基于储能与氢气发生器的光伏并网功率控制

邹罗建， 刘士荣， 宁康红， 周啸波， 吴舜裕

（1.杭州电子科技大学 自动化学院，杭州 310018；2.浙江省电力设计院，杭州 310012）

近年来，在全球变暖和化石燃料枯竭的背景下，光伏发电作为可再生能源具有大规模开发和商业化前景，其应用越来越广泛.光伏发电的输出功率取决于光照强度和温度，而光照强度和温度具有间歇性和不确定性，这导致了其输出功率波动.不确定波动的光伏发电接入电网，当光伏发电渗透率较高时，就会影响电网运行稳定性和电能质量［1］.由于化石燃料不断减少，近年来氢能受到越来越多的关注.氢能因其便于运输和保存，已经成为燃料电池发电的主要原料，是未来清洁能源的主要载体［2］.蓄电池储能系统（battery energy storage system，BESS）可以降低光伏和风电等可再生能源的间歇性对系统的影响，并使系统具有一定的可预测性和可调度性［3］.

笔者提出了一种基于蓄电池储能与高纯度氢气发生器的光伏并网系统结构，高纯度氢氧发生器作为可控负荷.在建立了各主要元件的PSCAD／EMTDC仿真模型基础上，设计了并网系统的能量管理策略，最后在PSCAD／EMTDC 中建立了系统仿真模型，对系统的动态响应进行仿真分析.

1 系统模型

提出的系统模型如图1所示.该系统主要包含光伏发电单元、高纯度氢氧发生器（high－purity hydrogen and oxygen generator，HHOG）、储能蓄电池单元、负荷等.本系统中光伏阵列通过最大功率跟踪控制器（maximum power point tracking，MPPT）获得最大功率，再通过光伏逆变器并入配电网；HHOG 需要恒定的功率，在光伏发电功率较大时启动，可以看作冲击负荷；储能采用蓄电池装置，基于前馈解耦控制的四象限变流器可实现有功功率的双向流动，采用一级DC／AC变换器，这有利于简化系统，提高可靠性.图1中PPV表示光伏发电单元的输出功率，PBESS表示蓄电池储能系统吞吐的功率，Ph表示HHOG系统吸收的功率，PG表示注入电网的功率，PCC为并网点.

图1 系统仿真模型Fig.1 System simulation model

2 光伏发电系统

2.1 光伏阵列仿真模型

考虑到光伏电池的输出特性受温度和辐射强度的影响，采用一般工况下的工程计算方法.假定在标准辐射强度Sref＝1 000 W／m2，标准温度Tref＝25 ℃下，短路电流为Isc，开路电压为Uoc，最大功率点电流和电压分别为Imax和Umax，则当光照强度为S，温度为T 时，光伏阵列端电压为U，其对应点电流为I时，光伏阵列输出功率为P［4－5］，即

式 中，α，β，γ 为 系 数，其 典 型 值 分 别 为α ＝0.002 5／℃，β＝0.5和γ＝0.002 88／℃.式（1）～式（8）一般用于表示单个光伏组件，可以扩展到表示由M个组件并联，N个组件串联的光伏阵列特性.光伏阵列的表达式为

其中

式中，UA，IA分别为光伏阵列的输出电压和输出电流；Umax，M，Imax，M，Uoc，M，Isc，M分别为组件的最大功率点电压、电流、组件的开路电压、短路电流.

2.2 并网侧功率控制

图2（见下页）所示为DC／AC逆变器控制框图.DC／AC逆变器主要完成跟踪控制直流母线电压的恒定，而能量是从直流母线电容中抽取再经过逆变馈送到电网.并网逆变器的控制方法一般采用dq坐标系下实现，并采用双闭环控制，即电压外环控制和电流内环控制.电压外环控制，即将升压后的直流电压Udc，ref与实际直流电压Udc比较后，再经过PI控制器得到d 轴电流参考值Id，ref.电流内环控制，即将电压外环得到的dq轴电流与实际电流信号比较，根据差值迅速调整.一般仍用PI调节器，并在电流内环中增加前馈控解耦制，以减少电网电压对控制系统的影响.图2中L 为滤波电感，Ud和Uq分别为三相电压Uabc的d轴和q轴分量.当Iq，ref＝0时，光伏发电单元输出无功功率为0，实现单位功率因数控制.

图2 DC／AC控制框图Fig.2 Control block diagram of DC／AC

3 氢氧发生器系统

3.1 氢氧发生器模型

HHOG 的系统如图3所示［6］.其中包含二极管整流电路、降压电路以及模拟氢气发生器的电解槽.电解槽由电阻和直流电压源组成.电解槽的规格见表1，HHOG 由单个电解槽电池组成.

图3 HHOG 系统图Fig.3 HHOG system diagram

表1 电解槽电池规格Tab.1 Specifications of electrolyzer cell

3.2 HHOG 单元的控制

HHOG 的控制系统必须确保提供氢气发生器需要的恒定功率.图4为Buck变换器控制块，参考输出功率Ph，ref与HHOG 单元的实际输出功率Ph的差值，经过PI控制器，再与三角载波信号比较，产生Buck变换电路IGBT 的控制信号.

4 蓄电池储能系统

4.1 蓄电池组模型

蓄电池组模型由一个受控电压源和一个定值内阻组成［7］，其表达式为

图4 Buck变换器控制块Fig.4 Control block of buck converter

其中，Ub为蓄电池的空载电压；U0为蓄电池的恒定电压；Rb为蓄电池内阻；Ib为蓄电池输出电流；K为极化电压；Q 为蓄电池的容量；A 为指数区域幅值；B 为指数区域时间常数的倒数；t为时间.

4.2 蓄电池储能系统

蓄电池储能系统主要由蓄电池组、四象限运行变流器、控制装置组成，可以等效为四象限运行变流器模型和蓄电池组等效电路两部分.能量双向流动的四象限运行变流器可实现交流系统与直流侧的蓄电池组之间的能量交换，采用PQ 解耦控制可以实现有功和无功的分别调节.基于前馈解耦控制的四象限变流器控制器结构图如图5所示［8－9］.其中，Id和Iq分别为流入馈线三相电流的d 轴和q 轴分量.有功功率参考值Pref和无功功率参考值Qref与Ud的商，经过PI控制器后分别得到d 轴电流参考值Id，ref和q轴电流参考值Iq，ref，再通过前馈解耦控制解耦，进而控制逆变器.

图5 四象限变流器控制器结构图Fig.5 Block diagram of four－quadrant converter controller

5 系统仿真

在EMTDC／PSCAD 建立了图1所示的仿真模型，光伏发电单元在S＝1 000 W／m2，T＝25 ℃标况下的有功功率为200kW，无功功率为0，实现单位功率因数控制；HHOG 的额定功率为44.1kW；蓄电池储能系统的额定容量为100kWh.

系统能量管理策略为光伏阵列工作在25℃下，设定流入配电网的PG功率为130kW，当光伏发电功率大于145kW 时，开启HHOG.如图6～11所示.

图6 光照强度Fig.6 The radiation

图7 光伏发电系统输出有功功率和无功功率Fig.7 Active power and reactive power of PV

图8 直流母线电压Fig.8 DC bus voltage

图6～11分别给出了光照强度S 的变化曲线、光伏发电系统输出的有功功率PPV和无功功率QPV曲线、电解槽端电压Uh曲线、电解槽电流Ih曲线、HHOG 吸收的功率Ph曲线、光伏发电系统输出的有功功率PPV和注入电网的有功功率PG以及蓄电池储能系统吞吐的有功功率PBESS曲线.

图9 电解槽端电压Fig.9 Terminal voltage of Electrolyzer

图10 HHOG 吸收的功率Fig.10 Input power of HHOG

图11 蓄电池储能系统平滑光伏有功功率Fig.11 Smoothing photovoltaic active power by BESS

图6为光照强度，从图7可以看出，当光照强度变化时，通过最大功率跟踪控制可以得到对应光照强度下的最大输出功率，且无功功率输出为0，实现单位功率因数控制.

从图8可以看出，通过并网侧逆变器电压环控制，直流母线电压能够很好地维持在800V，使光伏阵列发出的有功功率通过逆变器全部输出.

从图9～10 可以看出，当光伏输出功率大于145kW 时，HHOG 系统开启，电解槽端电压能够快速的达到107.5V，吸收的功率约为44kW.

从图11可以看出，光伏发电系统在为加入储能蓄电池系统时，光伏输出功率波动较大；在光伏发电系统出口处加入储能蓄电池系统后，储能蓄电池能够快速吞吐光伏输出功率的波动部分，使注入电网的功率明显平滑.当HHOG 系统开启时，其对电网有一定的功率冲击，但影响不大.

6 结束语

储能蓄电池利用单级DC／AC 变换器实现功率调节，简化了系统结构.建立了含氢氧发生器的储能光伏并网系统模型，仿真结果表明，氢氧发生器能够准确地模拟其需要的恒定功率.在光照强度变化时，采用四象限变流器控制的蓄电池储能系统能够快速平滑光伏发电系统输出的有功功率的波动.

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