风氢耦合系统协同控制发电策略研究
张 虹1，孙 权2，李占军3，白 洋1
【摘 要】摘 要:针对风力发电功率波动和并网弃风严重问题，采用含氢储能管理系统的风氢耦合发电系统及其协同控制策略．风氢耦合系统由风电场与氢储能管理系统(包括电解槽、燃料电池、储氢罐等)构成，各单元通过功率变换器汇集到并网点，与交流电网相连．综合考虑储能荷电状态、储能出力及相关约束限制导致并网点电压波动，引入超级电容器用以减少并网点电压变化．在电解槽启动优先级高于超级电容的前提下，采用3种运行状态下的系统协同控制策略．通过Matlab/Simulink软件进行仿真研究，验证了风氢耦合系统协同控制策略的有效性，提高了风电的消纳能力． 【期刊名称】东北电力大学学报 【年(卷),期】2024(038)003 【总页数】9
【关键词】关 键 词:风力发电;风氢耦合;制氢;协同控制
风能清洁、无污染，是未来能源结构中重要组成部分．但风能具有随机性强、间歇性明显的特征，使风电系统输出功率不断发生变化，限制了其在电网中的渗透率，单独并网不利于电网安全稳定运行［1～2］．近几年提出的纯绿色氢储能系统技术能够将多余风电制氢，进而提高系统的风电消纳能力［3］．因此，针对基于氢储能的风力发电并网协同控制的研究得到了国内外学者的广泛重视． 国内外对利用氢储能系统与风电系统并网发电已做相关研究．文献［4］针对电解槽、燃料电池具有动态响应慢的特性，利用超级电容提供动态失配功率，但未将储氢罐压力约束条件纳入到功率控制分析中．文献［5］研究了将风电系统
波动的功率用于电解槽制氢，以此消纳风电系统多发功率．但为电解槽设计的开/关条件，却降低了风电场的发电效率．文献［6～8］提出将电池组、电解槽与风电系统相结合用来消纳风电场波动功率，提高了风电场的发电效率，但储能系统只能消纳短期风电场波动功率．文献［9～10］采用电池组、燃料电池、电解槽和交流发电机作为储能系统用于独立可再生能源系统．通过风电场、储能系统与电网之间的协同控制，提高了风能利用率．但只适用于分布式系统，不适合大规模系统．
综上所述，本文采用风电场与氢储能管理系统相结合的发电系统，并考虑储氢罐储氢状态和超级电容荷电状态对系统发电的影响，对其进行建模研究，并详细阐述大型风电场和氢储能管理系统之间的协同控制，利用储能系统与协同控制策略使风力发电得到了充分利用．
1 风氢耦合系统结构
风氢耦合系统结构如图1所示，主要包括风力机组、感应发电机、交流/直流半导体闸流管控制双向桥整流器、电解槽/燃料电池/超级电容系统、由比例积分控制器控制工作系数的升/降压型直流/交流变流器、直流/交流绝缘门极晶体管逆变器以及变压器等．
2 系统模型
2．1 风机系统
风机模型采用双馈感应风力发电机(DFIG)，发电原理可在文献［11］中获知．对于DFIG捕获风能有两种运行方式．一种是使风机始终保持在最大功率跟踪(MPPT)模式下获取最大风功率;另一种是通过限制风机捕获风能从而减少风机功率输出．虽然两种运行方式不同，但是基本原理都是采用电流调节器控
制电机转矩用以达到想要运行的模式．当风速较小时，启动MPPT获取最大风功率;当风速较大时，通过改变桨距角来减少风机功率输出，具体控制方式可参见文献［12］． 2．2 氢储能管理系统
氢储能管理系统(HMS)由电解槽、燃料电池、超级电容和储氢罐组成．当风电场提供的负荷电流过剩，则过剩的电流便传输到电解槽，由电解槽制氢储存在储氢罐内以备燃料电池堆的使用;当电网负荷大于风电场所能提供的电能，燃料电池堆便进入工作状态．为了考虑操作的可行性和有效性，本文中电解槽和燃料电池均设置在恒电流模式下，供需的动态失配的电力由超级电容吸收或补充． 2．2．1 电解槽系统
本文采用的电解槽模型U－I特性如下:
式中:Ucell为电解槽端电压;Urev为可逆电压;r1和r2为电解槽内欧姆电阻相关参数;kel z、kT1、kT2和kT3为过电压相关参数;A为电池电极面积;Iel z为电解槽电流;T为电解槽温度．电解槽功率控制，如图2所示． 2．2．2 储氢罐系统
采用高压气罐储存氢气，用罐内的氢气压强来衡量氢气的量．为了简化储罐模型，假定一个无损封闭系统，利用范德华求出储罐压力方程为［13］
式中:psto为储氢罐压力;Rgas为气体常数;Tsto为储氢罐温度;Vsto为储氢罐体积;msto为储存氢气的量;ptank为储氢罐初始压强． 2．2．3 燃料电池系统
质子交换膜燃料电池(PEM FC)是一种将燃料通过化学能转化成电能的装置．单个燃料电池电压定义如下［14］:
风氢耦合系统协同控制发电策略研究
