含超级电容的光伏制氢系统建模与研究

王京阳，韩子娇，2，董雁楠，戈阳阳，高馥琳

(1．沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2．国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；3．国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

目前，化石燃料是获取氢气的主要来源，对化石燃料的过度依赖会造成资源枯竭及严重的环境问题[1]，转换制氢方式势在必行。而电解水制氢过程中不会产生任何对环境不利的气体，利用太阳能资源和丰富的水进行电解制氢是应对全球日益增长的能源需求的一种环境友好型措施[2]。

可再生能源的大力发展导致了风光发电过剩，水电解制氢是充分利用剩余可再生能源的重要途径之一[3]。此外，电制氢系统接入对可再生能源微电网控制提出了更高要求，需要设计合理的控制策略保证系统的稳定运行[4]。文献[5]比较了不同的水电解制氢方法的优缺点，对电解制氢技术的发展趋势进行了讨论。文献[6]设计了一种太阳能光伏电池板与电解槽直接相连制氢装置，该装置在性能上能够达到电能和制氢需求相耦合，但是未考虑光伏电池输出波动情况，使用条件具有局限性。文献[7]中建立了光伏阵列与质子交换膜水电解槽直接耦合系统的分析模型，并对该系统的运行工况进行研究，分析了不同环境因素对直接耦合系统匹配性能的影响，验证了环境因素会导致该系统制氢效率降低。文献[8]基于新能源制氢系统模型，以实际气象参数作为运行数据，在不同工作条件下分别得出系统发电量、制氢速率及光氢转换效率进行对比，为光伏发电制氢系统的实现提供了理论依据，但该系统利用碱性电解槽电解制氢，所使用的电解质具有腐蚀性，不利于环境保护。文献[9]为研究新能源电解制氢的潜力，在不同地区配置了不同的新能源发电系统，通过试验验证了最有效制氢系统的容量配置。文献[10-11]提出了以电氢为能源载体的新型能源系统，并从氢能的发、储、输、配、用5个方面进行评述，不仅解决了可再生能源消纳问题及环境问题，而且还具有可观的经济效益。目前，利用新能源电解制氢通常与储能装置进行耦合，以保证系统稳定运行。文献[12]建立一种光氢储系统用于保证家居用电的需求，但燃料电池所需要的氢气并未作为文章主要考虑部分。文献[13]为实现微电网系统稳定运行构建了电解槽-燃料电池及风光发电的联合供电系统，但系统负荷功率需求过高时考虑了对用户限电，不利于系统稳定运行。文献[14]提出了一种电-氢混合的孤岛直流微电网系统，通过氢储能实现电能量在时间上平移，保证了孤岛系统全天候的正常运行。文献[15]为实现光伏系统友好并网，在电网需求大于光伏出力时通过燃料电池消耗电解槽所产生的氢气发电，并考虑了储氢系统及储能系统的约束条件，提出了制氢发电系统的协调运行策略，但未实现母线电压及功率变化的最优控制。文献[16]为提高制氢效率，建立了一种具有最大功率点追踪控制的光伏制氢系统，但系统将氢气全部供应燃料电池发电以满足电力负载，忽略了能量转换的效率问题。

本文以光伏-超级电容-电解槽的孤岛直流微电网系统模型为基础，考虑到光伏系统的昼夜性问题，通过对超级电容合理的储电、放电进行分配，使电解槽持续不停机工作，提高电解槽使用寿命。并通过对超级电容的控制满足直流母线电压恒定，减小电解槽输入电压波动来实现系统稳定制氢。

1 系统结构

本文提出的含超级电容的光伏制氢系统结构如图1所示。光伏电池作为系统通过对升压斩波电路的最大功率点追踪(maximum power point tracking，MPPT)控制进行电能供应；质子交换膜水电解槽(proton exchange membrane water electrolyzer，PEMWE)系统进行生产氢气；双向DC/DC变换器实现了功率在超级电容与直流母线上的双向流动，当光伏出力大于制氢需求时，多余能量储存在超级电容中，当光伏出力小于制氢需求时，则由超级电容进行电能供应使系统稳定；所产生的氢气储存在储氢罐中用于工业生产。

2 系统模型

2.1 光伏电池模型

光伏电池是将太阳能转换为电能的绿色器件，其输出电流特性见式(1)。

(1)

式中：Isc为光伏电池短路电流；Upv为光伏电池输出电压；Uoc为光伏电池开路电压；C1、C2为特定参数，可表示为

(2)

(3)

式中：Im为光伏电池最大功率点电流；Um为光伏电池最大功率点电压[17]。

由式(1)—式(3)得出光伏电池输出特性，如图2所示，其输出功率存在受辐射强度及环境温度影响的最大功率点Pmax。

2.2 水电解槽模型

在多种电解制氢技术中，PEMWE具有无污染、产氢纯度高、易于维护等优点，其电解基本原理如图3所示。

在电极上通入直流电引起电化学反应，水在阳极通入并失去电子分解为氧气和氢离子，其中氢离子通过膜运输到阴极，并得到电子还原为氢气。

PEMWE系统输出电压Uel通过能特斯方程、系统活化极化及欧姆极化的影响，可以表示为[18]

Uel=Eoc+Uact+Uohm

(4)

(5)

(6)

Uohm=iRohm

(7)

式中：Eoc为电解系统开路电压；Uact为电解活化极化电压；Uohm为系统欧姆极化电压;E0为电解系统标准电动势；Rgas和F分别为气体普适常数及法拉第常数；Tel为电解系统温度；PH2与PO2分别为阴极和阳极所产生氢气和氧气的压力；αH2O为活度系数(为1)；α为膜传递系数；i为电解系统电流密度；i0为电解系统交换电流密度；Rohm为电解系统膜电阻。

PEMWE单体小室伏安特性曲线如图4所示，电解槽作为低压高电流设备通常以多单体电解槽串联工作来提高制氢速率。

2.3 超级电容模型

超级电容在光伏出力大于制氢需求时进行能量存储，反之进行放能供电保证制氢系统不间断工作，超级电容工作过程中的端电压Usc可表示为

(8)

式中：Isc为超级电容工作电流；Rsc为超级电容电解液等值电阻，数值较小；C为超级电容器的等值电容。超级电容在工作过程中，通过电池荷电状态(state of charge，SOC)表征超级电容工作过程中的电量，表达式为

(9)

式中：Qt为超级电容t时刻剩余容量；Qn为超级电容额定容量；Umax与Umin为超级电容工作过程中的电压上下限[19]。

3 系统变流器控制策略

3.1 光伏系统控制方法

光伏系统经boost升压电路向直流母线输入功率，而光伏系统受环境影响导致输送功率不稳定，但在不同环境条件下，光伏电池均具有唯一的最大功率点，因此光伏系统工作在最大功率点提高光电转换效率是对boost升压电路进行控制的主要目标。

图5为通过扰动观察法实现光伏系统的最大功率追踪的控制流程。

系统通过采集某一时刻光伏系统工作电压U(t)及工作电流I(t)计算当前系统输出功率P(t),并与上一时刻输出功率P(t-1)进行比较，从而确定下一次电压扰动ΔD的方向，且扰动方向与功率变化方向一致。

3.2 水电解槽控制方法

电解槽的工作电压较低，在系统中直流母线经buck降压电路与电解槽相连，而电解槽工作过程中，受电解效率与使用寿命的约束，要求电解槽的工作电压不宜频繁变化，因此文中电解槽采用恒压控制，其控制过程如图6所示。

在图6中，Uelref、Ielref分别为电解槽工作目标电压和目标电流；Uel、Iel分别为电解槽工作实际电压和实际电流；经PWM生成器产生的del为buck电路的开关控制信号。

3.3 超级电容控制方法

双向DC/DC变换器拓扑结构如图7所示。

开关管VT1和VT2的开关互补状态实现了不同的工作模式，当VT1导通VT2断开时，超级电容进行充电；当VT2导通VT1断开时，电能通过超级电容升压汇入直流母线。

超级电容的作用是系统在工作过程中维持直流母线电压恒定，因此亦采用恒压控制，其控制框图如图8所示。

该控制策略采用双闭环PI控制，其中Udcref、Iscref分别为直流母线电压和超级电容电感电流的参考值；Udc、Isc分别为直流母线电压和超级电容电感电流的实际值，所得到的开关控制信号dsc1、dsc2分别传输到VT1和VT2实现对超级电容的控制。

综上所述，光伏电池作为系统唯一源，通过对升压斩波电路进行扰动观察法的控制向系统注入了最大能量，由于光伏出力的波动性会导致光伏输出电压不稳定，此时通过超级电容双闭环恒压充放电控制，维持了系统母线电压的稳定，而水电解槽作为直流负载，通过恒压控制实现了恒压的理想工作条件，同时系统通过光伏出力与直流负载需求的功率差值导致母线电压的波动，对超级电容的充放电进行准确控制，实现了功率的供需平衡。

4 仿真验证

4.1 系统参数及模拟工况

系统各部分仿真参数如表1所示。为简化分析设置环境温度为25 ℃，并以某地区实际太阳能辐射强度为基础，将24 h简化为24 s进行模拟，实际光照强度及模拟光照强度设置如图9所示。

表1 系统各部分仿真参数

4.2 仿真结果及分析

根据所述条件对系统进行仿真，光伏与超级电容功率变化如图10所示。

当光伏输出大于电解槽负荷需求时，超级电容吸收多余功率；当光伏输出小于负荷需求时，超级电容释放功率平抑功率波动。

超级电容在实现系统稳定工作的同时，将直流母线电压稳定在750 V，如图11所示。

直流母线电压在辐射强度突变时，波动最大为35 V，满足±10%的国家标准，因此通过对超级电容系统加以控制能够较好稳定直流母线电压。电解槽系统的工作电压不宜频繁变化，设置其目标工作电压为200 V，对电解槽系统进行恒压控制所得到的电压功率曲线如图12所示。

电解槽在工作过程中受环境因素影响很小，工作电压基本稳定在200 V，消耗功率大约为9.5 kW，与图10中光伏和超级电容功率差值所对应，由图12可知，电压的微小波动会导致电解槽功率波动幅度较大，因此通过稳定电压减小电解槽功率波动尤为重要。

5 结语

本文建立了一种含超级电容的光伏制氢系统，并通过环境模拟在Matlab/Simulink软件中进行分析。仿真结果表明，光伏系统通过扰动观察法的MPPT提高了光电转化的效率；对电解槽系统的控制减小了制氢过程中的功率波动，以及通过对超级电容的恒压控制，将直流母线电压稳定在750 V，使系统稳定运行，验证了含超级电容的光伏制氢系统的正确性及系统各部件控制策略的有效性。