基于风光储氢系统的设计研究分析

基于风光储氢系统的设计研究分析

刘伶林

水发兴业能源（珠海）有限公司  广东，珠海（519085）

摘 要：针对电源组网集成利用中的共性关键技术，文章提出了基于风光储氢系统的设计研究分析方案，探讨合适的直流微电网优化调度控制及经济运行策略，实现直流微电网安全、可靠、高效、经济运行。

关键词：直流 风光储氢 离网

1  引言

“十四五”期间以及未来发展我国都将以绿色低碳发展为重要目标[1]。随着分布式电源的快速发展及直流负荷的大量应用，交流配电网已经显现出了一些弊端[2]，而直流配电网的优势日益显现[3]。直流配电网具有经济、高效、可靠等诸多优势，在某些方面已优于交流配电网，是未来电网的发展趋势。

直流电网在网络结构、运行方式等方面很适合大规模的新能源接入，与交流电网相比，直流电网没有频率、无功功率和相位同步问题[4]，且具有结构简单、线路损耗低、可控性及可靠性高等优势。但是，相比于交流电网，直流电网几乎不具备惯性，这使得负载的突然增减、新能源出力的随机波动以及系统突发性的故障等扰动都会影响系统直流母线电压的稳定。基于此，提出了基于风光储氢系统的设计研究方案。

2  总体设计方案

图1为直流微电网的结构拓扑图，由风电、光伏、储能电池、直流制氢负荷、其他直流负荷等组成。

图1 系统总体方案图

直流微电网由能量保护控制器维持直流母线电压，与直流并网控制器进行实时通信，根据负载变化给出直流功率控制信号给直流并网控制器，维持系统的直流功率平衡。能量保护控制器具备测控功能、保护功能、信息查看功能、对下和对上通信功能，可及时切断直流负载或直流电源。

直流并网控制器具备监测直流电源模块的电气参数，根据直流母线电压调整直流电源模块的输出电压，实现各个直流电源模块稳定并入直流母线，直流电源模块出现故障时根据故障性质进行保护。直流并网控制器器具备测控功能、保护功能、信息查看功能、与能量保护控制器通信的功能，可及时切断直流负载或直流电源。

3  风光储氢系统的技术研究

3.1  基于灵活虚拟惯性控制的直流微电源控制技术

首先进行电源模块的研发，目标：研发基于灵活虚拟惯性控制的直流微电源控制技术光储、风储、储能并网电源模块；

其次，将“光伏+储能+基于虚拟惯性控制技术的直流并网控制器”组合而成光储直流并网电源模块；

将“小型风电+储能+基于虚拟惯性控制技术的直流并网控制器”组合而成风储直流并网电源模块；

将“储能+基于虚拟惯性控制技术的直流并网控制器” 组合而成储能直流并网电源模块；

基于虚拟惯性控制技术的并网控制器研发思路：

建立虚拟惯性控制方程；

以直流输出电压和储能荷电状态为控制目标，建立自适应功率协调方程，确定给定输出电流大小；

基于虚拟惯性控制方程和自适应功率协调方程设计虚拟惯性控制器，确定输出调制电压；

根据母线电压的响应速度与辐度，自动判断母线实时的惯性大小，自动调整调制参数，实现实时的软调节。

图2 虚拟惯性自适应控制图

3.2  基于灵活虚拟惯性控制的直流微电源组网技术

建立直流微电网实验平台，对3.1中三种虚拟惯性控制的直流微电源模块进行单模块IV曲线测试和多模块并机实验；建立三种模块的数学模型，对模块在可再生能源波动、负荷突变情况进行计算机仿真，主要从直流电网的安全性考虑对模块并网的可行性评估。

3.3  风/光/储/氢直流系统故障隔离和安全保护技术

针对示范工程实际情况，对各直流电源模块布置物理位置、负荷分布、线路阻抗等因素进行数学建模，并进行计算机仿真分析；模拟单个模块过压，直流母线电压暂降，局部线路短路等故障引起直流母线和直流供电网络各支路的影响，制定合理的控制策略和继电保护装置的布置，迅速隔离故障。

3.4  风光储氢能量管理系统研发

基于灵活虚拟惯性控制技术的直流电源模块，本身就有自主维护母线电压稳定功能，相当于交流电网的一次调频功能。虽然维护了电网的稳定，但不一定是最经济的，需进行系统运行的经济性分析，并针对各个电源进行经济性调度，相当于交流电网的二次调频。因此需要研发智能的能量管理系统，风光储氢能量管理系统建立的目的是：

系统可视：使系统运维人员可随时监控系统各个部件的实时运行数据，运营人员可随时查询到系统的效益；

智能控制：对光伏、风电发电进行预测，对负荷进行预测，综合各电源模块的特性和荷电状态，合理调度，保证系统供电可靠性；

操作模拟：对于复杂的系统，对重大操作进行模拟，分析操作可能导致的后果，供运维人员参考。

能量管理及调度控制采取两层控制结构，中央控制单元进行可再生能源发电量以及负荷用电量的预测，从而对底层的发电平衡单元以及负荷平衡单元发出初级的调度指令，然后中央控制单元根据各发电单元和负荷实时反馈的运行状态信息（如功率等）对初级调度指令进行修正，发出最终的实时调度指令。底层的发电单元与负荷单元控制器根据上层发出的调度指令信号进行局部单元控制，实现调度输出。这样通过直流电源模块的控制可以补偿可再生能源发电单元以及负荷的波动，实现微电网的供需能量平衡，保证电能质量。

3.5  直流微电网设计和短时通信故障应对策略

本项目拟搭建集合了风光发电、电池储能和氢储能的直流微电网系统。该系统以太阳能为主要能量来源，以电池储能和氢储能作为离网（交流电网）模式下稳定直流母线电压的能量缓冲形式。配备并网变流器和交流电网相连，以实现直流微电网和交流电网中的电能互相流通。能量管理系统收集直流微电网中各设备的发用电信息，并预测未来的发用电量，以控制其中的发电设备，尤其是储能设备能以最经济可靠的方式运行，并能辅助进行电力削峰填谷。

为便于用户使用和直流网络的搭建和检修，这里将直流电压等级统一设计为380V，这一电压等级在文献中研究较多，在世界范围内较被认可，也已有相关的示范应用。

通信将各电力设备和能量管理系统联络起来，是直流微电网的“神经中枢”，十分重要。通信正常情况下，各发电设备可及时获得离并网状态，并据此实施相应的控制策略。

通信故障情况下，由于离并网状态信息缺失，本项目设计了如下应对策略。

对并网DC/AC变流器而言，在其中设置孤岛检测功能，这里的孤岛检测功能采用了主动孤岛检测方法，这样变流器自身即可判断目前的离并网状态。当检测到孤岛状态时，DC/AC变流器可立即停机。事实上，即便在通信正常情况下，离并网状态信息也可从此处获取。

对电池储能DC/DC变流器和燃料电池DC/DC变流器而言，其主要功能是确保离网时直流母线电压的恒定，因为在并网时，直流母线电压由并网DC/AC变流器恒定控制。因此，在通信故障后，由于无法确定离并网状态，其立即切入下垂控制模式，即以离网方式应对。此时，如果实际处于并网状态，则直流母线电压不会有较大波动，不会导致电池储能DC/DC变流器和燃料电池DC/DC变流器工作异常。

3.6  多端口变流器研制

本项目通过水电解制氢将富余的风能、太阳能或负荷低谷时的电网电能转化为氢能储存起来，之后一旦离网运行或负荷高峰时，可通过燃料电池再将氢能转化为电能输出，以支撑直流母线电压或对电网负荷进行削峰填谷。可见，水电解制氢和燃料电池是配合使用的，且不会同时工作。基于这一特点，本项目将为燃料电池和水电解制氢配备的DC/DC变流器和逆变器集成为一个三端口变流器，三个端口分别与燃料电池、水电解制氢设备和直流母线相连，拓扑如图三所示。

图3 多端口变流器主电路

考虑到燃料电池和水电解制氢不会同时工作，图六中通过一个双向开关控制主电路的形态，分别形成一个LLC谐振变换器——用于燃料电池，和一个逆变器——用于水电解制氢；能量流动方向分别为由左向右和由右向左；控制方式分别采用上述移相-不对称脉冲控制和矢量控制，并由一套控制系统实现，包括控制方式的切换。

3.7  风-光-储-氢直流微电网的经济性配置及其优化控制的全局协同优化方法

研究风-光-储-氢直流微电网的优化配置方案，需要综合配置参数和控制策略，求解风机、光伏、蓄电池储能、电解制氢和氢燃料电池的功率及容量指标，以最小化微电网在寿命周期内的运营成本。因此，需要从建模方法、优化策略和方案配置分析几个方面来展开研究：

提出风-光-储-氢直流微电网经济性配置的稳态建模方法，根据仿真数据和实验数据建立可靠稳态控制模型；

对风机发电、光伏发电、蓄电池储能、电解制氢和燃料电池等设备模型进行近似的凸化处理，并对各类平衡关系进行凸松弛，使得满足凸规划求解条件，形成配置与控制相耦合的优化求解模型，并采用凸规划方法进行同步求解；

进行风-光-储-氢直流微电网的经济性配置方案的分析，综合考虑设备寿命及源、荷历史数据，进行经济性影响因素的分析，并比较风、光、储、氢不同组合配置方案的方案优劣，给出量化对比。

3.8  风光储氢耦合微电网的源、荷高精度智能预测及其稳健的实时多尺度预测能量管理系统

实现风-光-氢-储并网发电系统的多时间尺度实时预测管理，需要对风功率、光伏功率以及负荷功率进行高精度高可靠性的预测，并建立不同时间尺度下系统的优化模型和优化控制目标，从而针对性地选择对应控制时域内的全局优化方法。因此，需要开展以下内容的研究：

（1）通过建立风、光及负荷的历史数据，结合气象预测信息，采用强化学习智能算法实现风功率、光功率及建筑负荷的可靠预测；

（2）建立适用于各时间尺度下的风-光-储-氢微电网优化控制模型，提出相应的控制目标，形成多尺度优化控制问题；

（3）提出风-光-储-氢微电网优化控制问题的组合优化方法，解决预测控制中各时间尺度下滚动优化时控制时域的全局最优控制。

（4）采用RTLAB建立风-光-氢-储微电网的硬件在环半实物仿真实验平台，对所提出的源荷智能预测算法和多尺度能量管理系统的实时性及控制效果进行验证。

4  结语

针对电源组网集成利用中的共性关键技术，提出了基于风光储氢系统的设计研究分析方案，探讨合适的直流微电网优化调度控制及经济运行策略，实现直流微电网安全、可靠、高效、经济运行。

参考文献：

[1]夏小禾. "十四五"时期我国将基本建立推进能源绿色低碳发展制度框架[J]. 今日制造与升级, 2022(2):2.

[2]张高言. 直流配电系统构建及其稳态电压控制[D]. 华中科技大学, 2017.

[3]曾嘉思. 柔性直流配电网可靠性评价方法研究. 浙江大学.

[4]赵丹. 光伏电站经直流电网接入交流系统的建模与仿真[D]. 重庆大学, 2019.