一種光氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種光氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法，其特點是，包括的步驟有：光伏發(fā)電單元數(shù)學模型建立、質(zhì)子交換膜燃料電池單元數(shù)學模型建立、堿式電解槽單元數(shù)學模型建立、超級電容器單元數(shù)學模型建立、儲氫罐單元數(shù)學模型建立、光氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制步驟，利用本發(fā)明的方法對光氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制進行分析，充分證明了對光氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制的有效性；與以往的功率協(xié)調(diào)控制方法相比在分析太陽能光伏發(fā)電單元以及氫儲能單元數(shù)學模型特性的基礎(chǔ)上，考慮到氫儲能裝置的慢動態(tài)響應(yīng)特性，采用暫態(tài)性能好的超級電容器及時補償不平衡功率，從而提高電網(wǎng)對新能源吸納能力，具有方法科學合理，實際應(yīng)用價值高等優(yōu)點。
【專利說明】
-種光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明是一種光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法，應(yīng)用于光儲聯(lián)合發(fā)電建模仿 真、并網(wǎng)運行特性分析、平滑氨儲能裝置動態(tài)響應(yīng)過程中的不平衡功率。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著化石燃料的大量燃燒，溫室氣體排放也隨之不斷增加，環(huán)境友好型的 可再生能源成為解決運一問題的最可靠和最有潛力的途徑。在現(xiàn)有的可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 中，光伏發(fā)電是其中最有前景的一種新能源發(fā)電方式。為了最大限度地利用可再生資源，需 要對太陽能電池進行最大功率點追蹤控制。但是，光伏發(fā)電輸出功率受光照強度、環(huán)境溫度 等因素的影響，使得其出力具有很強的波動性和隨機性，從而對電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行帶 來不利因素。
[0003] 傳統(tǒng)的光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法，一方面雖實現(xiàn)了光氨儲能系統(tǒng)能源 最大化利用，但未考慮電池模型的實際動態(tài)響應(yīng)特性；另一方面針對光氨混合系統(tǒng)雖然提 出了不同的運行模式，但是并未將儲氨罐約束納入系統(tǒng)分析之中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，提供一種在分析光伏發(fā)電單元、質(zhì)子交換膜燃料電池單元、堿式 電解槽單元、儲氨罐單元W及超級電容器單元數(shù)學模型特性基礎(chǔ)上，考慮到光照強度與氨 儲能設(shè)備具有時空互補性，提高電網(wǎng)對光伏等可再生能源吸納能力，適應(yīng)性強，具有較高的 實際應(yīng)用價值的光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是由W下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制 方法，其特征是，它包括W下步驟：
[0006] 1.光伏發(fā)電單元數(shù)學模型建立
[0007] 太陽能電池伏安特性方程為 [000引
(1)
[0009]其中：Ipv為光伏輸出電流，
[0010] Upv為光伏輸出電壓，
[00川 Iph為光生電流，
[001 ^ I日為反向飽和電流，
[OOU] Rsh為分流電阻；
[0014] Rs為串聯(lián)電阻，
[001引 q為單位電荷量，
[0016] k為玻爾茲曼常數(shù)，
[0017] Tpv為光伏熱力學溫度；
[0018] 2.質(zhì)子交換膜燃料電池單元數(shù)學模型建立
[0019] 質(zhì)子交換膜燃料電池 U-I方程式為
[0020] Ufc 二Enernsl;-Uconc-Uact-Uohm-RinIfc ( 2 )
[0021] 其中：Enernst為熱力學電動勢，
[0022] 化。nc為濃度差過電壓，
[0023] Uact為活化過電壓，
[0024] Uohm歐姆過電壓，
[0025] Rin為質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)電阻，
[0026] If。為質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電流，
[0027] 陽。為質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓；
[0028] 3.堿式電解槽單元數(shù)學模型建立
[0029] 堿式電解槽數(shù)學模型為
[0030]
C3；
[0031] 其中：Uel為電解槽輸出電壓，
[0032] Urev為單元可逆電壓，
[0033] ri和n均為電解液歐姆電阻參數(shù)，
[0034] Tei電解槽溫度，
[0035] Aei為電解模塊面積，
[0036] Iel為電解槽輸出電流，
[0037] 知、*2、13、31、32、33為電極過電壓系數(shù)；
[0038] 4.超級電容器單元數(shù)學模型建立
[0039] 超級電容器等效數(shù)學模型為
[O(W)I (4)
[0041] 其中：Csc為超級電容器電容，
[0042] CtDtai為超級電容器總電容，
[0043] ns為超級電容器單元串聯(lián)個數(shù)，
[0044] np為超級電容器單元并聯(lián)個數(shù)，
[0045] Usc為超級電容器的端電壓，
[0046] Uscf為超級電容器最低極限電壓，
[0047] Esc為超級電容器所儲存的能量；
[004引5.儲氨罐單元數(shù)學模型建立
[0049]根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，儲氨罐數(shù)學模型為
[(K)加] (5)
[0051 ] 其中：
PH2為儲氨罐內(nèi)部壓力值，
[0化2] PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0053] PH2V為儲氨罐最高壓力值，
[0054] M為儲氨罐中氨量，
[0化日]V。為儲氨罐的體積，
[0056] Tc為儲氨罐環(huán)境溫度，
[0化7] Rc為氣體常數(shù)，
[005引Mo為儲氨罐初始儲氨量，
[0059] n為電流效率，
[0060] N為單元個數(shù)，
[0061] I為電解槽或質(zhì)子交換膜燃料電池電流，
[0062] f(I)為電流函數(shù)表達，
[0063] F為法拉第常數(shù)；
[0064] 6.光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制
[0065] 光氨混合發(fā)電系統(tǒng)中超級電容器的首要任務(wù)是補償質(zhì)子交換膜燃料電池和電解 槽動態(tài)響應(yīng)慢而引起的直流母線不平衡功率，同時，在儲氨罐約束條件不滿足時，作為輔助 電源平滑系統(tǒng)并網(wǎng)功率，超級電容器端電壓約束條件分兩層，第一層為輔助電源系統(tǒng)供電 約束，第二層為電解槽和質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)響應(yīng)約束，
[0066] 模式1:當儲氨罐氨氣儲備充足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值大于其實際值， 且超級電容器端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[00671
(6)
[0068] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0069] PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比，
[0070] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0071] Pfc為燃料電池功率實際值，
[0072] Pelref為電解槽功率參考值，
[0073] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0074] Usc為超級電容器的端電壓，
[0075] Uscmin2為超級電容器的端電壓下限闊值，
[0076] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0077] 模式2 :當儲氨罐氨氣儲備充足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值小于其實際值， 且超級電容器端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[007引
(7)
[0079] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0080] PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比，
[0081 ] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0082] Pfc為燃料電池功率實際值，
[0083] Pelref為電解槽功率參考值，
[0084] Pnet為直流母線不平衡功率，
[00化]Usc為超級電容器的端電壓，
[0086] Uscma。為超級電容器的端電壓上限闊值，
[0087] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0088] 模式3:當儲氨罐氨氣儲備不足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值將降至為零，且 超級電容器端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為 「00891
(8)
[0090] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0091] PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比，
[0092] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0093] Pf。為燃料電池功率實際值，
[0094] Pelref為電解槽功率參考值，
[00M] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0096] Usc為超級電容器的端電壓，
[0097] Uscminl為超級電容器的端電壓下限闊值，
[009引 Pscref為超級電容器功率參考值；
[0099]模式4:當儲氨罐剩余空間充足，電解槽功率參考值大于其實際值，且超級電容器 端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為 [01001
(9)
[OWU 其中：PH2%刃儲m罐內(nèi)部壓力百分比，
[0102] PH2max%為儲氨罐壓力上限百分比，
[0103] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0104] Pelref為電解槽功率參考值，
[0105] Pel為電解槽功率實際值，
[0106] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0107] Usc為超級電容器的端電壓，
[010引 Uscma。為超級電容器的端電壓上限闊值，
[0109] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0110] 模式5:當儲氨罐剩余空間充足，電解槽功率參考值大于其實際值，且超級電容器 端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0111]
(10)
[0112] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0113] PH2max%為儲氨罐壓力上限百分比，
[0114] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0115] Pelref為電解槽功率參考值，
[0116] Pel為電解槽功率實際值，
[01 1 7] Pnet為直流母線不平衡功率，
[011引 Usc為超級電容器的端電壓，
[0119] Uscmin2為超級電容器的端電壓下限闊值，
[0120] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0121] 模式6:當儲氨罐中剩余空間不足，電解槽功率參考值將降至為零，且超級電容器 端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[01221 (11)
[0123] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0124] PH2max%為儲氨罐壓力上限百分比，
[01巧]Pfcref為燃料電池功率參考值，
[01%] Pelref為電解槽功率參考值，
[0127] Pel為電解槽功率實際值，
[0128] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0129] Usc為超級電容器的端電壓，
[0130] Uscmaxl為超級電容器的端電壓上限闊值，
[0131] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0132] 模式7:混合系統(tǒng)各單元均退出運行，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0133]
(12)
[0134] 其中：Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0135] Pelref為電解槽功率參考值，
[0136] Pscref為超級電容器功率參考值。
[0137] 利用本發(fā)明的光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法對光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié) 調(diào)控制進行分析，充分證明了對光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制的有效性;與W往的功率 協(xié)調(diào)控制方法相比在分析太陽能光伏發(fā)電單元W及氨儲能單元數(shù)學模型特性的基礎(chǔ)上，考 慮到氨儲能裝置的慢動態(tài)響應(yīng)特性，采用暫態(tài)性能好的超級電容器及時補償不平衡功率， 從而提高電網(wǎng)對新能源吸納能力，具有方法科學合理，實際應(yīng)用價值高等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0138] 圖1是光照強度和光伏輸出功率曲線示意圖；
[0139] 圖2是光伏輸出、電網(wǎng)和母線不平衡功率曲線示意圖；
[0140] 圖3是混合系統(tǒng)各單元電流追蹤曲線示意圖；
[0141] 圖4是直流母線電壓和d、q軸電流追蹤曲線示意圖；
[0142] 圖5是燃料電池功率曲線示意圖；
[0143] 圖6是電解槽功率曲線示意圖；
[0144] 圖7是超級電容器功率曲線示意圖；
[0145] 圖8是混合系統(tǒng)各單元功率曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0146] 本發(fā)明的一種在分析光伏發(fā)電單元、質(zhì)子交換膜燃料電池單元、堿式電解槽單元、 儲氨罐單元W及超級電容器單元數(shù)學模型特性基礎(chǔ)上，考慮到光照強度與氨儲能設(shè)備具有 時空互補性，提高電網(wǎng)對光伏等可再生能源吸納能力，適應(yīng)性強，具有較高的實際應(yīng)用價值 的光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法。
[0147] 本發(fā)明的目的是由W下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制 方法，包括W下步驟：
[0148] 1.光伏發(fā)電單元數(shù)學模型建立
[0149] 太陽能電池伏安特性方程為 [01501
(1)
[0151] 其中：Ipv為光伏輸出電流，
[0152] Upv為光伏輸出電壓，
[0153] Iph為光生電流，
[0154] Io為反向飽和電流，
[0155] Rsh為分流電阻；
[0156] Rs為串聯(lián)電阻，
[0157] q為單位電荷量，
[015引k為玻爾茲曼常數(shù)，
[0159] Tpv為光伏熱力學溫度；
[0160] 2.質(zhì)子交換膜燃料電池單元數(shù)學模型建立
[0161] 質(zhì)子交換膜燃料電池 U-I方程式為
[0162] Ufc = Enerns1;-Uconc-Uact-U〇hm-RinIfc (2)
[0163] 其中：Enernst為熱力學電動勢，
[0164] 化。nc為濃度差過電壓，
[01化]Uact為活化過電壓，
[0166] Uohm歐姆過電壓，
[0167] Rin為質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)電阻，
[0168] If。為質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電流，
[0169] 陽。為質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓；
[0170] 3.堿式電解槽單元數(shù)學模型建立
[0171] 堿式電解槽數(shù)學模型為
[0172]
[0173]其中：Uel為電解槽輸出電壓，
[0174] Urev為單元可逆電壓，
[0175] n和K均為電解液歐姆電阻參數(shù)，
[0176] Tei電解槽溫度，
[0177] Aei為電解模塊面積，
[017引Iel為電解槽輸出電流，
[0179] 打、12、13、31、32、33為電極過電壓系數(shù)；
[0180] 4.超級電容器單元數(shù)學模型建立
[0181] 超級電容器等效數(shù)學模型為
[0182]
(4)
[0183] 其中：Csc為超級電容器電容，
[0184] Ctotal為超級電容器總電容，
[0185] ns為超級電容器單元串聯(lián)個數(shù)，
[0186] np為超級電容器單元并聯(lián)個數(shù)，
[0187] Usc為超級電容器的端電壓，
[018引 Uscf為超級電容器最低極限電壓，
[0189] Esc為超級電容器所儲存的能量；
[0190] 5.儲氨罐單元數(shù)學模型建立
[0191] 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，儲氨罐數(shù)學模型為
[0192]
(5)
[0193] 其中：PH2為儲氨罐內(nèi)部壓力值，
[0194] PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0195] PH2V為儲氨罐最高壓力值，
[0196] M為儲氨罐中氨量，
[0197] V。為儲氨罐的體積，
[0198] Tc為儲氨罐環(huán)境溫度，
[0199] Rc為氣體常數(shù)，
[0200] Mo為儲氨罐初始儲氨量，
[0201] n為電流效率，
[0202] N為單元個數(shù)，
[0203] I為電解槽或質(zhì)子交換膜燃料電池電流，
[0204] f( I)為電流函數(shù)表達，
[02化]F為法拉第常數(shù)；
[0206] 6.光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制
[0207] 光氨混合發(fā)電系統(tǒng)中超級電容器的首要任務(wù)是補償質(zhì)子交換膜燃料電池和電解 槽動態(tài)響應(yīng)慢而引起的直流母線不平衡功率，同時，在儲氨罐約束條件不滿足時，作為輔助 電源平滑系統(tǒng)并網(wǎng)功率，超級電容器端電壓約束條件分兩層，第一層為輔助電源系統(tǒng)供電 約束，第二層為電解槽和質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)響應(yīng)約束，
[0208] 模式1:當儲氨罐氨氣儲備充足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值大于其實際值， 且超級電容器端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0209]
0)
[0210] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0211] PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比，
[0212] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0213] Pfc為燃料電池功率實際值，
[0214] Pelref為電解槽功率參考值，
[0215] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0216] Usc為超級電容器的端電壓，
[0217] Uscmin2為超級電容器的端電壓下限闊值，
[0218] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0219] 模式2:當儲氨罐氨氣儲備充足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值小于其實際值， 且超級電容器端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0220]
C7)
[0221] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0222] PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比，
[0223] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0224] Pfc為燃料電池功率實際值，
[02巧]Pelref為電解槽功率參考值，
[02%] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0227] Usc為超級電容器的端電壓，
[022引 Uscma。為超級電容器的端電壓上限闊值，
[0229] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0230] 模式3 :當儲氨罐氨氣儲備不足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值將降至為零，且 超級電容器端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0231]
(8)
[0232] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0233] pH2min%為儲氨罐壓力下限百分比，
[0234] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0235] Pfc為燃料電池功率實際值，
[0236] Pelref為電解槽功率參考值，
[0237] Pnet為直流母線不平衡功率，
[023引 Usc為超級電容器的端電壓，
[0239] Uscminl為超級電容器的端電壓下限闊值，
[0240] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0241] 模式4:當儲氨罐剩余空間充足，電解槽功率參考值大于其實際值，且超級電容器 端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0242]
巧）
[0243] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0244] PH2max%為儲氨罐壓力上限百分比，
[0245] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0246] Pelref為電解槽功率參考值，
[0247] Pel為電解槽功率實際值，
[0248] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0249] Usc為超級電容器的端電壓，
[0巧0] Uscma。為超級電容器的端電壓上限闊值，
[0巧1] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0252]模式5:當儲氨罐剩余空間充足，電解槽功率參考值大于其實際值，且超級電容器 端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為 [0 巧 31
[0254] 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0255] PH2max%為儲氨罐壓力上限百分比，
[0256] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0257] Pelref為電解槽功率參考值，
[0258] Pel為電解槽功率實際值，
[0259] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0260] Usc為超級電容器的端電壓，
[0261] Uscmin2為超級電容器的端電壓下限闊值，
[0262] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0263] 模式6:當儲氨罐中剩余空間不足，電解槽功率參考值將降至為零，且超級電容器 端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[0?A4l (11)
[02化]其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比，
[0266] PH2max%為儲氨罐壓力上限百分比，
[0267] Pfcref為燃料電池功率參考值，
[026引Pelref為電解槽功率參考值，
[0269] Pel為電解槽功率實際值，
[0270] Pnet為直流母線不平衡功率，
[0271] Usc為超級電容器的端電壓，
[0272] Uscmaxl為超級電容器的端電壓上限闊值，
[0273] Pscref為超級電容器功率參考值；
[0274] 模式7:混合系統(tǒng)各單元均退出運行，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為
[W751 (12)
[0276] 其中：Pfcref為燃料電池功率參考值，
[0277] Pelref為電解槽功率參考值，
[0278] Pscref為超級電容器功率參考值。
[0279] 具體實例：
[0280] W某地區(qū)實測負荷曲線和實際氣象條件為基礎(chǔ)，對光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控 制方法進行分析，圖1為某地區(qū)典型日光照強度曲線W及光伏陣列的輸出功率，典型負荷曲 線W及直流母線不平衡功率如圖2所示。在此基礎(chǔ)上對光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方 法進行仿真分析，圖1為在該典型光照強度條件下，光伏陣列的輸出功率情況。由圖1和圖2 可知，光伏陣列單元出力與光照強度變化趨勢一致，并基于電導(dǎo)增量法實現(xiàn)其最大功率追 蹤。分析表明，太陽福射強度是太陽能光伏發(fā)電單元功率輸出的主要影響因素，光伏電池周 圍環(huán)境溫度對其影響較小，光伏出力曲線幾乎與太陽能福射強度變化趨勢相同。由圖3可W 看出，系統(tǒng)各單元電流均能有效地追蹤其電流參考值，且誤差在合理的控制范圍內(nèi)。由圖4 可知，直流母線電壓基本維持在IkV左右，誤差范圍維持在2% W內(nèi)，即母線電壓相對穩(wěn)定， 系統(tǒng)不存在功率大范圍波動的情況。d、q軸實際值亦能有效追蹤其參考值，表明逆變器動態(tài) 性能良好。由圖5可知，在2秒時，母線不平衡功率Pnet由-10. 〇38kW上升至-5.031kW，PEMFC功 率參考值Pfcref同時由10. 〇38kW下降至5.031kW，陽MFC慢動態(tài)響應(yīng)導(dǎo)致其實際輸出功率Pfc 沿其延遲曲線下降至5.031kW，響應(yīng)過程中的剩余功率由超級電容器W電場能的形式存儲。 在6秒時，由于氨氣壓力百分比達到其下限闊值PH2min%，氨氣不足導(dǎo)致PEMFC功率參考值降 至0,其實際輸出功率也按其延遲曲線下降至0,此時系統(tǒng)的不平衡功率均由超級電容器補 償，W保證在氨氣不足的情況下仍能向外部電網(wǎng)持續(xù)供電。在35秒時，PEMFC重新啟動，超級 電容器釋放電場能平滑上網(wǎng)功率。由圖6可知，在11秒時，母線不平衡功率Pnet由負變正，母 線剩余功率將通過電解槽制取氨氣儲存到儲氨罐中。電解槽功率參考值Pslref發(fā)生躍變時， 超級電容器將儲存的電場能釋放來平滑上網(wǎng)功率。在22秒時，母線不平衡功率Pnet由 10.15kW下降至5.92kW，電解槽功率參考值Peiref同時由10.15kW下降至5.92kW，由于電解槽 動態(tài)響應(yīng)慢，其實際功率輸出Pel按其延遲曲線下降至5.92kW。超級電容器釋放其電場能來 彌補母線上的缺額功率。在27秒時，氨氣壓力恰好達到其上限闊值抑2max%，電解槽功率參考 值降至為0,其實際功率輸出Pel沿其延遲曲線最終退出運行。此時系統(tǒng)的剩余功率通過超級 電容器W電場能的形式存儲。由圖7可見，在U趣姬纖介于在0.3kV和0.化V之間時，超級電容 器功率能實時彌補氨儲能裝置動態(tài)響應(yīng)過程中的不平衡功率，即系統(tǒng)按照網(wǎng)側(cè)負荷曲線向 外部電網(wǎng)輸送電能。當U趣法竊施出設(shè)定的約束條件，為保護各單元的使用壽命，超級電容器 將退出運行，并網(wǎng)功率會出現(xiàn)短暫不平衡。。經(jīng)過仿真驗證表明，風光儲聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電協(xié)調(diào) 控制方法是高效且實用的。由圖8可見，光伏制氨混合發(fā)電系統(tǒng)在1-6模式下均能按照負荷 曲線向外部電網(wǎng)提供相應(yīng)的電能，只有當氨氣壓力PH2 %和超級電容器端電壓U趣姥織同時越 過系統(tǒng)的限定闊值時，并網(wǎng)功率才會出現(xiàn)波動。系統(tǒng)各單元在功率控制中屯、統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制 下實現(xiàn)直流母線功率的穩(wěn)定。
【主權(quán)項】
1. 一種光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制方法，其特征是，它包括W下步驟： 1) 光伏發(fā)電單元數(shù)學模型建立 太陽能電池伏安特性方程為(.1) 其中：ipv為光伏輸出電流， Upv為光伏輸出電壓， Iph為光生電流， 1〇為反向飽和電流， Rsh為分流電阻； Rs為串聯(lián)電阻， q為單位電荷量， k為玻爾茲曼常數(shù)， Τρν為光伏熱力學溫度； 2) 質(zhì)子交換膜燃料電池單元數(shù)學模型建立 質(zhì)子交換膜燃料電池 U-I方程式為 Ufc - Enernst-Uconc-Uact-Uohm-Rinlf C ( 2 ) 其中:Enernst為熱力學電動勢， 化。nc為濃度差過電壓， Uact為活化過電壓， Unto歐姆過電壓， Rin為質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)電阻， If。為質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電流， 化。為質(zhì)子交換膜燃料電池輸出電壓； 3) 堿式電解槽單元數(shù)學模型建立 堿式電解槽數(shù)學模型為(3) 其中:Uel為電解槽輸出電壓， Urev為單元可逆電壓， ri和η均為電解液歐姆電阻參數(shù)， Te巧解槽溫度， Ael為電解模塊面積， lel為電解槽輸出電流， 1：1、12、13、31、32、33為電極過電壓系數(shù)； 4) 超級電容器單元數(shù)學模型建立 超級電容器等效數(shù)學模型為(4) 其中：Csc為超級電容器電容， CtDtal為超級電容器總電容， ns為超級電容器單元串聯(lián)個數(shù)， np為超級電容器單元并聯(lián)個數(shù)， Use為超級電容器的端電壓， Usef為超級電容器最低極限電壓， Esc為超級電容器所儲存的能量； 5) 儲氨罐單元數(shù)學模型建立 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，儲氨罐數(shù)學模型為(5) 其中：PH2為儲氨罐內(nèi)部壓力值， PH2 %為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， PH2v為儲氨罐最高壓力值， Μ為儲氨罐中氨量， V。為儲氨罐的體積， Tc為儲氨罐環(huán)境溫度， Re為氣體常數(shù)， Mo為儲氨値初始儲氨量， η為電流效率， Ν為單元個數(shù)， I為電解槽或質(zhì)子交換膜燃料電池電流， f(I)為電流函數(shù)表達， F為法拉第常數(shù)； 6) 光氨混合發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制 光氨混合發(fā)電系統(tǒng)中超級電容器的首要任務(wù)是補償質(zhì)子交換膜燃料電池和電解槽動 態(tài)響應(yīng)慢而引起的直流母線不平衡功率，同時，在儲氨罐約束條件不滿足時，作為輔助電源 平滑系統(tǒng)并網(wǎng)功率，超級電容器端電壓約束條件分兩層，第一層為輔助電源系統(tǒng)供電約束， 第二層為電解槽和質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)響應(yīng)約束， 模式1:當儲氨罐氨氣儲備充足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值大于其實際值，且超 級電容器端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為C6) 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比， Pf cref為燃料電池功率參考值， Pfc為燃料電池功率實際值， Pelref為電解槽功率參考值， Pnet為直流母線不平衡功率， Use為超級電容器的端電壓， Uscmin2為超級電容器的端電壓下限闊值， Pscref為超級電容器功率參考值； 模式2 :當儲氨罐氨氣儲備充足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值小于其實際值，且超 級電容器端電壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為(7) 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比， Pf cref為燃料電池功率參考值， Pf。為燃料電池功率實際值， Pelref為電解槽功率參考值， Pnet為直流母線不平衡功率， Use為超級電容器的端電壓， Usemax勸超級電容器的端電壓上限闊值， Pscref為超級電容器功率參考值； 模式3:當儲氨罐氨氣儲備不足，質(zhì)子交換膜燃料電池功率參考值將降至為零，且超級 電容器端電壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為(8) 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， PH2min%為儲氨罐壓力下限百分比， Pf cref為燃料電池功率參考值， Pf。為燃料電池功率實際值， Pelref為電解槽功率參考值， Pnet為直流母線不平衡功率， Use為超級電容器的端電壓， Uscmin功超級電容器的端電壓下限闊值， Pscref為超級電容器功率參考值； 模式4:當儲氨罐剩余空間充足，電解槽功率參考值大于其實際值，且超級電容器端電 壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為(9) 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， 抑2max%為儲氨罐壓力上限百分比， Pf cref為燃料電池功率參考值， Pelref為電解槽功率參考值， Pel為電解槽功率實際值， Pnet為直流母線不平衡功率， Use為超級電容器的端電壓， Usema。為超級電容器的端電壓上限闊值， Pscref為超級電容器功率參考值； 模式5:當儲氨罐剩余空間充足，電解槽功率參考值大于其實際值，且超級電容器端電 壓大于下限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為(10) 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， 抑2max%為儲氨罐壓力上限百分比， Pf cref為燃料電池功率參考值， Pelref為電解槽功率參考值， Pel為電解槽功率實際值， Pnet為直流母線不平衡功率， Use為超級電容器的端電壓， Uscmin勸超級電容器的端電壓下限闊值， Pscref為超級電容器功率參考值； 模式6:當儲氨罐中剩余空間不足，電解槽功率參考值將降至為零，且超級電容器端電 壓小于上限闊值時，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為111) 其中：PH2%為儲氨罐內(nèi)部壓力百分比， 抑2max%為儲氨罐壓力上限百分比， Pferef為燃料電池功率參考值， Pelref為電解槽功率參考值， Pel為電解槽功率實際值， Pnet為直流母線不平衡功率， Use為超級電容器的端電壓， Uscmaxl為超級電容器的端電壓上限闊值， Pscref為超級電容器功率參考值； 模式7:混合系統(tǒng)各單元均退出運行，光氨混合發(fā)電系統(tǒng)運行程序為 Pelref 二 0 Pfcref = 〇 (12) Pscref 二 0 其中:Pferef為燃料電池功率參考值， Pelref為電解槽功率參考值， Pscref為超級電容器功率參考值。
【文檔編號】H02J3/46GK106099981SQ201610578212
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月21日 公開號201610578212.7, CN 106099981 A, CN 106099981A, CN 201610578212, CN-A-106099981, CN106099981 A, CN106099981A, CN201610578212, CN201610578212.7
【發(fā)明人】孔令國, 蔡國偉, 彭龍, 陳沖
【申請人】東北電力大學