【精彩论文】基于指数型下垂控制的氢电混合储能微网协调控制策略研究
基于指数型下垂控制的氢电混合储能微网协调控制策略研究
王激华, 叶夏明, 秦如意, 应芳义, 俞佳捷
(国网浙江省电力有限公司宁波供电公司,浙江 宁波 315010)
引文信息
王激华, 叶夏明, 秦如意, 等. 基于指数型下垂控制的氢电混合储能微网协调控制策略研究[J]. 中国电力, 2023, 56(7): 43-53.
WANG Jihua, YE Xiaming, QIN Ruyi, et al. Research on coordinated control strategy of hydrogen-electric hybrid energy storage microgrid based on exponential-function-based droop control[J]. Electric Power, 2023, 56(7): 43-53.
针对上述问题,本文提出了一种考虑储能系统蓄电池组运行状态和供电均衡问题的指数型下垂控制策略。在建立PEM电解水制氢外特性模型的基础上,考虑蓄电池SOC与电池充放电状态,对传统下垂控制策略进行改进。同时引入光伏最大功率追踪(maximum power point tracking,MPPT)和制氢模块自适应控制技术,实现系统运行稳定控制。最后,基于Matlab/Simulink仿真软件验证了所提控制策略的有效性。
基于PEM电解水制氢与蓄电池混合储能的氢电混合储能微网系统包含1个光伏发电单元、2个由蓄电池组成的储能单元、1个PEM电解水制氢单元以及1个本地负载。光伏发电系统负责将光能转化为电能,通过Boost直流变换电路为整个氢电耦合系统供能。PEM电解水制氢在微网保证负载供能充足的前提下完成光伏发电冗余能量消纳工作,保证能源最大化利用回收。而蓄电池储能结合双向DC/DC变换电路协调与PEM制氢单元间的功率分配,保证微网正常运行,维持母线电压稳定,使系统不受光伏供能波动影响。系统结构如图1所示。
图1 氢电混合储能微网结构
Fig.1 Architecture of hydrogen-electric hybrid energy storage microgrid
PEM制氢单元采用基于电解槽内部电化学反应机理搭建仿真模型,旨在表达电解槽电压和电流之间的联系。PEM电解制氢是PEM燃料电池的逆过程,反应发生在膜电极界面,水从通道流向催化剂层,氢气和氧气从反应点流向外侧通道。当电化学反应发生时,需要向膜电极界面供水,而氢气和氧气则排出电解槽。PEM电解槽工作原理如图2所示。
图2 质子交换膜电解槽工作原理
Fig.2 Working principle of proton exchange membrane electrolyzer
基于PEM电解槽的制氢装置由若干个电解槽单体串联组成,将装置串并联组成电解制氢阵列以达到一定负荷容量。电解槽的工作电压包括开路电压Uoc、活化过电位Uact、浓差过电位Ucon以及欧姆过电位Uohm,具体可表示为
PEM制氢电解槽仿真模型相关参数如表1所示。在不同的外界阴极压力和温度环境条件下,PEM电解槽模型的输出电压随电流密度的变化特性如图3所示。输出电压随电流密度的升高其增长速度减缓。相同电流密度情况下,电压值随温度的降低、压力的升高而增大。在不同的温度和压强条件下,输出电压最大误差不超过0.2 V,平均误差为0.08 V。
表1 电解槽装置参数
Table 1 Parameters of electrolytic cell model
图3 PEM制氢电解槽输出电压特性曲线
Fig.3 Output voltage characteristic curve of PEM hydrogen electrolyzer
由图3可知,建立的PEM电解水制氢模型能够正确反映电解槽中电压随电流密度变化的外特性。模型仿真极化曲线与实际测试数据变化误差在可接受范围内,外特性精度能够满足氢电耦合微网系统精度要求。
氢电混合储能微网的光伏发电系统通过MPPT方法控制[22],以最大程度减小弃光现象。微网控制策略可自适应调节蓄电池储能单元充放电,协调与PEM制氢单元间的功率分配,使系统在不同运行模式下平稳工作而不受光伏供能波动的影响。蓄电池单元采用考虑蓄电池SOC与电池组均衡的指数型下垂控制,PEM电解制氢单元采用基于母线电压信号(DC bus signaling,DBS)的控制方法,系统整体控制如图4所示。
图4 氢电混合储能微网整体控制
Fig.4 Control of hydrogen - electric hybrid energy storage microgrid
氢电耦合微网的协调控制策略流程如图5所示。
图5 氢电混合储能微网协调控制策略
Fig.5 Coordinated control strategy of hydrogen-electric hybrid energy storage microgrid
微网电压与功率稳定需要依靠多个蓄电池储能单元进行母线充/放电支撑,蓄电池单元采用考虑SOC的指数型下垂控制方法。下垂控制的基本原理是通过引入变换器输出电流Io以及设定的虚拟阻抗R,增加控制外环为电压控制提供参考值,下垂控制原理如图6所示。
图6 下垂控制原理
Fig.6 Droop control principle
传统下垂控制在一定程度上可以实现蓄电池间的功率分配,但由于线路阻抗的存在,当系统功率发生变化时,每个蓄电池组并不能真正均衡,将导致蓄电池组间的SOC发生较大偏差,产生过充或过放现象,影响系统的稳定性。将蓄电池SOC引入指数型下垂控制系数中,SOC的变化将引起各储能单元下垂系数的调整,从而自适应调节输出功率的大小,避免电池过度充放电。考虑蓄电池SOC的指数型下垂控制重新定义下垂系数Ri,并将其与第i个储能单元输出功率Pi的乘积表示为下垂控制的电压落差,新的下垂控制方法表达式为
采用考虑蓄电池SOC的指数型下垂控制原理如图7所示。2个蓄电池储能单元的控制方法相同,将改进下垂控制的输出信号作为给定信号输入电压电流双闭环,控制直流母线电压稳定在下垂参考电压附近。同时,控制执行时须采集2个储能单元的SOC值,并根据蓄电池运行状态动态调节下垂控制系数,实现储能单元间的运行均衡。系统整体控制结构精简,可靠性高。
图7 考虑蓄电池SOC和电池均衡的指数型改进下垂控制
Fig.7 Exponentially improved droop control considering battery SOC and battery equalization
图8为充电、放电模式下控制方法的均衡效果。由图8可看出,仿真开始阶段,蓄电池SOC之间差异较大,此时均衡速度较快。在充放电过程中,均衡速度随SOC差异的减小而自适应平稳变化,最终蓄电池储能单元状态达到平衡。均衡调节因子n的取值会影响均衡的控制速度,n取值越大,均衡速度越快。同时,根据文献[23]可知,n过大会导致下垂系数过大,从而造成直流母线电压降落太大,过小会导致均衡速度过慢,结合系统协调控制综合考虑,本文取n=3。
图8 指数型SOC下垂控制蓄电池均衡效果
Fig.8 Effect of battery balance under exponential SOC droop control
PEM电解制氢单元变换电路的控制策略如图9所示,根据DBS的状态区间判断当前蓄电池储能单元的功率运行状态,控制PEM电解制氢系统的自适应功率调节。PEM电解制氢变换电路本质上采用了双闭环反馈PID控制,制氢单元工作在电流控制模式,控制信号用电流内环控制制氢单元的输出电流。区别于传统控制结构,控制策略在电压环中采用正反馈控制回路,将PEM制氢单元Buck变换电路的输出电压与蓄电池储能单元下垂参考电压的差值正向叠加在PEM制氢单元输出电流的参考值中。电流环参考值的变化能够反映直流微网蓄电池储能单元的工作状态,经PID调节实现对PEM制氢单元的制氢功率的自适应控制。此种控制方式下,PEM电解制氢单元的输入功率能根据蓄电池储能单元状态变化进行动态调节,分担储能单元的功率调控压力,避免储能电池过早出现过充或过放现象。PEM电解制氢控制方法如图10所示。
图9 PEM制氢单元控制策略
Fig.9 Control strategy of PEM hydrogen production unit
图10 基于DBS的PEM电解制氢控制方法
Fig.10 PEM electrolysis hydrogen production control method based on DBS
光伏发电单元是氢电耦合光储微网的供能单元,通常情况下,光伏发电单元不受母线电压影响,工作在MPP以减小弃光率,但在能量供给过剩时须调整至恒压输出状态。光伏发电单元控制方法如图11所示,将光伏阵列的输出电压与电流信号分别传输给基于扰动观察法的MPPT控制器和恒压控制器进行参考电压Uref控制信号运算,根据测量的蓄电池SOC信号判断微网光伏发电的承载裕量。当裕量充足时,控制选择开关输出光伏阵列最大发电功率。当裕量不足时,控制选择开关输出恒压控制信号,保证微网母线电压稳定在参考电压值。
图11 光伏发电单元控制方法
Fig.11 Control method of photovoltaic power generation unit
系统各单元的功率变化如图12所示。由图12 a)可见,初始光照下光伏单元功率PPV为8.2 kW;在2 s处光照强度增加,输出功率随即增至10.4 kW;在4 s处光照强度减弱,输出功率降至6.3 kW,说明光伏发电单元MPPT方法实现了变化条件下光伏MPP的动态跟踪调节。2个蓄电池7.9 s前的输出功率均为负值,始终处于充电状态,功率大小与光伏发电单元输出功率变化趋势相同。在2 s处充电功率从1.5 kW增至2.5 kW,在4 s处充电功率从2.5 kW减小至1.1 kW。充分说明了系统在供能充足时,能够实现自适应的动态供能调节。
图12 模式a与模式c转换系统各单元功率变化
Fig.12 The power changes of each unit in the system during the conversion between mode a and mode c
供能侧蓄电池仿真的前4 s内,储能单元1相比于单元2接收了更多来自直流母线侧的功率,充电功率在仿真过程中趋于一致,蓄电池SOC及下垂系数变化如图13所示。由图13可见,2个蓄电池单元SOC的上升速度随充电功率的增大而加快,随充电功率的减小,其上升速度减缓。同时,两者大小不断接近。充电模式下,SOC较大的蓄电池下垂系数也更大,并且随着时间推移,变化曲线相互逼近,进一步说明下垂控制方法在系统运行时兼顾了蓄电池间的运行均衡。
图13 模式a与模式c转换蓄电池SOC及下垂系数变化
Fig.13 Change of SOC and droop coefficient of battery under mode a and mode c conversion
系统各单元功率变化如图14所示。初始时,供能侧的光伏发电单元输出功率为3.1 kW;在6 s处光照强度增强,输出功率增至3.3 kW,光伏MPPT跟踪效果同样显著。蓄电池功率起始时均为正值,处于放电状态。在3.1 s时由于放电达到限值,微网控制策略做出响应,将制氢功率用于蓄电池充电,使其功率变为负值。从负载侧来看,Pload的大小始终保持在2 kW,PEM电解制氢初始输入功率为5.2 kW,模式转换后系统关闭PEM制氢单元,其功率随即变为0。在6 s时,光照强度增强,蓄电池储能单元充电功率随之增加,负载功率保持不变。仿真过程说明系统在模式b和d间仍能实现平滑转化,且能根据外界条件变化进行自适应调整。
图14 模式b与模式d转换系统各单元功率变化
Fig.14 The power changes of each unit in the system during the conversion between mode b and mode d
运行过程中蓄电池SOC及下垂系数变化如图15所示。在微网运行模式改变时,蓄电池SOC由下降转为上升,防止加深过放状态,下垂系数R1与R2也随即互换。蓄电池间的SOC与下垂系数不断趋近,进一步说明了系统的均衡效果。6 s后充电功率增加,SOC上升的也更快,变化趋势符合预期控制效果。
图15 模式b与模式d转换蓄电池SOC及下垂系数变化
Fig.15 Change of SOC and droop coefficient of battery under mode b and mode d conversion
模式a、b转换过程中系统各单元功率变化如图16所示。由图16可见,供能侧光伏发电单元由MPPT控制动态调节输出最大功率,蓄电池单元4 s前功率为负值,处于充电状态,且充电功率随光伏输入的增加而增加。在4 s时,光照强度减弱,光伏的输出功率由10.4 kW降至2.2 kW。此时光伏发电功率不足以支撑微网维持母线电压稳定,系统控制策略立刻做出响应,由工作模式a转换为工作模式b,蓄电池由充电变为放电,功率由负值变为正值。负载侧中本地负载Pload保持在2 kW,PEM电解制氢单元在系统模式转换时同样降低功率输入,减轻微网负担,系统在整个运行过程始终保持稳定,且蓄电池功率逐步均衡。蓄电池SOC及下垂系数变化如图17所示,4 s前蓄电池充电,SOC斜率随功率的增加而增大,4 s时系统完成模式转换,SOC1和SOC2由上升转为下降,下垂系数数值反转。整个仿真过程中,控制器仍能实现蓄电池间能量均衡,控制效果良好。
图16 模式a与模式b转换系统各单元功率变化
Fig.16 The power changes of each unit in the system during the conversion between mode a and mode b
图17 模式a与模式b转换蓄电池SOC及下垂系数变化
Fig.17 Change of SOC and droop coefficient of battery under mode a and mode b conversion
(责任编辑 蒋东方)
作者介绍
王激华(1972—),男,高级工程师,从事电力系统优化运行、电力市场等研究,E-mail:1179502975@qq.com;
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叶夏明(1987—),男,通信作者,高级工程师,从事电力系统优化运行研究,E-mail:yexiaming2002@163.com.
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审核:方彤
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