摘要 隨著多能源混合儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，氫電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)將成為解決可再生能源并網(wǎng)發(fā)電間歇性、波動(dòng)性問(wèn)題的重要途徑。運(yùn)用熱力學(xué)原理推導(dǎo)了質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解制氫的輸出電壓，建立了符合制氫電壓輸出特性的電化學(xué)模型；然后，分析了氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)的典型架構(gòu)，提出了考慮蓄電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的指數(shù)型下垂控制策略，在維持微網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)，解決了蓄電池并聯(lián)充放電的SOC均衡問(wèn)題；最后，結(jié)合光伏和電解制氫單元的適應(yīng)性控制方法，根據(jù)蓄電池充放電狀態(tài)將微網(wǎng)劃分為4種工作模式，并進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明考慮蓄電池SOC的指數(shù)型下垂控制策略能夠控制微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)工作模式之間平滑過(guò)渡，當(dāng)光伏發(fā)電供能產(chǎn)生變化時(shí)，可進(jìn)行適應(yīng)性功率分配，有效提升了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與能源利用效率。
1 氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)結(jié)構(gòu)與PEM電解水制氫建模
基于PEM電解水制氫與蓄電池混合儲(chǔ)能的氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)系統(tǒng)包含1個(gè)光伏發(fā)電單元、2個(gè)由蓄電池組成的儲(chǔ)能單元、1個(gè)PEM電解水制氫單元以及1個(gè)本地負(fù)載。光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)Boost直流變換電路為整個(gè)氫電耦合系統(tǒng)供能。PEM電解水制氫在微網(wǎng)保證負(fù)載供能充足的前提下完成光伏發(fā)電冗余能量消納工作，保證能源最大化利用回收。而蓄電池儲(chǔ)能結(jié)合雙向DC/DC變換電路協(xié)調(diào)與PEM制氫單元間的功率分配，保證微網(wǎng)正常運(yùn)行，維持母線電壓穩(wěn)定，使系統(tǒng)不受光伏供能波動(dòng)影響。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.1 PEM電解水制氫裝置建模
PEM制氫單元采用基于電解槽內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理搭建仿真模型，旨在表達(dá)電解槽電壓和電流之間的聯(lián)系。PEM電解制氫是PEM燃料電池的逆過(guò)程，反應(yīng)發(fā)生在膜電極界面，水從通道流向催化劑層，氫氣和氧氣從反應(yīng)點(diǎn)流向外側(cè)通道。當(dāng)電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，需要向膜電極界面供水，而氫氣和氧氣則排出電解槽。PEM電解槽工作原理如圖2所示。
基于PEM電解槽的制氫裝置由若干個(gè)電解槽單體串聯(lián)組成，將裝置串并聯(lián)組成電解制氫陣列以達(dá)到一定負(fù)荷容量。電解槽的工作電壓包括開路電壓Uoc、活化過(guò)電位Uact、濃差過(guò)電位Ucon以及歐姆過(guò)電位Uohm，具體可表示為
式中：Uo為制氫裝置輸出電壓，V；Ue為單個(gè)電解槽電壓，V；n為電解槽串聯(lián)數(shù)量。
開路電壓也被稱為可逆電壓，是電解反應(yīng)能夠發(fā)生的理論最小電壓，可由能斯特方程推導(dǎo)得到，即
式中：R為理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T為電解槽溫度，℃；F為法拉第常數(shù)，C/mol；圖片和圖片為氫氣和氧氣的分壓，Pa；圖片為電極與膜之間的水活度（液態(tài)水為1）；E0為電解槽標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，V，通常取1.23；實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)受外界環(huán)境的溫度與壓力影響，本文忽略壓力的影響，溫度依賴的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)可表示為
電極反應(yīng)過(guò)程中，電子流動(dòng)的速度比電極表面反應(yīng)的速度要快，陰極表面電子堆積電位更低，陽(yáng)極電位升高?？梢詫⒒罨^(guò)電位用電解電流密度表示為
式中：αan和αcat分別為陽(yáng)極和陰極電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)；i為電流密度，A/cm2；i0, an和i0, cat分別為陽(yáng)極和陰極交換電流密度，A/cm2。
由于電極表面的反應(yīng)物被消耗，電極表面附近會(huì)與電解槽中溶液產(chǎn)生濃度差，造成電解槽電壓損失，即濃差極化。濃差極化電壓可由Fick定律與能斯特方程相結(jié)合表示為
式中：ρ為材料的電阻率，Ω·cm；l為電子路徑的長(zhǎng)度，cm；As為導(dǎo)體的橫截面積，cm2。
質(zhì)子交換膜的等效歐姆電阻由離子在穿過(guò)膜的過(guò)程中受到的阻力等效產(chǎn)生，其值要大于電子導(dǎo)體的歐姆電阻。采用文獻(xiàn)[21]的質(zhì)子交換膜過(guò)電位計(jì)算公式進(jìn)行模擬計(jì)算，即
式中： δmem 為膜的厚度，cm；σmem 為質(zhì)子交換膜的傳導(dǎo)率，可由交換膜的含水量λ表示為
1.2 PEM制氫電解槽建模仿真驗(yàn)證
PEM制氫電解槽仿真模型相關(guān)參數(shù)如表1所示。在不同的外界陰極壓力和溫度環(huán)境條件下，PEM電解槽模型的輸出電壓隨電流密度的變化特性如圖3所示。輸出電壓隨電流密度的升高其增長(zhǎng)速度減緩。相同電流密度情況下，電壓值隨溫度的降低、壓力的升高而增大。在不同的溫度和壓強(qiáng)條件下，輸出電壓最大誤差不超過(guò)0.2 V，平均誤差為0.08 V。
由圖3可知，建立的PEM電解水制氫模型能夠正確反映電解槽中電壓隨電流密度變化的外特性。模型仿真極化曲線與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)變化誤差在可接受范圍內(nèi)，外特性精度能夠滿足氫電耦合微網(wǎng)系統(tǒng)精度要求。
2 氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略
氫電混合儲(chǔ)能微網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)MPPT方法控制，以最大程度減小棄光現(xiàn)象。微網(wǎng)控制策略可自適應(yīng)調(diào)節(jié)蓄電池儲(chǔ)能單元充放電，協(xié)調(diào)與PEM制氫單元間的功率分配，使系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下平穩(wěn)工作而不受光伏供能波動(dòng)的影響。蓄電池單元采用考慮蓄電池SOC與電池組均衡的指數(shù)型下垂控制，PEM電解制氫單元采用基于母線電壓信號(hào)（DC bus signaling，DBS）的控制方法，系統(tǒng)整體控制如圖4所示。
儲(chǔ)能微網(wǎng)的直流母線電壓在蓄電池儲(chǔ)能裕量充足時(shí)由蓄電池下垂控制方法調(diào)節(jié)。設(shè)置直流母線參考電壓為400 V。整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)，考慮直流母線電壓與蓄電池容量變化狀態(tài)，將系統(tǒng)劃分為4種工作模式。
1）蓄電池充電模式（模式a）。蓄電池功率Pb＜0且各單元中最大儲(chǔ)存量SOCmax≤80 %，蓄電池有充足容量容納母線供能，此時(shí)光伏發(fā)電單元處于最大功率輸出狀態(tài)，蓄電池下垂控制與基于DBS控制的PEM電解水制氫配合穩(wěn)定母線電壓，維持系統(tǒng)能量分配平衡。
2）蓄電池放電模式（模式b）。蓄電池功率Pb＞0且各單元中最小儲(chǔ)存量SOCmin ≥ 30%，蓄電池有足夠能量供應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，光伏發(fā)電單元處于最大功率輸出狀態(tài)對(duì)外供能，下垂控制方法調(diào)整蓄電池同時(shí)參與系統(tǒng)供能，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
3）蓄電池過(guò)充模式（模式c）。SOCmax＞80%，此時(shí)維持充電狀態(tài)會(huì)對(duì)蓄電池造成損傷，降低其使用壽命。因此，電路控制中斷蓄電池充電，調(diào)整光伏發(fā)電單元進(jìn)入恒壓供電狀態(tài)，控制母線電壓穩(wěn)定，負(fù)載側(cè)基于DBS控制策略控制PEM電解水制氫單元與本地負(fù)載功率分配。
4）蓄電池過(guò)放模式（模式d）。SOCmin＜30%，此時(shí)繼續(xù)維持放電狀態(tài)同樣會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)減小系統(tǒng)功率需求，停止制氫系統(tǒng)功率輸入，剩余功率將流向蓄電池充電，由下垂控制維持系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定，直至蓄電池SOC達(dá)到一定值后重新控制制氫系統(tǒng)耦合直流母線。
氫電耦合微網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制策略流程如圖5所示。
2.1 考慮蓄電池SOC的指數(shù)型下垂控制策略
微網(wǎng)電壓與功率穩(wěn)定需要依靠多個(gè)蓄電池儲(chǔ)能單元進(jìn)行母線充/放電支撐，蓄電池單元采用考慮SOC的指數(shù)型下垂控制方法。下垂控制的基本原理是通過(guò)引入變換器輸出電流Io以及設(shè)定的虛擬阻抗R，增加控制外環(huán)為電壓控制提供參考值，下垂控制原理如圖6所示。
傳統(tǒng)下垂控制在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)蓄電池間的功率分配，但由于線路阻抗的存在，當(dāng)系統(tǒng)功率發(fā)生變化時(shí)，每個(gè)蓄電池組并不能真正均衡，將導(dǎo)致蓄電池組間的SOC發(fā)生較大偏差，產(chǎn)生過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將蓄電池SOC引入指數(shù)型下垂控制系數(shù)中，SOC的變化將引起各儲(chǔ)能單元下垂系數(shù)的調(diào)整，從而自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出功率的大小，避免電池過(guò)度充放電?？紤]蓄電池SOC的指數(shù)型下垂控制重新定義下垂系數(shù)Ri，并將其與第i個(gè)儲(chǔ)能單元輸出功率Pi的乘積表示為下垂控制的電壓落差，新的下垂控制方法表達(dá)式為
下垂系數(shù)選取過(guò)程中，考慮儲(chǔ)能單元SOC的變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)下垂控制的適應(yīng)性動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，解決各儲(chǔ)能單元之間功率分配存在偏差的問(wèn)題，緩解儲(chǔ)能電源組過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象。指數(shù)型SOC下垂系數(shù)表達(dá)式為
式中：R0為儲(chǔ)能單元的初始下垂系數(shù)；n為均衡調(diào)節(jié)因子。
以2個(gè)蓄電池儲(chǔ)能單元并聯(lián)為同一混合儲(chǔ)能系統(tǒng)供能為例進(jìn)行分析，假定SOC1＞SOC2，由式(10)和(11)可得放電模式與充電模式下的變換電路輸出功率比近似為
式中：ΔSOC為儲(chǔ)能模塊間SOC的差值。
式中：ΔSOC0為初始差值；Ce為蓄電池儲(chǔ)能單元的總?cè)萘?，A·h；Ubat為蓄電池輸出電壓，V。
放電模式下，功率比值P1/P2始終大于1，說(shuō)明SOC大的儲(chǔ)能單元供能更多；充電模式下，功率比值始終小于1，說(shuō)明SOC較小的單元充電時(shí)能夠獲得更大的功率，功率比的變化趨勢(shì)與放電狀態(tài)相反，有利于充電時(shí)的能量均衡。SOC差值相同情況下，均衡調(diào)節(jié)因子取值越大，功率比變化越快，控制策略獲得的均衡速度也就越大。由此可以證明考慮蓄電池SOC的指數(shù)型下垂控制策略能夠滿足微網(wǎng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)要求。
采用考慮蓄電池SOC的指數(shù)型下垂控制原理如圖7所示。2個(gè)蓄電池儲(chǔ)能單元的控制方法相同，將改進(jìn)下垂控制的輸出信號(hào)作為給定信號(hào)輸入電壓電流雙閉環(huán)，控制直流母線電壓穩(wěn)定在下垂參考電壓附近。同時(shí)，控制執(zhí)行時(shí)須采集2個(gè)儲(chǔ)能單元的SOC值，并根據(jù)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)下垂控制系數(shù)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元間的運(yùn)行均衡。系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，可靠性高。
圖8為充電、放電模式下控制方法的均衡效果。由圖8可看出，仿真開始階段，蓄電池SOC之間差異較大，此時(shí)均衡速度較快。在充放電過(guò)程中，均衡速度隨SOC差異的減小而自適應(yīng)平穩(wěn)變化，最終蓄電池儲(chǔ)能單元狀態(tài)達(dá)到平衡。均衡調(diào)節(jié)因子n的取值會(huì)影響均衡的控制速度，n取值越大，均衡速度越快。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，n過(guò)大會(huì)導(dǎo)致下垂系數(shù)過(guò)大，從而造成直流母線電壓降落太大，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致均衡速度過(guò)慢，結(jié)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制綜合考慮，本文取n=3。
2.2 基于DBS的PEM電解水制氫單元控制方法
蓄電池儲(chǔ)能單元的下垂控制策略會(huì)使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流母線電壓偏離設(shè)定的下垂電壓參考值，因此，將DBS作為控制信號(hào)調(diào)整PEM制氫單元的輸入功率，改善混合儲(chǔ)能單元間功率分配。
PEM電解制氫單元變換電路的控制策略如圖9所示，根據(jù)DBS的狀態(tài)區(qū)間判斷當(dāng)前蓄電池儲(chǔ)能單元的功率運(yùn)行狀態(tài)，控制PEM電解制氫系統(tǒng)的自適應(yīng)功率調(diào)節(jié)。PEM電解制氫變換電路本質(zhì)上采用了雙閉環(huán)反饋PID控制，制氫單元工作在電流控制模式，控制信號(hào)用電流內(nèi)環(huán)控制制氫單元的輸出電流。區(qū)別于傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，控制策略在電壓環(huán)中采用正反饋控制回路，將PEM制氫單元Buck變換電路的輸出電壓與蓄電池儲(chǔ)能單元下垂參考電壓的差值正向疊加在PEM制氫單元輸出電流的參考值中。電流環(huán)參考值的變化能夠反映直流微網(wǎng)蓄電池儲(chǔ)能單元的工作狀態(tài)，經(jīng)PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)PEM制氫單元的制氫功率的自適應(yīng)控制。此種控制方式下，PEM電解制氫單元的輸入功率能根據(jù)蓄電池儲(chǔ)能單元狀態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，分擔(dān)儲(chǔ)能單元的功率調(diào)控壓力，避免儲(chǔ)能電池過(guò)早出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象。PEM電解制氫控制方法如圖10所示。
2.3 光伏發(fā)電單元MPPT控制方法
光伏發(fā)電單元是氫電耦合光儲(chǔ)微網(wǎng)的供能單元，通常情況下，光伏發(fā)電單元不受母線電壓影響，工作在MPP以減小棄光率，但在能量供給過(guò)剩時(shí)須調(diào)整至恒壓輸出狀態(tài)。光伏發(fā)電單元控制方法如圖11所示，將光伏陣列的輸出電壓與電流信號(hào)分別傳輸給基于擾動(dòng)觀察法的MPPT控制器和恒壓控制器進(jìn)行參考電壓Uref控制信號(hào)運(yùn)算，根據(jù)測(cè)量的蓄電池SOC信號(hào)判斷微網(wǎng)光伏發(fā)電的承載裕量。當(dāng)裕量充足時(shí)，控制選擇開關(guān)輸出光伏陣列最大發(fā)電功率。當(dāng)裕量不足時(shí)，控制選擇開關(guān)輸出恒壓控制信號(hào)，保證微網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定在參考電壓值。
3 仿真驗(yàn)證
基于Matlab/Simulink軟件環(huán)境，搭建氫電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型。設(shè)定2個(gè)蓄電池SOC的安全工作范圍為30%~80%，額定電壓為200 V，PEM制氫單元參考輸出功率為2 kW，本地負(fù)載為恒定負(fù)載2 kW，總仿真時(shí)間設(shè)置為10 s。
3.1 模式a與模式c轉(zhuǎn)換仿真驗(yàn)證
系統(tǒng)從模式a向模式c的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，光伏發(fā)電單元通過(guò)微網(wǎng)直流母線向蓄電池、PEM制氫單元以及本地負(fù)載輸入電能。在參考環(huán)境條件(光照強(qiáng)度S=1000 W/m2，溫度T=25 ℃)下，運(yùn)行的最大輸出功率為10.4 kW。光照強(qiáng)度初始值設(shè)置為800 W/m2，在2 s時(shí)提升為1000 W/m2，在4 s時(shí)下降為700 W/m2。蓄電池初始SOC分別設(shè)置為78.8%、78.5%。
系統(tǒng)各單元的功率變化如圖12所示。由圖12 a)可見(jiàn)，初始光照下光伏單元功率PPV為8.2 kW；在2 s處光照強(qiáng)度增加，輸出功率隨即增至10.4 kW；在4 s處光照強(qiáng)度減弱，輸出功率降至6.3 kW，說(shuō)明光伏發(fā)電單元MPPT方法實(shí)現(xiàn)了變化條件下光伏MPP的動(dòng)態(tài)跟蹤調(diào)節(jié)。2個(gè)蓄電池7.9 s前的輸出功率均為負(fù)值，始終處于充電狀態(tài)，功率大小與光伏發(fā)電單元輸出功率變化趨勢(shì)相同。在2 s處充電功率從1.5 kW增至2.5 kW，在4 s處充電功率從2.5 kW減小至1.1 kW。充分說(shuō)明了系統(tǒng)在供能充足時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)供能調(diào)節(jié)。
由圖12 b)可見(jiàn)，本地負(fù)載Pload的大小始終維持在2 kW左右，僅在光伏輸出功率變化時(shí)有輕微跳變，說(shuō)明光伏輸出功率的變化量由蓄電池與PEM制氫單元協(xié)調(diào)分配抑平。PEM電解制氫輸入功率初始值為2.8 kW，隨著下垂控制直流母線電壓偏差，輸入功率在2 s處增至3.3 kW，在4 s處減小至2.5 kW，功率變換時(shí)整體功率變化與蓄電池儲(chǔ)能單元趨勢(shì)一致，分擔(dān)了蓄電池充電壓力，減緩了蓄電池過(guò)充趨勢(shì)。
供能側(cè)蓄電池仿真的前4 s內(nèi)，儲(chǔ)能單元1相比于單元2接收了更多來(lái)自直流母線側(cè)的功率，充電功率在仿真過(guò)程中趨于一致，蓄電池SOC及下垂系數(shù)變化如圖13所示。由圖13可見(jiàn)，2個(gè)蓄電池單元SOC的上升速度隨充電功率的增大而加快，隨充電功率的減小，其上升速度減緩。同時(shí)，兩者大小不斷接近。充電模式下，SOC較大的蓄電池下垂系數(shù)也更大，并且隨著時(shí)間推移，變化曲線相互逼近，進(jìn)一步說(shuō)明下垂控制方法在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)兼顧了蓄電池間的運(yùn)行均衡。
7.9 s處的變化反映了模式a和c的過(guò)渡過(guò)程，由于儲(chǔ)能受限，系統(tǒng)此時(shí)關(guān)閉蓄電池儲(chǔ)能單元，供能側(cè)蓄電池儲(chǔ)能單元功率隨即變?yōu)?，SOC也不再上升，避免了蓄電池過(guò)充。這種狀況下，系統(tǒng)已無(wú)法消納光伏單元過(guò)剩的電能，因此被迫限制光伏單元輸出功率，負(fù)載側(cè)PEM制氫單元以2 kW參考輸入功率運(yùn)行。整個(gè)仿真過(guò)程中，模式a轉(zhuǎn)換到模式c過(guò)渡平滑，控制策略效果明顯。
3.2 模式b與模式d轉(zhuǎn)換仿真驗(yàn)證
在工作模式b下，光伏發(fā)電與蓄電池單元共同向直流母線供能，轉(zhuǎn)換至模式d后蓄電池將變?yōu)槌潆姞顟B(tài)。給定光伏發(fā)電單元在參考環(huán)境條件下最大輸出功率為4.2 kW，光照強(qiáng)度初始值為750 W/m2，在6 s時(shí)上升為850 W/m2，蓄電池初始SOC分別設(shè)置為30%、31.5%。
系統(tǒng)各單元功率變化如圖14所示。初始時(shí)，供能側(cè)的光伏發(fā)電單元輸出功率為3.1 kW；在6 s處光照強(qiáng)度增強(qiáng)，輸出功率增至3.3 kW，光伏MPPT跟蹤效果同樣顯著。蓄電池功率起始時(shí)均為正值，處于放電狀態(tài)。在3.1 s時(shí)由于放電達(dá)到限值，微網(wǎng)控制策略做出響應(yīng)，將制氫功率用于蓄電池充電，使其功率變?yōu)樨?fù)值。從負(fù)載側(cè)來(lái)看，Pload的大小始終保持在2 kW，PEM電解制氫初始輸入功率為5.2 kW，模式轉(zhuǎn)換后系統(tǒng)關(guān)閉PEM制氫單元，其功率隨即變?yōu)?。在6 s時(shí)，光照強(qiáng)度增強(qiáng)，蓄電池儲(chǔ)能單元充電功率隨之增加，負(fù)載功率保持不變。仿真過(guò)程說(shuō)明系統(tǒng)在模式b和d間仍能實(shí)現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)化，且能根據(jù)外界條件變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。
運(yùn)行過(guò)程中蓄電池SOC及下垂系數(shù)變化如圖15所示。在微網(wǎng)運(yùn)行模式改變時(shí)，蓄電池SOC由下降轉(zhuǎn)為上升，防止加深過(guò)放狀態(tài)，下垂系數(shù)R1與R2也隨即互換。蓄電池間的SOC與下垂系數(shù)不斷趨近，進(jìn)一步說(shuō)明了系統(tǒng)的均衡效果。6 s后充電功率增加，SOC上升的也更快，變化趨勢(shì)符合預(yù)期控制效果。
3.3 模式a與模式b轉(zhuǎn)換仿真驗(yàn)證
在模式a與模式b的轉(zhuǎn)換中，給定光伏發(fā)電單元最大輸出功率為10.4 kW。光照強(qiáng)度初始值為800 W/m2，在2 s時(shí)提升為1000 W/m2，在4 s時(shí)下降為300 W/m2，6 s時(shí)下降為100 W/m2。蓄電池初始SOC分別設(shè)置為78.8%、78.5%。
模式a、b轉(zhuǎn)換過(guò)程中系統(tǒng)各單元功率變化如圖16所示。由圖16可見(jiàn)，供能側(cè)光伏發(fā)電單元由MPPT控制動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出最大功率，蓄電池單元4 s前功率為負(fù)值，處于充電狀態(tài)，且充電功率隨光伏輸入的增加而增加。在4 s時(shí)，光照強(qiáng)度減弱，光伏的輸出功率由10.4 kW降至2.2 kW。此時(shí)光伏發(fā)電功率不足以支撐微網(wǎng)維持母線電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)控制策略立刻做出響應(yīng)，由工作模式a轉(zhuǎn)換為工作模式b，蓄電池由充電變?yōu)榉烹?，功率由?fù)值變?yōu)檎?。?fù)載側(cè)中本地負(fù)載Pload保持在2 kW，PEM電解制氫單元在系統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)同樣降低功率輸入，減輕微網(wǎng)負(fù)擔(dān)，系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程始終保持穩(wěn)定，且蓄電池功率逐步均衡。蓄電池SOC及下垂系數(shù)變化如圖17所示，4 s前蓄電池充電，SOC斜率隨功率的增加而增大，4 s時(shí)系統(tǒng)完成模式轉(zhuǎn)換，SOC1和SOC2由上升轉(zhuǎn)為下降，下垂系數(shù)數(shù)值反轉(zhuǎn)。整個(gè)仿真過(guò)程中，控制器仍能實(shí)現(xiàn)蓄電池間能量均衡，控制效果良好。
4 結(jié)論
1）PEM電解槽模型各工況下對(duì)實(shí)際外特性反映良好，最大誤差不超過(guò)0.2 V，為儲(chǔ)能微網(wǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算和協(xié)調(diào)控制奠定基礎(chǔ)。
2）考慮蓄電池SOC的指數(shù)型下垂控制策略，結(jié)合光伏MPPT控制與基于DBS的制氫儲(chǔ)能控制，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)和運(yùn)行模式的平滑過(guò)渡，提高了微網(wǎng)可再生能源消納能力。
3）考慮微網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的蓄電池狀態(tài)變化，在指數(shù)型下垂控制系數(shù)中引入SOC值，實(shí)現(xiàn)了多儲(chǔ)能并聯(lián)運(yùn)行時(shí)充放電均衡。蓄電池SOC與下垂控制系數(shù)在運(yùn)行過(guò)程中逐漸趨近，避免了蓄電池過(guò)充與過(guò)放，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能使用壽命，提升了系統(tǒng)安全性。
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