风氢耦合系统协同控制发电策略研究

张 虹，孙 权，李占军，白 洋

(1．东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012;2．国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林 吉林132012;3．国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳110006)

风能清洁、无污染，是未来能源结构中重要组成部分．但风能具有随机性强、间歇性明显的特征，使风电系统输出功率不断发生变化，限制了其在电网中的渗透率，单独并网不利于电网安全稳定运行［1～2］．近几年提出的纯绿色氢储能系统技术能够将多余风电制氢，进而提高系统的风电消纳能力［3］．因此，针对基于氢储能的风力发电并网协同控制的研究得到了国内外学者的广泛重视．

国内外对利用氢储能系统与风电系统并网发电已做相关研究．文献［4］针对电解槽、燃料电池具有动态响应慢的特性，利用超级电容提供动态失配功率，但未将储氢罐压力约束条件纳入到功率控制分析中．文献［5］研究了将风电系统波动的功率用于电解槽制氢，以此消纳风电系统多发功率．但为电解槽设计的开/关条件，却降低了风电场的发电效率．文献［6～8］提出将电池组、电解槽与风电系统相结合用来消纳风电场波动功率，提高了风电场的发电效率，但储能系统只能消纳短期风电场波动功率．文献［9～10］采用电池组、燃料电池、电解槽和交流发电机作为储能系统用于独立可再生能源系统．通过风电场、储能系统与电网之间的协同控制，提高了风能利用率．但只适用于分布式系统，不适合大规模系统．

综上所述，本文采用风电场与氢储能管理系统相结合的发电系统，并考虑储氢罐储氢状态和超级电容荷电状态对系统发电的影响，对其进行建模研究，并详细阐述大型风电场和氢储能管理系统之间的协同控制，利用储能系统与协同控制策略使风力发电得到了充分利用．

1 风氢耦合系统结构

风氢耦合系统结构如图1所示，主要包括风力机组、感应发电机、交流/直流半导体闸流管控制双向桥整流器、电解槽/燃料电池/超级电容系统、由比例积分控制器控制工作系数的升/降压型直流/交流变流器、直流/交流绝缘门极晶体管逆变器以及变压器等．

图1 风氢耦合系统协同控制发电结构

2 系统模型

2．1 风机系统

风机模型采用双馈感应风力发电机(DFIG)，发电原理可在文献［11］中获知．对于DFIG捕获风能有两种运行方式．一种是使风机始终保持在最大功率跟踪(MPPT)模式下获取最大风功率;另一种是通过限制风机捕获风能从而减少风机功率输出．虽然两种运行方式不同，但是基本原理都是采用电流调节器控制电机转矩用以达到想要运行的模式．当风速较小时，启动MPPT获取最大风功率;当风速较大时，通过改变桨距角来减少风机功率输出，具体控制方式可参见文献［12］．

2．2 氢储能管理系统

氢储能管理系统(HMS)由电解槽、燃料电池、超级电容和储氢罐组成．当风电场提供的负荷电流过剩，则过剩的电流便传输到电解槽，由电解槽制氢储存在储氢罐内以备燃料电池堆的使用;当电网负荷大于风电场所能提供的电能，燃料电池堆便进入工作状态．为了考虑操作的可行性和有效性，本文中电解槽和燃料电池均设置在恒电流模式下，供需的动态失配的电力由超级电容吸收或补充．

2．2．1 电解槽系统

本文采用的电解槽模型U－I特性如下:

式中:Ucell为电解槽端电压;Urev为可逆电压;r1和r2为电解槽内欧姆电阻相关参数;kelz、kT1、kT2和kT3为过电压相关参数;A为电池电极面积;Ielz为电解槽电流;T为电解槽温度．电解槽功率控制，如图2所示．

图2 电解槽降压变换器控制

2．2．2 储氢罐系统

采用高压气罐储存氢气，用罐内的氢气压强来衡量氢气的量．为了简化储罐模型，假定一个无损封闭系统，利用范德华求出储罐压力方程为［13］

式中:psto为储氢罐压力;Rgas为气体常数;Tsto为储氢罐温度;Vsto为储氢罐体积;msto为储存氢气的量;ptank为储氢罐初始压强．

2．2．3 燃料电池系统

质子交换膜燃料电池(PEM FC)是一种将燃料通过化学能转化成电能的装置．单个燃料电池电压定义如下［14］:

式中:ENernst为可逆电压;EAct为活化过电压;ECon为浓度过电压;EOhm为欧姆过电压．PEM FC堆电压定义如下:

燃料电池输出功率控制，如图3所示．

图3 燃料电池升压变换器控制

2．2．4 超级电容器系统

超级电容器电路模型参见文献［15］，本文不做过多阐述．

2．3 储氢罐储氢状态和超级电容荷电状态控制

在风氢耦合发电系统中，为了防止电解装置和燃料电池频繁地开关，需要采取相应的保护措施．采用如下解决方案，氢气通过压缩后存到储氢罐中，电解槽和燃料电池的开和关由储氢罐的储氢状态决定，其储氢状态(SOCH)表示为

式中:Psto为储氢罐氢气压强;Pstomax为储氢罐最大压强．SOCH用来控制电解槽充电或燃料电池放电，其幅值波动范围是0(空)到1(满)，上限为U．L(Ⅰ)，下限为L．L．(Ⅰ)，分别设置在接近1和0的位置．引入两个中间限制U．L(Ⅱ)和L．L．(Ⅱ)，避免过渡切换．设置一个切换规则用以限制控制电解槽和燃料电池的开和关，规则如表1所示．

表1 HMS保护开关规则

与储氢罐储存状态相类似，超级电容荷电状态(SOCSC)表达式如下:

式中:VSCmin和VSCmax分别为超级电容堆的最小和最大电压，通过控制输入或输出超级电容的电流It便可以改变电压VSC，进而改变SOCSC．

3 协同控制策略

通过监控风电场获知风电场出力情况，大部分时间，风机都在最大功率跟踪情况下运行．当系统出现功率不平衡，由氢储能管理系统与风电场协同控制以实现系统功率平衡．其整体控制原理，如图4所示．

图4 整体控制原理图

3．1 有功功率协同控制

频率变化Δf主要是有功功率的波动引起的，因此可通过维持有功功率供需平衡来抑制频率波动．设目标函数表示如下:

约束条件:

式中:ΔP为系统有功功率不平衡量;PG为系统发出总有功功率;PL为系统总负荷有功功率;PW为风力发电机发出有功功率;Pgrid为输送给电网功率;Pelz为电解槽消耗有功功率;Pelz，ini为电解槽消耗初始有功功率;PFC为燃料电池发出有功功率;PFC，ini为燃料电池发出初始有功功率．

从公式(9)～公式(10)可以看出，在能量生产环节控制ΔPFC，在能量消耗环节控制ΔPelz，便可满足电网功率平衡要求．

公式(8)中ΔP为正表明此时能量产生环节发出有功功率能完全满足负载要求，ΔP为负表明此时能量产生环节发出有功功率不能完全满足负载需求．

3．2 无功功率协同控制

风电功率因数可在0．98(超前)与0．98(滞后)之间调节，正常运行时为单位功率因数．当风电单位功率因数运行时，超级电容系统仅平衡电网不同运行方式下并网点无功，其表达式为

式中:QSC－in与QSC－out分别为超级电容系统吸收和发出的无功功率;U与Uref分别为风氢耦合系统并网点母线运行电压和额定电压．

当风电系统滞后功率因数运行时，系统无功功率表达式为

式中:QW－out为风电无功功率输出;QL为电网无功负荷需求．

当风电系统超前功率因数运行时，系统无功功率表达式转化为

式中:QW－in为风电系统吸收的无功功率．当外部电网发生故障时，超级电容系统通过检测并网点电压U，同时提供无功QSC－out来使U在故障期间保持较高水平，并提高故障后U恢复到Uref速度．

系统功率协同控制流程图，如图5所示．功率分配有下述情况:

(1)当风机发出功率大于电网需求时，多余功率由超级电容和电解槽来消纳．当超级电容充满电后，则停止充电．如供给电解槽功率超出其最大功率时，则通过改变桨距角来控制风机功率输出．在这种情况下，系统功率之间平衡表达式如下:

(2)当风机发出的功率小于负荷的需求时，电解槽停止运行，设ΔPWL=Pgrid－PW．根据ΔPWL的大小，有两种运行选择;当ΔPWL＜PFC时，启动燃料电池，向电网提供功率，以满足负荷需求．当ΔPWL＞PFC时，启动燃料电池和超级电容器，向电网提供功率，以满足负荷需求．两种情况的表达式如下:

(3)在其他特殊情况下，例如在风速小于风机切入风速或者大于风机切出风速时，风电场发出的功率为零．此时电解槽停止运行，燃料电池和超级电容器向电网提供功率，表达式如下:

4 仿真分析

为了验证协同控制策略的可行性，根据图1所示结构，在Matlab/Simulink环境下搭建系统仿真模型，系统由100 MW风力发电机组、20 MW电解槽、20 MW燃料电池堆和20 MW超级电容器组成．通过算例设计风氢耦合系统的控制策略平抑风电有功功率波动，算例分析分以下三种情况进行:(1)额定运行工况;(2)功率溢出工况;(3)功率不足工况，以此说明风氢耦合系统协调控制解决平抑风电波动的情况．

4．1 额定运行工况

功率缺额不超出电解槽或燃料电池额定功率的范围即为额定运行工况．图6(a)中实线描述的是某风电场在300 s内输出功率曲线，虚线表示电网负荷需求．可以看出，当风电场发出的功率多余电网负荷需求时，电解槽启动，吸收多余的功率，如图6(b)所示，电解槽启动后产生的氢气量如图6(e)所示;当风电场发出的功率少于电网负荷需求时，燃料电池启动，释放不能满足电网负荷需求的那部分功率，如图6(c)所示，燃料电池启动后消耗的氢气量如图7(f)所示．由于燃料电池和电解槽在释放或吸收功率时会有一个延时过程，则此过程供需动态失配的功率由超级电容吸收或补充，如图6(d)所示．

图5 协同控制流程图

图6 风电场正常运行下的系统运行情况

在图6(a)工作环境下的前200 s，由于风电场发出的总电量大于电网负荷需求，因此多余的电量用于制氢，储氢罐的储氢状态成上升趋势，如图7(a)所示．从图6(a)中可知在200 s后，风电场会持续发出远多余电网负荷需求的功率，为了系统能够持久稳定运行，在前200 s，超级电容释放功率，使其荷电状态逐渐减小，如图8(b)所示．因并网点功率平衡，整个系统能够正常运行，如图7(c)所示．当到200 s时，储氢罐已满，则电解槽停止运行，风电场剩余功率由超级电容消纳，当超级电容荷电状态为1时，不再消纳多余的功率，则多余的功率溢向电网，如图7(c)所示，此时并网点功率失去平衡，系统不能正常运行．

图7 氢储能管理系统的SOC状态及电网功率

4．2 功率溢出工况

功率溢出工况是指过剩功率超出电解槽额定功率上限的情况．当发生功率溢出问题时，通过改变风机桨距角减少风电场功率输出，通过控制风电场输出功率解决功率溢出问题．在相同仿真条件下风电场输出功率和电网负荷需求功率波形，如图8(a)所示．在前200 s，系统正常运行，储氢罐储氢状态和超级电容荷电状态，如图8(b)和图8(c)所示．在200 s时，储氢罐已满，如图8(b)所示．此时从图8(a)可知风电场通过变桨距控制减少输出功率，使风电场发出功率正好符合电网需求．因为没有产生多余功率，超级电容荷电状态始终不会达到最大值．从图8(d)可知，在仿真阶段，供给电网有功功率始终与电网需求的有功功率相一致．

图8 氢储能管理系统SOC状态及电网功率

4．3 功率不足工况

氢储能无法满足功率缺额时视为功率不足情况．针对氢耗尽时对电网运行的影响也进行了仿真研究．在前200 s时间内，从图9(a)中可以看出，风电场输出的功率始终在电网需求的功率上下波动，且波动幅值不大，所以风氢耦合系统能够正常运行．在200 s后，从图9(a)中可知风电场发出功率远不能满足电网负荷所需．从图9(e)、图9(f)中可知，此时储氢罐储氢状态和超级电容荷电状态已降到最低，燃料电池无法发电，不能为电网提供多余功率，所以从图9(g)可以看出，在200 s后系统输出功率无法满足电网需求，既系统供给电网有功功率与电网需求有功功率无法保持一致，此时系统自动调频弥补功率缺额．

图9 储氢量不足时系统运行情况

5 结 论

本文基于风电场与氢储能管理系统，并考虑储氢罐储氢状态和超级电容荷电状态对系统发电的影响，在Matlab/Simulink中搭建各单元模型．针对风氢耦合系统的3种运行情况，详细阐述大型风电场和氢储能管理系统之间的协同控制策略，最大化利用弃风制氢，提高风能利用率，并能为电网提供稳定高质量的电能．

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