于 傳 張少文 朱海銘

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽合肥230022；2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230051；3.南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京211167）

0 引言

太陽能是無窮無盡的，且綠色環(huán)保，因此光伏發(fā)電是目前清潔能源的主要利用形式之一。但光伏發(fā)電快速大規(guī)模發(fā)展使其缺點更加突出，亟需解決以下兩大問題：（1）光伏發(fā)電易受光照、溫度等氣象條件影響，間歇性和不規(guī)則性問題明顯，且發(fā)電質(zhì)量較低；（2）光伏發(fā)電儲存困難，傳統(tǒng)的儲能技術(shù)已經(jīng)不能滿足未來大規(guī)模的綠色能源發(fā)展需求。因此，清潔、高效的儲能技術(shù)成為解決光伏高效并網(wǎng)問題的關(guān)鍵。

太陽能發(fā)電和儲能相結(jié)合已成為光伏發(fā)電未來主要的利用形式。文獻[1]提出了一種分布式集成控制策略，主要包括光伏發(fā)電和儲能系統(tǒng)在直流微電網(wǎng)中的集成運用。文獻[2]提出了一種混合光伏/燃料電池系統(tǒng)的建模方法。文獻[3]提出了一種可再生能源和燃料電池混合電源，其儲能裝置適用于分布式發(fā)電，PV和PEMFC系統(tǒng)通過DC/DC變換器并聯(lián)運行。文獻[4]提出了一種由膜燃料電池、光伏板和超級電容器組成的網(wǎng)格連接能量管理中心，其中光伏模塊采用最大功率點跟蹤控制。文獻[5]提出了利用光伏電池和氫燃料電池的分布式發(fā)電系統(tǒng)中的氫管理方法。文獻[6]研究了由光伏與燃料電池混合系統(tǒng)供電的新型電動汽車建模、控制和功率管理。綜上所述，基于復(fù)合儲能的光伏發(fā)電是未來能源利用的熱門方向，應(yīng)加強這方面的技術(shù)研究和應(yīng)用。

本文將研究光伏發(fā)電和混合儲能模塊，其中儲能模塊主要包括電解槽、燃料電池和鋰電池。各模塊功率都匯集到直流母線再經(jīng)逆變器輸送到電網(wǎng)中去，控制中心實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)，以此滿足電網(wǎng)不同情況下的負荷需求。

1 含復(fù)合儲能的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合系統(tǒng)用于提供負荷，保證負荷需求不中斷。考慮到清潔環(huán)保的問題，使用可再生能源，如太陽能、氫能等。除能源外，混合系統(tǒng)還包括直流或交流轉(zhuǎn)換器、存儲系統(tǒng)和控制管理系統(tǒng)，所有這些組件都可以通過公共的直流母線來連接。本文搭建的復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光儲復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，結(jié)構(gòu)圖左側(cè)PV模塊、EL模塊、FC模塊、LIB模塊并聯(lián)于直流母線，右側(cè)是逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)。PV提供能量給EL，EL電解水產(chǎn)生氫氣，氫氣除了可以直接使用外，還能當作燃料供給電池，提高了出力效率；LIB吸收或消納不平衡功率。中心控制單元會根據(jù)各單元模塊的運行參數(shù)來判定系統(tǒng)運行狀態(tài)，并隨即給出控制信號，保證直流母線電壓穩(wěn)定不變，通過DC/AC連接到電網(wǎng)的功率平滑。

在搭建的系統(tǒng)中，直流母線電壓動態(tài)方程會對每個單元與電網(wǎng)之間的電氣連接造成影響。通過協(xié)調(diào)光伏發(fā)電模塊、電解槽制氫模塊、燃料電池模塊和鋰電池模塊流入/流出直流母線的總電流可以確保母線電壓不會大幅度波動，并且系統(tǒng)功率實現(xiàn)互補。其中，流入/流出PV模塊、EL模塊、FC模塊和LIB模塊的電流與直流電壓滿足方程式：

式中：Ipv、Ifc、Iel、Ilib、Igrid分別為流入/流出PV模塊、FC模塊、EL模塊和LIB模塊的電流，以及流入DC/AC變流器的電流。

2 光儲系統(tǒng)控制策略

考慮到需要電能產(chǎn)生氫氣的電解槽、需要氫氣發(fā)電的燃料電池，以及需要利用鋰電池能量密度高、能夠快速充放電來消除系統(tǒng)功率不平衡量等特性，采用并網(wǎng)逆變器控制和每個單元層的電源管理策略來實現(xiàn)有源電網(wǎng)連接。

2.1 光伏發(fā)電控制策略

PV系統(tǒng)采用MPPT控制策略，其控制模塊主要由三部分組成，分別是最大功率點跟蹤（MPPT）、Boost升壓控制、逆變器控制。具體控制策略如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電控制策略

首先需要通過Boost升壓電路來提高由于光伏發(fā)電不穩(wěn)定導(dǎo)致的較低輸出電壓，然后再接入逆變器送入電網(wǎng)。將光伏模塊的輸出電壓Upv和電流Ipv送入MPPT控制模塊，得到光伏最大功率運行點。將輸出電壓Upv和參考電壓Upv_ref進行比較，再通過PI控制器實現(xiàn)閉環(huán)控制，得到脈沖控制信號g，從而實現(xiàn)期望的輸出電壓值。

其中，控制信號g的表達式為：

2.2 燃料電池控制策略

燃料電池需要滿足敏感負載需求，以保持在不同運行情況下的持續(xù)供電。其系統(tǒng)控制模塊主要由DC/DC變換器組成，具體控制策略如圖3所示。

圖3 燃料電池控制策略

如圖3所示，系統(tǒng)以協(xié)調(diào)各模塊功率為目的產(chǎn)生參考功率Pfc_ref，F(xiàn)C模塊將功率參考值和實際值的誤差通過PI控制器實行電流閉環(huán)控制，再根據(jù)Ifc_ref與Ifc兩者的誤差產(chǎn)生控制信號Tfc，由Tfc來調(diào)整FC模塊輸出電壓。

2.3 鋰電池儲能控制策略

混合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制中的LIB單元控制策略具體如圖4所示。LIB單元通過快速充電和放電，并采用恒定功率控制，可以吸收/發(fā)出因為EL和FC響應(yīng)延遲而引起的系統(tǒng)功率不平衡量。具體控制如下：參考功率Pref，除以LIB端電壓Udclib，可以得到電流參考值Ilibref。最后通過PI控制器進行閉環(huán)控制，根據(jù)Ilibref與Ilib的誤差值產(chǎn)生控制信號gt1和gt2，由gt1和gt2來調(diào)整LIB模塊輸出電壓。

3 仿真結(jié)果分析

在第2節(jié)所建控制模型的基礎(chǔ)上，通過PSCAD/EMTDC來搭建整體系統(tǒng)模型，深入研究含復(fù)合儲能系統(tǒng)的光伏并網(wǎng)控制運行，具體仿真工況分析如下：

設(shè)定光照強度G=1 000 W/m2，T=25 ℃，Pfcref=Pelref=Plcref=0.05 MW。由仿真結(jié)果得PV出力Ppv=0.265 MW，燃料電池發(fā)電Pfc=0.05 MW，EL消納功率Pel=0.05 MW，LIB輸出功率Plib=0.05 MW，網(wǎng)側(cè)負荷需求Pgrid=0.3 MW。PV出力和燃料電池總功率小于網(wǎng)側(cè)負荷需求和EL消納功率之和，此時系統(tǒng)有功功率缺額為Pnet=Ppv+Pfc-Pgrid-Pel=-0.035 MW，LIB快速動作，補充有功缺額，LIB處于放電狀態(tài)。

當系統(tǒng)運行到1.5 s時，增加PV出力和減少電解槽額定消納功率。改變光照強度G=1 300 W/m2，T=25 ℃，Pelref=0.04 MW，Pfcref=Plcref=0.05 MW。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 鋰電池儲能控制策略

圖5 混合系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖5仿真結(jié)果表明，1.5 s時電流明顯增大，負荷需求變?yōu)镻grid=0.4 MW。PV模塊電壓、電流、功率均有明顯增長，PV出力增長為Ppv=0.35 MW；EL模塊電壓、電流、功率均有明顯下降，EL消納功率降為Pel=0.04 MW；燃料電池發(fā)電Pfc=0.05 MW；LIB 輸出功率Plib=0.05 MW。此時系統(tǒng)所缺有功功率為Pbus=Pgrid+Pel-Ppv-Pfc=0.04 MW，LIB快速動作，補充系統(tǒng)的有功功率缺額，LIB處于放電狀態(tài)。隨著LIB放電時間的增加，其端電壓不斷下降，當仿真運行到Ulib=Ulib_min時，LIB退出運行。LIB補充的功率即為系統(tǒng)功率缺額。

仿真結(jié)果表明，在混合系統(tǒng)中，PV模塊以最大功率運行，向電解槽和燃料電池供電。鋰電池作為有干擾時提供負載的主電源，能夠快速實現(xiàn)完全充電和放電，實現(xiàn)四個模塊之間的協(xié)調(diào)控制。

4 結(jié)語

本文給出了含混合儲能的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并搭建了每個模塊的控制模型和系統(tǒng)模型，通過仿真結(jié)果之間的比較可以充分驗證所構(gòu)建集成系統(tǒng)各單元模型的準確性以及所提控制策略的有效性。結(jié)果表明，使用PV、EL、FC和LIB混合電網(wǎng)連接可以實現(xiàn)集成系統(tǒng)的可控輸出，維持電網(wǎng)功率平穩(wěn)，使直流母線電壓保持恒定，還可以降低光抑制率，保證系統(tǒng)安全可靠運行。