CN110299722A - 一种氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，将光伏发电系统和锂电池、超级电容器、氢燃料电池并联接入直流母线，再通过逆变器接入交流电网，光伏发电系统采用MPPT控制，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过控制DC‑DC变换器实现充换电转换，逆变器控制直流母线电压稳定。采用电流滞环控制锂电池的充放电、超级电容提供差值功率的能量管理方案，利用电容电压前馈环消除了由于负载电流大小及方向的改变对系统闭环极点变动的影响。本发明解决了光伏功率的随机性波动导致电网电压波动的问题，减少了光伏电站因减少功率波动造成的主动削减不可恢复的功率，避免了一定的能量损失，增加了可再生能源运行柔性。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统控制方法的领域，具体涉及一种基于锂电池和超级电容器的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动控制方法的技术领域。
背景技术
光伏发电系统是将光能转换为电能并应用的过程，其中太阳光的一部分到达地球，经地球上的空气和云层的衰减后到达光伏电池板，完成光电转换后以电能形式输出到应用设备，其能量经多次衰减、反射、散射及热耗散后仅很小部分转换为电能。任一光伏发电系统均受确定性波动和随机性波动的共同作用，其输出功率因之表现为两种波动类型共同作用下的变化特性。光伏功率的随机性波动主要源自于移动云层，移动云层给光伏面板带来两个效应：总辐照度波动效应和不均匀光照效应，前者直接导致了光伏功率的波动，后者则可能加重光伏功率的波动。
功率缩减(powercurtailment)是在光伏电站的控制算法中按一定规则自动减少自身的输出功率以达到减少功率波动的目的，其作用是避免在光照较强时并网电压或逆变电压越限、提升分布性电网的可靠性、提高光伏在电网中的渗透率。根据其负载形式可分为硬缩减和软缩减两种。硬缩减主要由卸流负载(dumpload)实现，即通过专门设置的大功率负载(电阻、电加热器等)来吸收超出设定限值的光伏发电功率。在光伏独立系统中都需锂电池配置，为了防止锂电池过充，可在锂电池电压到高限时开启卸流负载以吸收多余光伏功率，此卸流负载可设计为电加热器，通过改变卸流负载上的电压以控制吸收功率。但卸流负载目前存在价格较高、能量损失不可弥补、平抑波动的能力也相对不足的缺点，造成其应用受限。
发明内容
本发明公开了氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，减少了光伏电站因减少功率波动造成的主动削减不可恢复的功率，避免了一定的能量损失，增加了可再生能源运行柔性。
一种基于锂电池和超级电容器的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，将光伏发电系统和锂电池、超级电容器、氢燃料电池并联接入直流母线，光伏发电系统采用MPPT控制，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过控制DC-DC变换器实现充换电转换，逆变器控制直流母线电压稳定；具体包括如下步骤：
S1：建立光伏与锂电池、超级电容器、氢燃料电池混合系统拓扑结构；
S2：采用MPPT控制方法获取给定光照条件下光伏系统的输出功率；
S3：建立锂电池、超级电容器和氢燃料电池等效模型及控制电路模型；
S4：超级电容器采用用输入电压、负载电流前馈环平抑光伏系统输出功率的波动；
S5：锂电池与超级电容相结合，形成锂电池/超级电容混合储能系统(hybridenergystoragesystem，HESS)，配以相应的能量管理方案和控制策略，实现微网系统的稳定、经济运行；
S6：Buck/Boost双向功率变换器和超级电容控制选用互补PWM控制方法实现电感电流的平滑稳定，避免双向切换引起的瞬时冲击，实现软开关。
进一步，本发明的步骤S1中混合系统拓扑结构为光伏通过Boost变换器，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过双向DC-DC换流器，并连接到直流电网，再通过三相PWM逆变器和RL滤波电路，接入大电网。
进一步，本发明的步骤S2中MPPT控制方法为扰动观察法，首先扰动光伏电池的输出电压，然后观测光伏系统输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压方向，使光伏系统最终工作于最大功率点。
进一步，本发明的步骤S3中等效模型为锂电池采用等效电路与可控电压源串联的形式，氢燃料电池采用电容与等效并联阻抗并联再与等效串联阻抗串联的形式，并通过双向DC-DC换流器通过IGBT控制运行状态。
进一步，本发明的步骤S4中输入电压、负载电流采用前馈环平抑光伏系统输出功率的波动。
进一步，本发明的步骤S5中采用锂电池/超级电容混合储能系统，配以相应的能量管理方案和控制策略，实现微网系统的稳定、经济运行。
进一步，本发明的步骤S6中锂电池模块和氢燃料电池模块采用电流环控制，当换流器工作在Buck模式，储能系统吸收多余功率；换流器工作在 Boost模式，储能系统释放功率。
发明创新点：本发明解决了光伏功率的随机性波动导致电网电压波动的问题，减少了光伏电站因减少功率波动造成的主动削减不可恢复的功率，避免了一定的能量损失，增加了可再生能源运行柔性。其中锂离子电池循环性能优越、效率高、充放电电流倍率大，响应速度快，实现微网系统的稳定、经济运行。更充分发挥了氢燃料电池灵活性高，绿色环保的特点。使用锂电池、超级电容器和氢燃料电池协调控制，使其平抑电网电压波动的效果更好。
附图说明
图1是本发明混合系统结构框图。
图2是本发明光伏发电系统的混合拓扑结构示意图。
图3是本发明锂电池建模结构示意图。
图4是本发明系统功率监控策略示意图。
图5是本发明不同工况下系统功率监控策略示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，建立光伏发电系统与锂电池、超级电容器、氢燃料电池混合系统拓扑结构；光伏通过Boost变换器，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过双向DC-DC换流器，并连接到直流电网，再通过三相PWM逆变器和RL滤波电路，接入大电网。
采用MPPT控制方法获取给定光照条件下光伏系统的最大输出功率；控制方法为扰动观察法，首先扰动光伏电池的输出电压，然后观测光伏系统输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压方向，使光伏系统最终工作于最大功率点。
锂电池采用等效电路与可控电压源串联的形式，氢燃料电池采用电容与等效并联阻抗并联再与等效串联阻抗串联的形式，并通过双向DC-DC换流器通过IGBT控制运行状态。
在使用电感电流内环、电容电压外环的基础上，超级电容器利用输入电压、负载电流前馈环消除了二者的变化对输出电压的扰动电容电压前馈环消除了由于负载电流大小及方向的改变而导致系统闭环极点变动，提高系统的稳定性。
FC、EL、LIB模块采用电流环控制，提出换流器控制策略。当注入功率大于参考功率换流器工作在Buck模式，储能系统吸收多余功率；当注入功率小于参考功率，换流器工作在Boost模式，储能系统释放功率。
一种氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，建立光伏发电系统和锂电池、超级电容器、氢燃料电池并联接入直流母线，光伏发电系统采用 MPPT控制，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过控制DC-DC变换器实现充换电转换，逆变器控制直流母线电压稳定；具体包括如下步骤：
S3：建立锂电池、超级电容器和氢燃料电池等效模型及控制电路模型；
S4：超级电容器采用用输入电压、负载电流前馈环平抑光伏系统输出功率的波动；
S5：锂电池与超级电容相结合，形成锂电池/超级电容混合储能系统(hybridenergystoragesystem，HESS)，配以相应的能量管理方案和控制策略，实现微网系统的稳定、经济运行；
S6：Buck/Boost双向功率变换器和超级电容控制选用互补PWM控制方法实现电感电流的平滑稳定，避免双向切换引起的瞬时冲击，实现软开关。
进一步，本发明的步骤S1中混合系统拓扑结构为光伏通过Boost变换器，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过双向DC-DC换流器，并连接到直流电网，再通过三相PWM逆变器和RL滤波电路，接入大电网。
进一步，本发明的步骤S2中MPPT控制方法为扰动观察法，首先扰动光伏电池的输出电压，然后观测光伏系统输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压方向，使光伏系统最终工作于最大功率点。
进一步，本发明的步骤S3中等效模型为锂电池采用等效电路与可控电压源串联的形式，氢燃料电池采用电容与等效并联阻抗并联再与等效串联阻抗串联的形式，并通过双向DC-DC换流器通过IGBT控制运行状态。
进一步，本发明的步骤S4中输入电压、负载电流采用前馈环平抑光伏系统输出功率的波动。
进一步，本发明的步骤S5中采用锂电池/超级电容混合储能系统，配以相应的能量管理方案和控制策略，实现微网系统的稳定、经济运行。
进一步，本发明的步骤S6中锂电池模块和氢燃料电池模块采用电流环控制，当换流器工作在Buck模式，储能系统吸收多余功率；换流器工作在 Boost模式，储能系统释放功率。
首先本发明将光伏发电系统和锂电池、氢燃料电池并联接入直流母线，再通过逆变器接入交流电网，光伏发电系统采用MPPT控制，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过控制DC-DC变换器实现充换电转换，逆变器控制直流母线电压稳定，如图2所示。
其次光伏发电系统通过Boost变换器，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过双向DC-DC换流器，并连接到直流电网，再通过三相PWM逆变器和 RL滤波电路，接入大电网如图3所示。
通过扰动观察法，由扰动光伏电池的输出电压和观测光伏系统输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压方向，使光伏发电系统最终工作于最大功率点。其中光伏发电系统最大功率跟踪控制采用变步长扰动观察法MPPT控制方法获取给定光照条件下光伏系统的输出功率，扰动观察法的控制电路结构简单，需测量的参数较少，能够快速准确地跟踪外部环境变化，保证系统稳定性。
然后分布建立锂电池、超级电容器和氢燃料电池等效模型及控制电路模型。
其中锂离子电池循环性能优越、效率高、充放电电流倍率大。本发明从多能互补新能源电站的实用角度出发，针对锂离子电池建立一个能准确描述其动静态特性、考虑多种影响因素且综合容量预测功能的新型等效电路模型，并具有结构简单、实验方法易行等特点。
通过跟踪电流、实时确定电池的荷电状态SoC(可用剩余容量与最大容量的比值)，如图4所示，其中Ccapacity表示电池可用容量，Ibatt是电池的运行电流，Ccapacity的电压在数值上等于SoC，SoC是左侧电路的最终输出。其中Voc是受SoC控制的开路电压；Rseries反映电池内电解液、电极、集流体等欧姆内阻的总和；Rcyc称为循环电阻，反映电池随循环使用而欧姆内阻增大的现象；两个RC电路环节用以描述电池在阶跃激励下长、短两个时间常数的响应，亦对应电解质电池内部电化学极化和浓差极化两过程；Vbatt即等效电路的端电压，是模型的最终输出。
式(1)给出了混合电路模型以两个RC电路环节上的电压Vtran-s和Vtran-l为状态量的数学模型。
实际建模中，根据左侧电路的实质功能，常用SoC的计算式如式(2)替换，以减轻模型的复杂度。式(2)中SoCinit表示电池初始荷电状态，Cuse表示电池的可用容量，
其次氢燃料电池工作中存在电压损失，包括活化极化过点势(Vact)、欧姆极化过电势(Vohm)和浓差极化过电势(Vcon)。所以单节燃料电池的实际输出电压Vcell如式(3)所示：
Vcell＝EN-Vact-Vohm-Vcon (3)
燃料电池热力学电动势(EN)如式(4)所示：
活化极化过点势(Vact)如式(5)所示：
其中，氧气的气液界面溶解浓度如式(6)所示：
参数ε2如式(7)所示：
其中，氢气的气液界面溶解浓度如式(8)所示：
欧姆极化过电势(Vohm)如式(9)所示：
Vohm＝i(RC+RM) (9)
质子交换膜的等效电阻(RM)如式(10)所示：
其中，质子交换膜电阻率(ρM)如式(11)所示：
浓差极化过电势(Vcon)如式(12)所示：
Vcon＝m·exp(ni) (12)
其中经验值m如式(13)所示：
m＝1.1×10-4-1.2×10-6(T-273.15) (13)
典型经验值n的值如式(14)所示：
n＝8×10-3cm2/mA (14)
同时，由于双电层作用的影响，会对活化极化过点势(Vact)和浓差极化过电势(Vcon)产生一定的影响。活化极化过点势(Vact)如式(15)所示：
浓差极化过电势(Vcon)如式(16)所示：
Vcon＝m·exp[n(i-ic)] (16)
其次超级电容在HESS中主要承担HESS总负荷功率与锂电池负荷功率的差值部分，一般为高频变动的功率。直流母线电压的稳定程度对逆变器的正常工作影响很大。因此超级电容还需要实现对母线电压精确及快速的控制。在维持母线电压稳定的情况下，超级电容的充放电电流由HESS与锂电池的充放电电流差值自动调整。
SC吸收或释放的能量为
式中：A与B分别为SC串联和并联个数；Csc为SC等效总电容；Cf为SC 的单体电容；r为SC等效总电阻；rf为SC单体电阻；U1与U2分别为SC初始电压和状态电压；E为吸收/释放的能量。
采用单电压环控制在当系统受到扰动时，系统各电气变量只有等到输出电压发生变化后，电压环起到调节作用才会发生相应变化，因此在瞬态过程中，单电压环的输出电压会产生较大波动，甚至造成系统不稳定。
因此本发明在使用电感电流内环、电容电压外环的基础上，利用输入电压、负载电流前馈环消除了二者的变化对输出电压的扰动，可以提高系统的动态响应速度与控制精度；利用电容电压前馈环消除了由于负载电流大小及方向的改变而导致系统闭环极点变动，可以提高系统的稳定性。
最后一步将光伏发电系统和锂电池、超级电容器、氢燃料电池并联接入直流母线，再通过逆变器接入交流电网，光伏发电系统采用MPPT控制，锂电池和氢燃料电池通过控制DC-DC变换器实现充换电转换，逆变器控制直流母线电压稳定，具体步骤如下：
式(18)的电流内环可以近似等效为增益为K＝1/Hi的比例环节。
在未施加Δiload、ΔuS及ΔuC前馈前，电压环传递函数为
引入前馈环节后的电压环传递函数为
式(20)中若取Kf1＝Kf2＝Kf3＝1/K，则可消除Δiload与ΔuS引起直流母线电压的波动。与放电不同模式，即Δiload存在正负之分，在未引入ΔuS前馈时，如式(19)所示，随着充放电模式不同，电压环的闭环极点并不固定，在大信号变化时可能导致系统不稳定；引入ΔuS前馈后，系统闭环极点与负载电流的方向及大小均无关系，在选取合适的参数后，电压环等效为一阶积分环节，因此提高了系统的稳定性。
如图5所示，本发明提出的系统功率监控策略，混合发电系统功率方程如式(21)所示
Pgrid＝PPV+Pfc±Plib-Pel (21)
当直流母线不平衡功率(Pnet＝Ppv-PGref)高于氢储能设备的额定功率(电解槽额定功率Peln或氢燃料电池额定功率Pfcn)或者当储氢罐压力不满足上下压力时，锂电池/超级电容器储能系统将及时启动使直流母线功率平衡。受各约束条件限制，电解槽参考功率(Pelref)、燃料电池参考功率(Pfcref)释放功率为正；电解槽(Pelref)、电网负荷(PGref)均吸收功率为正；锂电池(PLIB)则以充电为正，以放电为负，分6种状态运行。
(1)工况一
当光伏出力大于用电负荷需求Pnet＞0时，燃料电池停机。若储氢罐压力高于其上限阈值(b≥bmax)，为确保储氢罐不超过其储存上限，电解槽停止工作。同时，为提高太阳能资源利用率，锂电池作为备用储能设备及时启动，吸收直流母线的不平衡功率。即
Pelre＝0；Pfcref＝0；PLIB＝Pnct。
(2)工况二
当光伏出力大于用电负荷需求(Pnet＞0)时，燃料电池停机。若储氢罐压力低于其上限阈值(b＜bmax)，且系统剩余功率大于电解槽额定出力，系统在优先保证电解槽最大出力的前提下，启动锂电池吸收母线上的剩余功率。即
Pelref＝PelN；Pfcref＝0；PLIB＝Pnet-PelN。
(3)工况三
当光伏出力大于用电负荷需求(Pnet＞0)时，燃料电池停机。若储氢罐压力低于其上限阈值(b＜bmax)，且系统剩余功率小于电解槽额定出力，系统优先运行电解槽，将太阳能转换为能量密度高的氢气储存到储氢罐中。即
Pelref＝Pnet；Pfcref＝0；PLIB＝0。
(4)工况四
当光伏出力小于用电负荷需求(Pnet＜0)时，电解槽停机。若储氢罐压力低于其下限阈值(b≤bmin)，为使储氢罐压力不进一步降低，燃料电池停止工作。同时，保证负荷的用电需求，锂电池作为备用电源及时启动，向负荷提供电能。即
Pfcref＝0；Pelref＝0；PLIB＝Pnet。
(5)工况五
当光伏出力小于用电负荷需求(Pnet＜0)时，电解槽停机。若储氢罐压力高于其下限阈值(b＞bmin)，且系统功率缺额大于燃料电池额定出力，燃料电池以额定出力运行，锂电池作为辅助电源向负荷提供电能。即
Pfcref＝PfcN；Pelref＝0；PLIB＝Pnet+PfcN。
(6)工况六
当光伏出力小于用电负荷需求(Pnet＜0)时，电解槽停机。若储氢罐压力高于其下限阈值(b＞bmin)，且系统功率缺额小于燃料电池额定出力，系统优先运行燃料电池，将能量密度高的氢气转换为电能向负荷供电。即
Pfcref＝|Pnct；|Pelref＝0；PLIB＝0。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：将光伏发电系统和锂电池、超级电容器、氢燃料电池并联接入直流母线，光伏发电系统采用MPPT控制，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过控制DC-DC变换器实现充换电转换，逆变器控制直流母线电压稳定；具体包括如下步骤：
S1：建立光伏与锂电池、超级电容器、氢燃料电池混合系统拓扑结构；
S2：采用MPPT控制方法获取给定光照条件下光伏系统的输出功率；
S3：建立锂电池、超级电容器和氢燃料电池等效模型及控制电路模型；
S4：超级电容器采用用输入电压、负载电流前馈环平抑光伏系统输出功率的波动；
S5：锂电池与超级电容相结合，形成锂电池/超级电容混合储能系统(hybridenergystoragesystem，HESS)，配以相应的能量管理方案和控制策略，实现微网系统的稳定、经济运行；
S6：Buck/Boost双向功率变换器和超级电容控制选用互补PWM控制方法实现电感电流的平滑稳定，避免双向切换引起的瞬时冲击，实现软开关。
2.如权利要求1所述的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：在所述步骤S1中混合系统拓扑结构为光伏通过Boost变换器，锂电池、超级电容器和氢燃料电池通过双向DC-DC换流器，并连接到直流电网，再通过三相PWM逆变器和RL滤波电路，接入大电网。
3.如权利要求1所述的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：在所述步骤S2中MPPT控制方法为扰动观察法，首先扰动光伏电池的输出电压，然后观测光伏系统输出功率的变化，根据功率变化的趋势连续改变扰动电压方向，使光伏系统最终工作于最大功率点。
4.如权利要求1所述的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中等效模型为锂电池采用等效电路与可控电压源串联的形式，氢燃料电池采用电容与等效并联阻抗并联再与等效串联阻抗串联的形式，并通过双向DC-DC换流器通过IGBT控制运行状态。
5.如权利要求1所述的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：在所述步骤S4中输入电压、负载电流采用前馈环平抑光伏系统输出功率的波动。
6.如权利要求1所述的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：在所述步骤S5中采用锂电池/超级电容混合储能系统，配以实现微网系统经济运行的能量管理方案和控制策略。
7.如权利要求1所述的氢燃料电池平抑光伏输出功率波动的控制方法，其特征在于：在所述步骤S6中锂电池模块和氢燃料电池模块采用电流环控制，当换流器工作在Buck模式，储能系统吸收多余功率；换流器工作在Boost模式，储能系统释放功率。
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