风电/制氢/燃料电池/超级电容器混合系统控制策略

东北电力大学电气工程学院的研究人员蔡国伟、陈冲、孔令国、彭龙，在2017年第17期《电工技术学报》上撰文指出，风能的波动性及间歇性致使传统风力机出力不可控,即出力曲线与负荷调度曲线不一致。

本文构造了一种风电/制氢/燃料电池/超级电容器耦合于直流母线的结构。针对风电/制氢/燃料电池/超级电容器混合系统10种运行模式,提出了一种能量管理策略,确保在各个控制单元的作用下,能量协调流动于混合系统各子单元之间。

此能量管理策略不仅使混合系统出力可控,而且提高了风能利用率,平抑了直流母线电压波动,平滑了上网功率。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了风电/制氢/燃料电池/超级电容器混合系统控制策略的有效性。

在国家大力倡导发展可持续纯绿色能源的背景下，作为新能源发电形式之一的风力发电已成为国内外学者研究的热点。风能源的雄厚性及清洁型使其未来代替储量有限、危害生态环境的传统化石能源成为大势所趋。

但风能的波动性、间隙性导致其发电不可控，上网功率波动大，直流母线电压不平稳，严重影响了风能渗透率及混合系统电能品质，与储能单元协调配合是解决上述问题的手段之一。

相比于传统储能装置，氢能源具有储量丰富、清洁、能量密度高、便于储存及运输等优点，将电解槽与燃料电池作为长期储能单元符合国家发展纯绿色能源理念。

相比于蓄电池，超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、寿命长及成本低等优点，采用超级电容器作为短暂能量储存单元具有较强的鲁棒性及经济性。本文所采用的混合系统具有可控、满足调度计划的特性，是未来电力系统的大力发展方向。

目前针对风氢混合系统能量管理的研究国外学者已进行了初步探讨，国内学者对此也有所涉及。文献[4]对国际上风氢耦合发展和相关成果进行了分析与总结，介绍了风氢耦合的结构与特点。针对我国能源战略及发展趋势提出了相关建议，预测了风氢耦合发电技术在我国未来发展趋势。

文献[5]采用永磁风力机、蓄电池、电解槽通过DC-DC连接于直流母线的拓扑结构，根据风能情况和蓄电池荷电状态分为高控制等级和监测控制等级，并分别制定了契合两种情况下的控制策略。

文献[6]构造了风力机（机侧采用不控整流）与电解槽耦合于直流母线的经济性结构。提出了一种确保电解槽实时优运行的控制策略，即风能过剩时，电网消纳剩余功率，风能不足时，电网补充功率缺额。

文献[7]解决了电解槽和燃料电池响应延迟的问题，并针对混合系统孤岛6种运行模式提出了能量管理策略，实现了上网功率平滑，直流母线电压稳定。

文献[8]通过风氢耦合系统网侧变流器的不同控制方式，分别实现了以风力机优运行、以氢生产速率为优及以氢生产洁净为控制目标的三种运行工况。

文献[9]建立了风力机、超级电容器、燃料电池、电解槽、储氢罐模以及压缩机的数学模型，提出了系统安全可靠运行、电能品质优良且氢产率较高的控制策略。

文献[10]将风功率预测曲线和负荷调度曲线二者进行了容量匹配，并以燃料电池大小功率、储氢罐压力大值为约束条件，针对混合系统的8种运行模式提出了能量管理策略。

本文主要开展如下工作：

1）模型搭建。在PSCAD/EMTDC仿真软件中建立永磁同步风力直驱发电机组（Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG）、电解槽（Electrolyzer，EL）、燃料电池（Fuel Cell，FC）及超级电容器（Supercapacitors，SC）数学模型，构造混合系统（Hybrid System，HSY）结构。

2）提出 HSY 能量管理策略。针对HSY的10种运行模式提出一种能量管理策略，确保在各控制单元作用下出力可控、直流母线电压平稳、电能质量优良、风能渗透率提高、上网功率平滑、HSY各子模块运行安全可靠。

3）仿真验证。根据仿真结果验证风电/制氢/燃料电池/超级电容器混合系统控制策略的有效性。

图1 混合系统结构

结论

本文构造了PMSG单元、EL单元、FC单元及SC单元耦合于直流母线的结构，针对HSY的10种运行模式，提出了契合的能量管理策略，并通过PSCAD/EMTDC中的仿真结果得出了以下结论：

1）本文提出的能量管理策略可以实现HSY 出力可控，上网功率平滑，且直流母线电压稳定。

2）HSY中通过PMSG单元、EL单元、FC单元及SC单元的协调配合，保证了EL与FC运行于大与小功率之间，实现了SC的SOC处于正常范围之内。

3）相比于风机单独并网，HSY在能量管理策略下提高了风能利用率。