摘 要：針對光儲氫微網系統(tǒng)運行時系統(tǒng)內部功率協(xié)調分配、切換平滑度以及電壓穩(wěn)定性等問題，提出一種考慮系統(tǒng)不同需求指令的功率分層協(xié)調運行策略。以提升系統(tǒng)穩(wěn)定性、光氫系統(tǒng)結合度以及平滑運行為目的，搭建光儲氫微網系統(tǒng)仿真模型，一方面，通過分層控制實現系統(tǒng)指令層與被控層之間的協(xié)調運行，并以上網電價為判斷指標，保障系統(tǒng)經濟性運行；另一方面，基于系統(tǒng)運行模式將系統(tǒng)運行工況分為8種，并通過多功率協(xié)調控制策略使得光儲氫微網系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行、工況切換平滑以及母線電壓穩(wěn)定。最后通過仿真驗證所建模型與控制策略的正確性與有效性。

關鍵詞：光伏；氫儲能；微電網；制氫；燃料電池；協(xié)調控制

中圖分類號：TK91 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著光伏裝機容量以及相關技術的不斷提高，構建含光伏的微網系統(tǒng)成為未來發(fā)展的方向［1-2］。同時，氫儲能作為電網友好型、綠色能源受到廣泛關注［3］，光伏與氫儲能構成光儲氫微網系統(tǒng)可同時解決光伏消納和氫儲能應用的難題。光儲氫微網系統(tǒng)包括光伏系統(tǒng)與能量存儲釋放系統(tǒng)（包含氫燃料電池、儲能系統(tǒng)、電解槽與儲氫罐等），由于光伏系統(tǒng)受環(huán)境影響具有波動性與間歇性，其穩(wěn)定運行控制技術以及與氫儲能設備的適配性的研究仍存在諸多問題［4］，如何平衡光伏發(fā)電與氫能應用之間的關系成為解決光儲氫微網系統(tǒng)穩(wěn)定、靈活運行問題的關鍵，因此研究多約束多工況條件下光儲氫微網系統(tǒng)協(xié)調運行方式以及多工況平滑切換控制對光儲氫微網系統(tǒng)靈活應用與推廣具有重要意義。

目前國內外針對光儲氫微網系統(tǒng)相關的控制進行了相應的研究。文獻［5］針對氫電混合儲能微網系統(tǒng)，提出一種考慮荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的指數型下垂控制策略，實現對系統(tǒng)電池SOC 均衡控制，但系統(tǒng)變流器種類過多，工況復雜情況下所提能量管理策略不能使系統(tǒng)穩(wěn)定；文獻［6］對光氫儲直流系統(tǒng)進行分析，提出一種光伏儲能協(xié)調控制策略，實現系統(tǒng)直流制氫穩(wěn)定性，但并未考慮實際系統(tǒng)工作時儲氫罐氫含量與用氫系統(tǒng)之間的狀態(tài)關系對系統(tǒng)的影響；文獻［7］對混合并網發(fā)電系統(tǒng)進行研究，通過超級電容器補償功率，實現系統(tǒng)連續(xù)供電與光照利用，但系統(tǒng)并未考慮并離網切換過程，無法保證系統(tǒng)故障下能否正常運行；文獻［8］將氫儲能與光伏發(fā)電相結合，考慮系統(tǒng)內部各種元素之間的約束條件，提出一種協(xié)調控制策略，但系統(tǒng)并未實現功率的動態(tài)控制，無法達到對系統(tǒng)的實時優(yōu)化控制；文獻［9］提出一種一致性功率協(xié)同控制策略，可實現多變流器一致性功率協(xié)同控制，但系統(tǒng)僅僅證明了穩(wěn)態(tài)層面的可行性，并未研究干擾負荷下的穩(wěn)定性；文獻［10］針對氫電功率不協(xié)調分配問題，提出一種直流微網模糊功率分配方法，降低微網協(xié)調運行的控制難度，提升儲能系統(tǒng)壽命和能源利用率，但并未對氫儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)對系統(tǒng)的影響進行研究。目前對于光儲氫微網系統(tǒng)大都集中于對其穩(wěn)定工況以及儲能系統(tǒng)層面進行研究，未考慮多約束多工況條件下系統(tǒng)多種運行工況及工況平滑切換的控制策略。

綜上，為解決光儲氫微網系統(tǒng)協(xié)調運行及系統(tǒng)內部功率、切換平滑度以及電壓穩(wěn)定性問題，本文提出一種考慮系統(tǒng)不同需求指令的功率分層協(xié)調運行策略，首先在Matlab/Simulink 上搭建光儲氫微網系統(tǒng)中光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電解槽系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)及儲氫罐系統(tǒng)模型，并通過相應變流器集成在同側直流母線上，構成光儲氫微網系統(tǒng)模型；其次，通過分層協(xié)調控制策略，保證光儲氫系統(tǒng)的實時運行穩(wěn)定性，利用上層系統(tǒng)控制模塊采集系統(tǒng)中各設備運行狀態(tài)后計算得到下層控制指令，并將指令傳遞至下層控制器，以確保該系統(tǒng)中的母線電壓和功率波動始終保持在合理范圍內；最后，通過對直流側部分系統(tǒng)的運行方式進行研究，將系統(tǒng)運行工況分為8 種，通過多功率協(xié)調控制策略實現干擾工況下系統(tǒng)多狀態(tài)的平滑切換，并通過仿真測試驗證所搭建模型及控制策略的有效性。

1 光儲氫微網系統(tǒng)模型

1.1 光儲氫微網系統(tǒng)架構

為了實現光儲氫微網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，減少電網側及負載側影響，本文構建光儲氫微網系統(tǒng)模型，如圖1 所示，主要包括光伏系統(tǒng)模型、電化學儲能系統(tǒng)模型、質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解槽模型以及燃料電池模型，通過分層控制與協(xié)調控制來實現系統(tǒng)狀態(tài)切換后的功率平衡與母線電壓穩(wěn)定，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.2 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)由多個獨立光伏組件串聯(lián)或并聯(lián)組成，光伏組件由一個電流源、二極管以及損耗阻抗組成。光伏組件的數學模型［11］為：

式中：Isc——光伏組件短路狀態(tài)的電流，A；C1、C2——光伏系統(tǒng)電壓參數和電流參數；U——光伏組件的輸出電壓，V；Uoc——光伏組件開路狀態(tài)的電壓，V；Imp——光伏組件工作狀態(tài)下最大功率點時刻的電流，A；Ump——光伏組件工作狀態(tài)下最大功率點時刻的電壓，V。

1.3 儲能系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)受環(huán)境影響輸出具有高波動性，在實際工作情況下系統(tǒng)往往通過增加儲能系統(tǒng)來承擔支撐和釋放能量的中間系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)的數學模型［12］為：

式中：Ubat，oc—— 動態(tài)響應側電路兩端開路時的電壓，V；R0——動態(tài)響應側電路內阻，Ω；Uc1、Uc2——電路中串聯(lián)RC電路兩端電壓，V；Ebat，t——t 時刻儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)；Ct——t 時刻儲能系統(tǒng)的電容，F；Ubat，t——t 時刻儲能系統(tǒng)的電壓，V；Pbat，t——t 時刻儲能系統(tǒng)的功率，kW。

1.4 電解槽系統(tǒng)

PEM 電解槽具有電流運行范圍寬、功率調整靈活、啟停速度快等特點［13］，因此非常適合與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)相匹配來克服可再生能源發(fā)電中受環(huán)境影響導致的輸出波動和工作間歇性的問題［14-15］。PEM 電解槽電壓模型為：

式中：Vocv——PEM 電解槽電路熱中性電壓，是PEM 電解水的最小理論電壓，V；Vact——電解水產生的活化過電壓，V；Vohm——PEM 電解槽內阻所產生的歐姆過電壓，V；TW——電解槽溫度，K；R—— 理想氣體常量，J/（mol·K）；pH2、pO2、pH2O——氫氣、氧氣、水氣的壓力，Pa；δ——膜電極的厚度，mm；σ——離子電導率，S/m；ρ——電子材料電阻率，Ω·m；l—— 電子路徑長度，cm；S—— 導體截面積，m2；Vact，an、Vact，ca——陽極、陰極活化過電壓，V；αa、αc——電荷轉移系數；ian0、ica0——陽極、陰極交換電流密度，A。

1.5 燃料電池系統(tǒng)

質子交換膜燃料電池具有啟停響應快、工作溫度低等特點，通過與可再生能源系統(tǒng)相結合消耗氫氣發(fā)電供給能源系統(tǒng)。燃料電池電壓模型［ 16-17］為：

式中：Vnernst——燃料電池能斯特電壓，V；Va——燃料電池活化電壓，V；Vom——燃料電池歐姆電壓，V；Rfc——燃料電池內阻，Ω；Vcon——燃料電池濃差電壓，V；T——燃料電池電解溫度，K；CO2—— 氧氣濃度，mg/m3；i—— 燃料電池電流，A；ilim——燃料電池極限電流，A。

1.6 儲氫系統(tǒng)

儲氫罐儲氫壓強的數學模型［ 18］為：

式中：MH——儲氫罐中儲氫量，mol；vpem，H2——電解槽氫氣流速，mol/s；vfc，H2——燃料電池氫氣流速，mol/s；nH2 （t0 ）——t0 時刻儲氫罐氫氣量，mol；ps——儲氫罐壓強，Pa；Ts——儲氫罐溫度，K；Vs——儲氫罐體積，m3；EH——儲氫罐儲存狀態(tài)，即儲氫罐氫氣狀態(tài)；ps，max——儲氫罐最大壓強，Pa。

2 光儲氫系統(tǒng)協(xié)調控制策略

2.1 光儲氫系統(tǒng)分層控制策略

光儲氫微網系統(tǒng)運行環(huán)境復雜，系統(tǒng)內光伏、氫能以及負荷變化的多樣性使得系統(tǒng)控制更加困難，且電網狀態(tài)故障也會導致系統(tǒng)能量失衡［19-20］，因此本文提出一種分層控制策略，控制結構如圖2 所示，上層通過采集系統(tǒng)各部分功率以及電壓等狀態(tài)做出相應指令，當系統(tǒng)內部電網狀態(tài)穩(wěn)定時，通過經濟評估算得此時電網盈利電價并利用儲能實現削峰填谷，一方面當電價低于盈利電價時，系統(tǒng)由電網供給能量，儲能也進行充電不放電，實現低價充電功能；當電價高于盈利電價時，此時利用電網能量不太劃算，為提高經濟性，整個系統(tǒng)缺額能量均由儲能系統(tǒng)供給，實現系統(tǒng)經濟性提升。下層控制通過對各設備之間功率能量的協(xié)調控制實現系統(tǒng)穩(wěn)定運行，由于各設備之間設備特性不同［21］，因此針對不同系統(tǒng)需采用不同控制，具體控制回路如圖2 所示，由于光伏側易受環(huán)境影響，故需采用最大功率跟蹤控制，采用擾動觀察法實現；而負荷側由于光氫發(fā)電系統(tǒng)波動性需采用穩(wěn)壓穩(wěn)功率控制實現各設備輸出電壓功率穩(wěn)定；而電解槽/燃料電池實際工作電壓低于/高于母線電壓，采用功率電流環(huán)控制Buck/Boost 電路實現穩(wěn)定；儲能系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制實現快速響應。

圖2 中：Ppv 為光伏系統(tǒng)輸出功率，kW；Upv 為光伏系統(tǒng)輸出電壓，V；Ipv 為光伏系統(tǒng)輸出電流，A；Pfc、Pfc，ref 分別為燃料電池輸出功率與額定功率，kW；Ppem、Ppem，ref 分別為電解槽輸出功率與額定功率，kW；Udc，ref 為系統(tǒng)直流側母線電壓，V。

2.2 光儲氫微網系統(tǒng)多功率協(xié)調控制策略

光儲氫微網系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的前提和保障是微網系統(tǒng)運行時內功率能夠保持平衡，針對上層調度模塊，本文充分考慮到系統(tǒng)中各設備間的功率平衡關系，實現保證能夠協(xié)調控制各設備的出力，進而達到系統(tǒng)內功率供需平衡?；诖?，提出一種多功率協(xié)調運行的控制方法，首先基于電價判斷并離網方式，對于功率協(xié)調方式通過分析儲能系統(tǒng)Ebat、儲氫罐EH 及網側功率將微網運行狀態(tài)分為多種運行模式，以此通過控制各單元的變流器實現微網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。圖3為光儲氫微網系統(tǒng)多功率協(xié)調運行流程。

本文定義功率方向：光伏功率Ppv、燃料電池功率Pfc 以產生功率為正；電解槽功率Ppem、電網負荷Pk、儲能系統(tǒng)功率PB 及直流網側功率Pnet 以消耗功率為正；考慮多種約束，定義燃料電池額定功率為Pfc，e；電解槽額定功率為Ppem，e；儲氫罐EH 上下限分別為儲氫罐容量的80% 和20%。功率平衡關系表達式為：

式中：Cnet——系統(tǒng)直流側電容，F；Unet——系統(tǒng)直流側電壓，V；IB——儲能側電流，A；Ifc——燃料電池側電流，A；Iel——電解槽側電流，A；Iload——負荷側電流，A；Pload——負荷功率，kW；Enet——系統(tǒng)直流側電容能量，J。

系統(tǒng)運行模式如下：

1）工況1：PEM 電解槽降功率運行，燃料電池正常工作。當系統(tǒng)光伏功率大于電網負荷功率，儲氫罐容量超過容量上限時，此時系統(tǒng)內功率過剩，儲氫量過量，電解槽降功率運行，為了利用過剩功率，保持儲氫罐容量正常，儲能系統(tǒng)開始工作消耗功率，燃料電池正常工作消耗氫氣。即：

2）工況2：PEM 電解槽正常工作，燃料電池正常工作。當系統(tǒng)光伏功率大于電網負荷功率，儲氫罐容量處于正常范圍時，此時系統(tǒng)內功率過剩，為了利用過剩功率，保持儲氫罐容量正常，電解槽正常工作，儲能系統(tǒng)開始工作消耗功率，燃料電池正常工作。即：

3）工況3：PEM 電解槽正常工作，燃料電池停機。當系統(tǒng)光伏功率大于電網負荷功率，儲氫罐容量低于容量下限時，此時系統(tǒng)內功率過剩，且剩余功率大于電解槽額定功率，為了利用過剩功率，保證儲氫罐容量正常，電解槽正常工作產生氫氣，儲能電池開始工作消耗過剩功率，燃料電池停機。即：

4）工況4：PEM 電解槽正常工作，燃料電池停機。當系統(tǒng)光伏功率大于電網負荷功率，儲氫罐容量低于容量下限時，此時系統(tǒng)內功率過剩，且剩余功率小于電解槽額定功率，為了利用過剩功率，保證儲氫罐容量正常，電解槽正常工作產生氫氣，儲能電池開始工作消耗過剩功率，燃料電池停機。即：

5）工況5：PEM 電解槽降功率運行，燃料電池正常工作。當系統(tǒng)光伏功率小于電網負荷功率，儲氫罐容量超過容量上限時，此時系統(tǒng)內功率出現缺口，且缺口功率大于燃料電池額定功率，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定及儲氫罐容量正常，電解槽降功率運行，儲能電池開始工作平衡系統(tǒng)功率，燃料電池正常工作消耗氫氣。即：

6）工況6：PEM 電解槽降功率運行，燃料電池正常工作。當系統(tǒng)光伏功率小于電網負荷功率，儲氫罐容量超過容量上限時，此時系統(tǒng)內功率出現缺口，且缺口功率小于燃料電池額定功率，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定及儲氫罐容量正常，電解槽降功率運行，儲能電池開始工作消耗系統(tǒng)功率，燃料電池正常工作消耗氫氣。即：

7）工況7：PEM 電解槽停機，燃料電池停機。當系統(tǒng)光伏功率小于電網負荷功率，儲氫罐容量低于容量下限時，此時系統(tǒng)內功率出現缺口，且儲氫罐容量較低，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定及儲氫罐容量正常，電解槽開始工作保證儲氫罐容量正常，儲能電池開始工作平衡系統(tǒng)功率，燃料電池停機。即：

8）工況8：PEM 電解槽正常工作，燃料電池正常工作。當系統(tǒng)光伏功率小于電網負荷功率，儲氫罐容量處于正常范圍時，此時系統(tǒng)內功率出現缺口，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定及儲氫罐容量保持正常，電解槽開始工作保證儲氫容量正常，儲能電池開始工作平衡系統(tǒng)功率，燃料電池正常工作。即：

在系統(tǒng)運行過程中，當系統(tǒng)發(fā)生故障或運行狀態(tài)改變時，各工況可進行相互轉換，即滿足一定條件時，微網系統(tǒng)可通過多功率協(xié)調控制方式進行工況調整以選擇適合當前狀態(tài)工況模式，各工況之間的關系如圖4 所示。

由圖4 可看出，各工況之間轉化標準由EH、網側功率值、氫儲能功率值三者狀態(tài)決定，當系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生改變，例如EH 過高時，網側能量與差值不變，系統(tǒng)會優(yōu)先進行燃料電池用氫，電解槽會減載運行，系統(tǒng)由工況6 轉換為工況8，此時儲能將吸收更多的能量，若網側能量剩余過多則優(yōu)先制氫和負荷，若還有剩余則給儲能充電消納，由于系統(tǒng)狀態(tài)多樣性，基于不同工況提出多功率協(xié)同控制策略，實現系統(tǒng)間工況模式的相互轉換，并以制氫用氫為目標對象，研究系統(tǒng)在不同指標下的運行狀態(tài)。

3 仿真驗證

3.1 光儲氫系統(tǒng)分層控制策略仿真驗證

光儲氫微網系統(tǒng)有并網和孤島兩種運行模式。在光儲氫微網系統(tǒng)并網運行時，系統(tǒng)經過公共連接點通過變流器與配電網相連。而當配電網發(fā)生故障時，光儲氫微網系統(tǒng)與配電網快速斷開，負荷由微網系統(tǒng)中的可再生能源系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)供給，為驗證基于系統(tǒng)分層控制中由于電價變化下系統(tǒng)分層控制策略對光儲氫微網系統(tǒng)的影響，在Matlab/Simulink 中搭建系統(tǒng)模型，設置光伏系統(tǒng)串聯(lián)35 組并聯(lián)19 組，功率約15 kW，儲能系統(tǒng)功率60 kW，燃料電池系統(tǒng)功率約10 kW，PEM 電解槽制氫系統(tǒng)功率約15 kW，額定負載10 kW，仿真主要參數如表1 所示。系統(tǒng)設定初始狀態(tài)下僅光伏、負荷與儲能正常工作，母線電壓為480 V，1 s時啟動電解槽，初始狀態(tài)儲氫罐內氫含量為10%，5 s 時加入10 kW 負載，盈利電價為0.5 元/kWh［22］，當電價高時由儲能支撐微電網離網運行，當電價低時電網出力運行。電價曲線及仿真結果如圖5 所示。

由圖5 可看出，當電價過低時儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，電價過高時，系統(tǒng)離網運行，此時儲能系統(tǒng)開始工作。在1 s時氫儲能系統(tǒng)開始工作，此時電價過低，約為0.2 元/kWh，系統(tǒng)對儲能進行充電；在約2 s 時，儲氫罐容量達到20%，燃料電池進行工作，由于并網運行，儲能穩(wěn)定進行充電；在5 s 時接入10 kW 負載后，此時電價較高，約為0.9 元/kWh，系統(tǒng)離網運行，儲能立即出力供電，系統(tǒng)電壓在波動后迅速恢復穩(wěn)定；在6 s 時電價降低，儲能停止工作系統(tǒng)并網運行，系統(tǒng)電壓及功率波動后迅速保持穩(wěn)定；在7 s 時電價升高，儲能開始工作系統(tǒng)離網運行；在10 s 時電價升高，儲能停止工作系統(tǒng)并網運行，系統(tǒng)變換過程切換平滑，幅值穩(wěn)定，整個過程中儲氫罐持續(xù)存氫，氫儲能系統(tǒng)保持正常工作，儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)在電價的變化下靈活變換，驗證了分層協(xié)調控制策略的有效性、系統(tǒng)經濟性及協(xié)調性。

3.2 光儲氫系統(tǒng)多功率協(xié)調控制策略仿真驗證

為驗證光儲氫微網系統(tǒng)多功率協(xié)調控制策略的有效性，在無任何干擾的狀態(tài)下，仿真設定光伏系統(tǒng)功率15 kW，負載功率15 kW，電解槽功率15 kW，燃料電池功率12 kW，母線電壓480 V，儲氫罐初始狀態(tài)為0，在2 s 時啟動電解槽，仿真結果如圖6 所示。

由圖6 可看出，在初始狀態(tài)下光伏系統(tǒng)輸出15 kW 滿足負載15 kW 的需求，因此儲能系統(tǒng)不出力補充缺額功率，在2 s 時啟動電解槽，儲能系統(tǒng)立即出力并輸出15 kW 供電解槽啟動消耗，在儲氫罐EH 到達20% 后燃料電池開始啟動運行，因此儲氫罐EH 曲線斜率出現明顯的下降，但仍保持進氣量大于出氣量，儲能系統(tǒng)也立即降功率平衡系統(tǒng)，整個過程中系統(tǒng)電壓在波動后馬上恢復穩(wěn)定至480 V，驗證了多功率協(xié)調控制策略的有效性。

為驗證上文提出的多工況運行切換方式，首先以制氫為首要目的，設置儲氫罐容量較低，需要電解槽工作來補充儲氫罐容量，設定此時電解槽功率15 kW，燃料電池功率10 kW，初始負載10 kW，母線電壓480 V，當容量正常時燃料電池開始工作進行離網用電補償，在6 s 時加入5 kW 負載擾動，在10 s 時加入10 kW 負載擾動，對工況進行切換進程判斷，驗證工況切換靈活性及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，仿真結果如圖7所示。

由圖7 可看出，在初始狀態(tài)下光伏系統(tǒng)出力15 kW 大于負載10 kW，且儲氫罐EH 為0，網側剩余功率5 kW 小于電解槽額定功率15 kW，此時系統(tǒng)運行在工況4 條件下，在約3.5 s 儲氫罐EH 超過20% 后，燃料電池以額定功率10 kW 開始運行，儲能系統(tǒng)為了維持平衡不出力，此時系統(tǒng)由工況4轉換變?yōu)楣r2，在6 s 時突加5 kW 負載擾動，此時網側功率小于0，且電解槽EH 處于正常范圍，因此儲能出力5 kW 維持系統(tǒng)功率平衡，系統(tǒng)由工況2 轉換變?yōu)楣r8，在10 s 時再次加入大負載擾動，儲能迅速出力10 kW 穩(wěn)定系統(tǒng)運行，在約14 s 時儲氫罐EH 到達80%，此時電解槽需要降功率運行，電解槽降低5 kW 功率保證制用氫平衡，此時網側功率大于燃料電池輸出，系統(tǒng)由工況8 轉換變?yōu)楣r5，以保證此時儲氫罐進氣量與出氣量保持平衡，儲氫罐EH 穩(wěn)定為80%，儲能系統(tǒng)降低5 kW 功率保證系統(tǒng)能量平衡，在整個切換過程中系統(tǒng)都能在不同工況下平滑切換且母線電壓在短暫波動后恢復穩(wěn)定至480 V，且產氫量變化穩(wěn)定，驗證了系統(tǒng)多工況平滑切換策略的有效性。

以用氫為首要目的，設置儲氫罐容量較高，因此需要燃料電池工作來消耗儲氫罐氫氣量，設定電解槽功率15 kW，燃料電池功率15 kW，負載15 kW，母線電壓480 V，當容量正常時電解槽開始工作進行用氫補償，在6 s 時加入5 kW 負載擾動，在10 s 時加入10 kW 負載擾動，對工況進行切換進程及系統(tǒng)抗干擾性判斷，仿真結果如圖8 所示。

由圖8 可看出，在初始狀態(tài)下儲氫罐容量過高，燃料電池以15 kW 功率立即出力耗氫，此時網側功率小于0，當網側需求功率低于燃料電池發(fā)電功率時，對儲能系統(tǒng)進行充電，此時系統(tǒng)運行在工況6 條件下，在約1 s 儲氫罐EH 下降到80% 后，電解槽開始啟動工作，為了維持系統(tǒng)平衡儲能系統(tǒng)減少充電功率，此時系統(tǒng)需求功率仍小于發(fā)電系統(tǒng)綜合輸出功率，系統(tǒng)由工況6 轉換變?yōu)楣r8，儲氫罐耗氫曲線變得平緩了一些，在6 s 時突加5 kW 負載擾動，此時網側需求功率為0，且電解槽EH 處于正常范圍，儲能系統(tǒng)輸出功率降低5 kW，系統(tǒng)母線電壓波動后迅速恢復穩(wěn)定，儲氫罐EH 曲線平滑未受影響；在10 s 時突加10 kW 負載再次擾動，此時網側需求功率大于0，因此儲能系統(tǒng)轉變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，儲能系統(tǒng)輸出功率增大10 kW，系統(tǒng)母線電壓波動后迅速恢復穩(wěn)定，儲氫罐EH 曲線平滑未受影響，系統(tǒng)內功率仍保持正常運行，且整個過程中母線電壓在短暫波動后仍保持穩(wěn)定至480 V，耗氫量保持穩(wěn)定。驗證了系統(tǒng)在耗氫工況下穩(wěn)定切換的可行性。

4 結 論

本文提出一種考慮系統(tǒng)不同需求指令的功率分層協(xié)調運行策略，根據數學模型在Matlab/ Simulink 上搭建了光儲氫微網系統(tǒng)模型。首先針對系統(tǒng)各元素的電氣特性差異較大且種類較多的問題，通過分層協(xié)調控制實現了系統(tǒng)在不同上層指令情況下控制多變流器穩(wěn)定運行，達到系統(tǒng)狀態(tài)平滑切換及提升經濟性的目的，由仿真運行結果可知，在電價不斷變換時，系統(tǒng)通過接受上層指令不斷切換并離網狀態(tài)，對儲能系統(tǒng)工作情況進行狀態(tài)切換，系統(tǒng)母線電壓能一直穩(wěn)定在480 V，且其他元件不受影響，通過仿真驗證了控制策略的有效性，能夠提升系統(tǒng)經濟性。其次通過對光儲氫微網系統(tǒng)運行工況進行分析，在穩(wěn)定母線電壓、儲氫罐狀態(tài)及內功率平衡條件下提出一種多功率協(xié)調控制策略，通過不同工況的切換，對各系統(tǒng)加以不同工作指令，使得系統(tǒng)能夠在不同工況下穩(wěn)定運行。最后設置不同狀態(tài)下的設備運行條件，模擬系統(tǒng)多模式運行工況，由仿真分析可知，在控制策略的作用下，系統(tǒng)能夠在不同工況下平滑切換，各系統(tǒng)出力及時，且在受到干擾后系統(tǒng)母線電壓穩(wěn)定至480 V，驗證了所建模型及控制策略的有效性，為未來光儲氫微網系統(tǒng)協(xié)調運行提供指導。

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