、1000 W/m2、700 W/m2和300 W/m2。光伏陣列的輸出功率在[0, 30) s期間為260 kW，在30 s時(shí)光照強(qiáng)度增加，光伏陣列的最大功率點(diǎn)改變，功率迅速追蹤至472 kW。[60, 80) s期間光照強(qiáng)度降低，輸出功率同步下降至365 kW。[80, 100] s期間由于光照強(qiáng)度的進(jìn)一步下降，其輸出功率快速穩(wěn)定在153 kW。
儲(chǔ)能單元的運(yùn)行情況如圖15 c)所示，儲(chǔ)能單元SOC初始值為26.3%。在系統(tǒng)功率變化時(shí)可以看到儲(chǔ)能單元功率動(dòng)態(tài)跟蹤良好，在–400 kW和400 kW之間平衡系統(tǒng)中的差額功率或剩余功率。
電解槽的運(yùn)行曲線如圖15 d)所示，儲(chǔ)氫罐SOH初始值為43.8%。過(guò)程中可以觀察到電解槽在功率變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)延遲特性。[0, 10) s期間，系統(tǒng)剩余功率小于電解槽最小工作功率，電解槽不工作，10 s時(shí)儲(chǔ)氫罐SOH達(dá)到下限，電解槽啟動(dòng)以滿足氫負(fù)荷需求，儲(chǔ)能單元向電解槽供電，溫度逐漸上升。[30, 80) s，可再生能源出力大于電負(fù)荷需求，剩余功率優(yōu)先用于制氫，SOH穩(wěn)定上升，在71.6 s時(shí)，SOH達(dá)到上限，為避免電解槽的頻繁啟停，其退出運(yùn)行直至SOH降低到70%及以下，[80, 100] s期間電負(fù)荷大于可再生能源出力，電解槽退出運(yùn)行。
儲(chǔ)氫狀態(tài)臨界運(yùn)行場(chǎng)景2的工作模式如表9所示。在該工況下，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備先后運(yùn)行到下限狀態(tài)和上限狀態(tài)。系統(tǒng)電負(fù)荷需求突升和突降時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)控制策略迅速調(diào)整，平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)。氫負(fù)荷需求同樣變化較大，當(dāng)儲(chǔ)氫量不足時(shí)，電解槽按需提供氫氣，以滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求并保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)提高系統(tǒng)能效和經(jīng)濟(jì)性。
表9 臨界運(yùn)行場(chǎng)景2工作模式
Table 9 Operation modes in scenario 2
4 結(jié)論
基于質(zhì)子交換膜電解槽的電化學(xué)與熱力學(xué)機(jī)理，根據(jù)質(zhì)量守恒等物理定律以及經(jīng)驗(yàn)公式，考慮了電解槽內(nèi)部的氣體跨膜現(xiàn)象，構(gòu)建了包括陽(yáng)極、陰極、膜、電化學(xué)、熱的質(zhì)子交換膜的電解槽多物理場(chǎng)模型以及儲(chǔ)氫罐模型。在此基礎(chǔ)上，考慮電化學(xué)儲(chǔ)能接入，建立了基于電/氫混合儲(chǔ)能的風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)模型。進(jìn)一步，考慮系統(tǒng)中電負(fù)荷和氫負(fù)荷的波動(dòng)性，提出了一種上層功率分配和底層控制的雙層協(xié)調(diào)控制策略。上層功率管理是通過(guò)考慮電化學(xué)儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、儲(chǔ)氫罐氫狀態(tài)、電解槽最小工作功率等設(shè)備狀態(tài)因素，制定了風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行的13種模式?；赑Q控制、VQ控制和最大功率追蹤等方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)底層各單元的有效控制。所提出控制方法在平抑可再生能源出力波動(dòng)的同時(shí)，可讓電化學(xué)儲(chǔ)能/氫儲(chǔ)能處于安全運(yùn)行范圍內(nèi)。最后，在PSCAD仿真平臺(tái)中構(gòu)建了風(fēng)光氫儲(chǔ)系統(tǒng)模型，通過(guò)多工況條件的算例仿真證明了所提出的雙層協(xié)調(diào)控制策略的有效性。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，如需要請(qǐng)查看原文。
