毛軍科，劉士榮，榮延澤，李松峰

(杭州電子科技大學自動化研究所，浙江杭州310018)

0 引 言

隨著一次能源的逐漸短缺以及環(huán)境問題的日益突出，可再生能源的開發(fā)利用成為了各國的研究熱點?？稍偕茉粗幸蕴柲茏罹哂袘们熬?。因此研究光伏發(fā)電系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。目前，一般的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列和鉛酸蓄電池以及一些功率變換裝置等組成。雖然系統(tǒng)簡單且無污染，但這類系統(tǒng)也存在很大的缺點。如太陽能具有很大的隨機性，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性;鉛酸蓄電池儲能有限，且使用壽命短、費用高等。隨著質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)不斷成熟與完善，建立一種以氫能為儲能形式的混合發(fā)電系統(tǒng)成為可能。若將光伏發(fā)電產(chǎn)生的多余的電能通過電解水制氫的方式轉(zhuǎn)化為氫能儲存起來以備燃料電池使用，則可實現(xiàn)能源的長期存儲。此外，光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)［1－3］若結(jié)合超級電容可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，更加可靠。本文提出了一種新型的光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了各主要元件的Matlab仿真模型，并設(shè)計了此系統(tǒng)的能量協(xié)調(diào)控制策略以及系統(tǒng)有功功率跟隨控制模型，最后在Matlab中建立系統(tǒng)仿真模型，并對其動態(tài)響應進行仿真分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括光伏電池陣列、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、超級電容、質(zhì)子交換膜水電解槽和功率變換裝置、無功補償裝置、重要負載、次要負載等。

本系統(tǒng)中光伏陣列首先通過最大功率跟蹤控制器獲得最大功率輸出，然后通過逆變器將電能送入微電網(wǎng)。光伏陣列在本系統(tǒng)中是不可控單元，因此將其和不可控負荷一起作為有功功率波動源。燃料電池通過逆變器將電能送入微電網(wǎng)。燃料電池作為本系統(tǒng)的主電源為微電網(wǎng)提供基準電壓和頻率。超級電容通過一個雙向逆變器與微電網(wǎng)進行能量交互，參與微電網(wǎng)內(nèi)部瞬間的有功功率波動調(diào)節(jié)。水電解槽通過整流器從微電網(wǎng)獲取電能來水電解制氫，并將制得的氫氣先存入氫氣罐，以備燃料電池發(fā)電時使用。水電解槽在本系統(tǒng)中是一個可控負荷。

2 能量調(diào)度

太陽能具有隨機性和波動性，因此光伏發(fā)電不能持續(xù)穩(wěn)定的輸出電能。這樣小容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)就容易出現(xiàn)功率不平衡，而經(jīng)過無功補償裝置補償后無功波動一般相對較小，因此本文主要通過維持有功功率平衡來完成能量調(diào)度［4］。

本系統(tǒng)具有2種工作狀態(tài)，即并網(wǎng)狀態(tài)和獨網(wǎng)狀態(tài)。不同的工作狀態(tài)應具有不同的調(diào)度策略。但本文主要注重考慮獨網(wǎng)狀態(tài)下的能量調(diào)度，因為獨網(wǎng)狀態(tài)下的功率平衡是微電網(wǎng)系統(tǒng)非常重要的能力，只有做好獨網(wǎng)狀態(tài)下的功率平衡才能真正實現(xiàn)微電網(wǎng)運行。建立獨網(wǎng)狀態(tài)下的能量調(diào)度目標函數(shù)如下:

圖1 光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

式中，PFC，min≤PFC≤PFC，max;－ PEDLC，maxin≤PEDLC≤PEDLC，maxout;0≤PWE≤PWE，max。其中 ΔP 為獨網(wǎng)狀態(tài)下有功功率的不平衡量;PG為系統(tǒng)輸出的總有功功率;PL為系統(tǒng)負載消耗的總有功功率;PPV為光伏發(fā)電輸出的有功功率;PFC為燃料電池輸出的有功功率;PEDLC超級電容輸出的有功功率;PLoad1為重要負載消耗的有功功率;PLoad2為次要負載消耗的有功功率;PWE為水電解槽消耗的有功功率;PS為系統(tǒng)總損耗的有功功率;PFC，min為燃料電池最小的輸出有功功率;PFC，max為燃料電池最大的輸出有功功率;PEDLC，maxin為超級電容最大充電有功功率;PEDLC，maxout為超級電容最大放電有功功率;PWE，max為水電解槽消耗的最大有功功率。

從式1－3中可以看出，要維持功率平衡必須使ΔP接近于零，而本系統(tǒng)中受控的單元只有PFC、PEDLC和PWE。因此只有通過調(diào)節(jié)燃料電池、超級電容和水電解槽的輸出來維持有功功率平衡。

3 系統(tǒng)建模及仿真分析

3.1 系統(tǒng)模型

為了更好的進行仿真分析，本文以本校第六教學樓和第八教學樓2幢教學樓實際用電為例進行系統(tǒng)容量設(shè)定。經(jīng)過查看這兩幢教學樓的負荷歷史數(shù)據(jù)得出:負荷最大的幾個月份為6月、9月、12月以及1月;最大的瞬時負荷在380kW左右;白天的平均負荷在150kW左右。

基于以上數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)的容量設(shè)定如下:200kW燃料電池堆;200kWp光伏電池陣列;150kW(2s)超級電容;100kW水電解槽。

在Matlab環(huán)境下建立系統(tǒng)動態(tài)模型，如圖2所示。

控制裝置和各個設(shè)備的參數(shù)如表1所示。

圖2 系統(tǒng)模型

表1 各設(shè)備的控制裝置和參數(shù)

3.2 仿真分析

為了簡化仿真步驟，本文只對用戶負荷以及PV的總輸出功率變化時的系統(tǒng)暫態(tài)響應進行仿真。假設(shè)燃料電池工作于低功率狀態(tài);水電解槽工作于較大功率狀態(tài)。仿真過程中，輸入連續(xù)的階躍響應，驗證系統(tǒng)對連續(xù)的負荷波動的響應能力。其仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，系統(tǒng)在連續(xù)的負荷波動下依然具有良好的響應能力，有功功率波動較小，穩(wěn)定性較高。

4 結(jié)束語

該微電網(wǎng)系統(tǒng)采用電解水制氫的方式進行儲能。不但可以消耗多余的電能，維持系統(tǒng)功率平衡，而且提高了能源的儲存時間，實現(xiàn)了能源的循環(huán)利用。這相對于利用日益缺乏的化石能源的系統(tǒng)而言，不僅減少了能源的運輸，更減輕了對周圍環(huán)境的污染，是一個綠色無污染的系統(tǒng)。對該微電網(wǎng)系統(tǒng)的暫態(tài)響應進行了仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)能較好的克服光伏發(fā)電以及負載隨機突變對發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。超級電容的使用不僅提高了燃料電池的供電性能也大大增強了系統(tǒng)對短期峰值負荷的響應能力。系統(tǒng)在光照和負荷發(fā)生變化時維持了微電網(wǎng)內(nèi)部的有功功率平衡，具有良好的供電可靠性與穩(wěn)定性，這對于未來大規(guī)模發(fā)展微電網(wǎng)系統(tǒng)來說十分關(guān)鍵。

圖3 仿真結(jié)果

［1］ 楊占剛，王成山，車延博.可實現(xiàn)運行模式靈活切換的小型微電網(wǎng)實驗系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2009，33(14):89－92.

［2］ 盧繼平，白樹華.風光氫聯(lián)合式獨立發(fā)電系統(tǒng)的建模及仿真［J］.電網(wǎng)技 術(shù)，2007，31(22):76－84.

［3］ Sukumar Kamalasadan，Chad M.Tanton.Modeling and Simulation of PEM Fuel Cell Generator as a Micro Grid［J］.Industry Applications Society Annual Meeting，2010，51(5):1 －8.

［4］ 劉學平，劉天琪，李興源.混合獨立發(fā)電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)策略與仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(9):202－205.

［5］ 胡文杰.高滲透率下微電網(wǎng)潮流計算及其運行的多目標優(yōu)化［D］.上海:上海交通大學，2010.

［6］ Hicham Fakham，Di Lu，Bruno Francois.Power Control Design of a battery charger in a Hybrid Active PV generator for load following applications［J］.IEEE Transaction on Industrial Electronics，2011，58(1):85 － 94.