光伏燃料电池混合发电系统的建模及仿真

毛军科，刘士荣，荣延泽，李松峰

(杭州电子科技大学自动化研究所，浙江杭州310018)

0 引 言

随着一次能源的逐渐短缺以及环境问题的日益突出，可再生能源的开发利用成为了各国的研究热点。可再生能源中以太阳能最具有应用前景。因此研究光伏发电系统具有广阔的发展前景。目前，一般的光伏发电系统主要由光伏阵列和铅酸蓄电池以及一些功率变换装置等组成。虽然系统简单且无污染，但这类系统也存在很大的缺点。如太阳能具有很大的随机性，影响电力系统的稳定性与可靠性;铅酸蓄电池储能有限，且使用寿命短、费用高等。随着质子交换膜燃料电池技术不断成熟与完善，建立一种以氢能为储能形式的混合发电系统成为可能。若将光伏发电产生的多余的电能通过电解水制氢的方式转化为氢能储存起来以备燃料电池使用，则可实现能源的长期存储。此外，光伏燃料电池混合发电系统［1－3］若结合超级电容可以使系统更加稳定，更加可靠。本文提出了一种新型的光伏燃料电池混合发电系统结构，建立了各主要元件的Matlab仿真模型，并设计了此系统的能量协调控制策略以及系统有功功率跟随控制模型，最后在Matlab中建立系统仿真模型，并对其动态响应进行仿真分析。

1 系统结构

本文提出的光伏燃料电池混合发电系统的结构图如图1所示。该系统主要包括光伏电池阵列、质子交换膜燃料电池系统、超级电容、质子交换膜水电解槽和功率变换装置、无功补偿装置、重要负载、次要负载等。

本系统中光伏阵列首先通过最大功率跟踪控制器获得最大功率输出，然后通过逆变器将电能送入微电网。光伏阵列在本系统中是不可控单元，因此将其和不可控负荷一起作为有功功率波动源。燃料电池通过逆变器将电能送入微电网。燃料电池作为本系统的主电源为微电网提供基准电压和频率。超级电容通过一个双向逆变器与微电网进行能量交互，参与微电网内部瞬间的有功功率波动调节。水电解槽通过整流器从微电网获取电能来水电解制氢，并将制得的氢气先存入氢气罐，以备燃料电池发电时使用。水电解槽在本系统中是一个可控负荷。

2 能量调度

太阳能具有随机性和波动性，因此光伏发电不能持续稳定的输出电能。这样小容量的光伏发电系统就容易出现功率不平衡，而经过无功补偿装置补偿后无功波动一般相对较小，因此本文主要通过维持有功功率平衡来完成能量调度［4］。

本系统具有2种工作状态，即并网状态和独网状态。不同的工作状态应具有不同的调度策略。但本文主要注重考虑独网状态下的能量调度，因为独网状态下的功率平衡是微电网系统非常重要的能力，只有做好独网状态下的功率平衡才能真正实现微电网运行。建立独网状态下的能量调度目标函数如下:

图1 光伏燃料电池混合发电系统的结构图

式中，PFC，min≤PFC≤PFC，max;－ PEDLC，maxin≤PEDLC≤PEDLC，maxout;0≤PWE≤PWE，max。其中 ΔP 为独网状态下有功功率的不平衡量;PG为系统输出的总有功功率;PL为系统负载消耗的总有功功率;PPV为光伏发电输出的有功功率;PFC为燃料电池输出的有功功率;PEDLC超级电容输出的有功功率;PLoad1为重要负载消耗的有功功率;PLoad2为次要负载消耗的有功功率;PWE为水电解槽消耗的有功功率;PS为系统总损耗的有功功率;PFC，min为燃料电池最小的输出有功功率;PFC，max为燃料电池最大的输出有功功率;PEDLC，maxin为超级电容最大充电有功功率;PEDLC，maxout为超级电容最大放电有功功率;PWE，max为水电解槽消耗的最大有功功率。

从式1－3中可以看出，要维持功率平衡必须使ΔP接近于零，而本系统中受控的单元只有PFC、PEDLC和PWE。因此只有通过调节燃料电池、超级电容和水电解槽的输出来维持有功功率平衡。

3 系统建模及仿真分析

3.1 系统模型

为了更好的进行仿真分析，本文以本校第六教学楼和第八教学楼2幢教学楼实际用电为例进行系统容量设定。经过查看这两幢教学楼的负荷历史数据得出:负荷最大的几个月份为6月、9月、12月以及1月;最大的瞬时负荷在380kW左右;白天的平均负荷在150kW左右。

基于以上数据，本系统的容量设定如下:200kW燃料电池堆;200kWp光伏电池阵列;150kW(2s)超级电容;100kW水电解槽。

在Matlab环境下建立系统动态模型，如图2所示。

控制装置和各个设备的参数如表1所示。

图2 系统模型

表1 各设备的控制装置和参数

3.2 仿真分析

为了简化仿真步骤，本文只对用户负荷以及PV的总输出功率变化时的系统暂态响应进行仿真。假设燃料电池工作于低功率状态;水电解槽工作于较大功率状态。仿真过程中，输入连续的阶跃响应，验证系统对连续的负荷波动的响应能力。其仿真结果如图3所示。由图3可知，系统在连续的负荷波动下依然具有良好的响应能力，有功功率波动较小，稳定性较高。

4 结束语

该微电网系统采用电解水制氢的方式进行储能。不但可以消耗多余的电能，维持系统功率平衡，而且提高了能源的储存时间，实现了能源的循环利用。这相对于利用日益缺乏的化石能源的系统而言，不仅减少了能源的运输，更减轻了对周围环境的污染，是一个绿色无污染的系统。对该微电网系统的暂态响应进行了仿真，结果表明该系统能较好的克服光伏发电以及负载随机突变对发电系统产生的不利影响。超级电容的使用不仅提高了燃料电池的供电性能也大大增强了系统对短期峰值负荷的响应能力。系统在光照和负荷发生变化时维持了微电网内部的有功功率平衡，具有良好的供电可靠性与稳定性，这对于未来大规模发展微电网系统来说十分关键。

图3 仿真结果

［1］ 杨占刚，王成山，车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微电网实验系统［J］.电力系统自动化，2009，33(14):89－92.

［2］ 卢继平，白树华.风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真［J］.电网技 术，2007，31(22):76－84.

［3］ Sukumar Kamalasadan，Chad M.Tanton.Modeling and Simulation of PEM Fuel Cell Generator as a Micro Grid［J］.Industry Applications Society Annual Meeting，2010，51(5):1 －8.

［4］ 刘学平，刘天琪，李兴源.混合独立发电系统功率协调策略与仿真［J］.电网技术，2010，34(9):202－205.

［5］ 胡文杰.高渗透率下微电网潮流计算及其运行的多目标优化［D］.上海:上海交通大学，2010.

［6］ Hicham Fakham，Di Lu，Bruno Francois.Power Control Design of a battery charger in a Hybrid Active PV generator for load following applications［J］.IEEE Transaction on Industrial Electronics，2011，58(1):85 － 94.