摘 要：構(gòu)建光伏陣列與混合電解槽耦合于交流母線的制氫系統(tǒng)。為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境變化下的能效，采用基于自適應(yīng)步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)式的最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)，光伏直流側(cè)利用超級(jí)電容的快速響應(yīng)和電荷平滑的特性穩(wěn)定母線電壓，網(wǎng)側(cè)變流器采用虛擬同步機(jī)控制策略，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)電網(wǎng)變化需求，提供電網(wǎng)慣性和頻率支撐，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性；并針對(duì)傳統(tǒng)單一電解槽制氫系統(tǒng)在固定工作模式下面臨的能源浪費(fèi)、適應(yīng)性不足等問(wèn)題，結(jié)合堿性電解槽和質(zhì)子交換膜電解槽的優(yōu)勢(shì)，引入一種電解槽自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)光伏輸出功率和電解槽的狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整工作模式，使系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下保持較高的靈活性和穩(wěn)定性。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證所搭建模型與控制策略的正確性與有效性。

關(guān)鍵詞：光伏；制氫；最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)；自適應(yīng)控制系統(tǒng)；虛擬同步機(jī)；混合電解槽

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

太陽(yáng)能是全球范圍內(nèi)分布相對(duì)均勻且廣泛應(yīng)用的清潔能源之一，氫能作為一種清潔高效的能源形式，將其引入能源轉(zhuǎn)型中有助于推動(dòng)碳中和、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展［1］。隨著對(duì)清潔能源和綠色氫氣的需求增加，太陽(yáng)能制氫技術(shù)在能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)中扮演著重要角色，其不僅最大程度地綜合利用太陽(yáng)能，還有助于提高能源系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性和可持續(xù)性，這種結(jié)合是在能源領(lǐng)域邁向更加環(huán)保和創(chuàng)新的重要一步［2-4］。與傳統(tǒng)同步電機(jī)相比，新能源通過(guò)電力電子換流器并網(wǎng)存在低慣量、弱阻尼的特點(diǎn)，難以主動(dòng)為電網(wǎng)提供頻率與電壓支撐，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［5］。針對(duì)以上問(wèn)題，虛擬同步機(jī)（virtual synchronous generator，VSG）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生［6］。VSG通過(guò)模擬同步電機(jī)的機(jī)械與電磁特性以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)等效慣量和阻尼提升，在新能源發(fā)電并網(wǎng)領(lǐng)域備受關(guān)注［7］。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)光伏制氫系統(tǒng)相關(guān)的控制進(jìn)行了相應(yīng)的研究。文獻(xiàn)［8］構(gòu)建了考慮多變量因素影響的光伏制氫系統(tǒng)模型，但未充分考慮輻照度變化對(duì)系統(tǒng)能量平衡的影響；文獻(xiàn)［9］在光伏儲(chǔ)氫系統(tǒng)中加入儲(chǔ)能系統(tǒng)平衡母線電流來(lái)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制氫；文獻(xiàn)［10］建立了光伏制氫直接耦合系統(tǒng)模型，針對(duì)在波動(dòng)工況下靈活性差等問(wèn)題，提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)了光伏最優(yōu)消納，但直接耦合光伏制氫系統(tǒng)建模較為復(fù)雜，且系統(tǒng)效率較低，不適于大規(guī)模應(yīng)用；文獻(xiàn)［11］構(gòu)建了一種基于中壓直流結(jié)構(gòu)的風(fēng)光儲(chǔ)能混合制氫系統(tǒng)，并針對(duì)瞬態(tài)功率調(diào)節(jié)提出并實(shí)現(xiàn)一種具有有功功率跟隨荷電狀態(tài)恢復(fù)能力的分散協(xié)調(diào)控制能量管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)［12］針對(duì)傳統(tǒng)控制策略下新能源制氫系統(tǒng)缺乏慣量響應(yīng)特性，難以主動(dòng)參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性差等問(wèn)題，提出基于VSG 的新能源制氫系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，充分發(fā)揮了電解槽調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)具備慣量與一次調(diào)頻響應(yīng)特性，頻率穩(wěn)定性增強(qiáng)；文獻(xiàn)［13］提出一種VSG 多模式協(xié)調(diào)策略，可靈活調(diào)控不平衡電網(wǎng)下VSG 輸出電流質(zhì)量與功率紋波，但無(wú)法快速響應(yīng)頻率動(dòng)態(tài)變化，電網(wǎng)遭受擾動(dòng)后不能自動(dòng)提供功率和頻率支撐；文獻(xiàn)［14］提出一種基于VSG 的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略，在降低儲(chǔ)能系統(tǒng)容量需求的同時(shí)充分發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組短時(shí)功率支撐作用，實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

綜合考慮上述文獻(xiàn)的思路方法和理論依據(jù)，本文采用混合電解槽制氫，并提出一種自適應(yīng)電解槽控制策略，根據(jù)光伏輸出功率的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整電解槽的運(yùn)行，減少能源的浪費(fèi)并增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性；針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境突變時(shí)出現(xiàn)的功率波動(dòng)問(wèn)題，光伏機(jī)側(cè)引入自適應(yīng)步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)式（adaptive step perturb and observe，ASPamp;O）的光伏最大功率點(diǎn)追蹤（maximum power point tracking，MPPT）算法，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電質(zhì)量；光伏網(wǎng)側(cè)變流器采用VSG 控制策略，為電網(wǎng)提供慣性和頻率支撐。在Matlab/Simulink 平臺(tái)上構(gòu)建光伏制綠氫系統(tǒng)模型，通過(guò)改變輻照度以引起光伏輸出功率的變化，從而觀察系統(tǒng)電解槽的自適應(yīng)運(yùn)行情況和光伏VSG輸出功率和頻率的變化，通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證所搭建模型及控制策略的正確性和有效性。

1 光伏制綠氫系統(tǒng)模型構(gòu)建

光伏制綠氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中光伏陣列與超級(jí)電容通過(guò)DC-DC 變流器與直流母線相連，再與堿性電解槽、PEM 電解槽通過(guò)逆變器耦合于交流母線。系統(tǒng)根據(jù)光伏輸出功率和電解槽的狀態(tài)通過(guò)自適應(yīng)電解槽控制策略實(shí)時(shí)調(diào)整工作模式，從而實(shí)現(xiàn)高效制氫，使光伏制綠氫系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下保持較高的靈活性和穩(wěn)定性。

1.1 光伏陣列模型

式中：Rsh——太陽(yáng)電池并聯(lián)電阻，Ω。

1.2 超級(jí)電容模型

本文利用超級(jí)電容快速響應(yīng)和電荷平滑的特性，作為電源電壓緩沖器，通過(guò)迅速調(diào)整電荷狀態(tài)來(lái)有效抑制光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出直流電壓的瞬時(shí)波動(dòng)，確保直流母線電壓保持在可接受的范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。超級(jí)電容工作過(guò)程中端電壓USC 為：

式中：ISC——超級(jí)電容工作電流，A；RSC——超級(jí)電容等值電阻，Ω；C——超級(jí)電容等值電容，F(xiàn)。

1.3 混合電解槽模型

混合電解槽制氫技術(shù)融合了堿性電解槽和PEM 電解槽，利用堿性電解槽的低成本和高穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)合PEM 電解槽的快速響應(yīng)和低功率需求，根據(jù)具體的操作條件和需求進(jìn)行靈活組合，在不同環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高效制氫并提高能源利用的靈活性。

1.3.1 PEM 電解槽模型

PEM 電解槽作為一種水電解設(shè)備，在氫能源生產(chǎn)方面具有重要應(yīng)用。PEM 電解槽具有啟停時(shí)間短、低溫操作、產(chǎn)氫純度高等優(yōu)點(diǎn)［16］。PEM 電解槽電壓模型由可逆電壓、活化過(guò)電壓、質(zhì)量傳輸過(guò)電壓、歐姆過(guò)電壓4 部分構(gòu)成，即：

V =Vrev +Vact +Vmass +Vohm （5）

其中，可逆電壓Vrev 為：

式中：λm——膜含水量，%。

PEM 電解槽的效率為：

ηpem = E0／Vpem（11）

式中：Vpem——電解槽實(shí)際電壓，V。

1.3.2 堿性電解槽模型

堿性電解槽是一種電化學(xué)設(shè)備，在堿性電解液中進(jìn)行電解反應(yīng)，常用于水電解產(chǎn)氫。堿性電解槽具有產(chǎn)氫效率高、成本低、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

堿性電解槽的電壓方程［17］為：

式中：N——單電池串聯(lián)模塊數(shù)量；Ucell——電解槽單電池電壓，V；Urev——內(nèi)部可逆開(kāi)路電壓，V；T——電解槽溫度，K；Acell——電極面積，m2；r1、r2——電解液歐姆電阻參數(shù)，Ω；s1、s2、s3—— 電極過(guò)電壓系數(shù)，V；t1、t2、t3—— 電解液過(guò)電壓系數(shù)，V。

堿性電解槽的產(chǎn)氫量為：

式中：z——?dú)怏w壓縮系數(shù)；ηF——法拉第效率； a1、a2、a3、a4、a5——法拉第效率系數(shù)。

2 光伏制綠氫系統(tǒng)控制策略

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略

如圖1 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、DC-DC 變流器、DC-AC 變流器等組成，其中光伏DC-DC 變流器采用MPPT控制，并網(wǎng)DC-AC 變流器則采用功率外環(huán)、電壓-電流內(nèi)環(huán)的VSG 控制策略。

2.1.1 光伏機(jī)側(cè)變流器控制

光伏MPPT 可確保光伏發(fā)電系統(tǒng)始終在最大功率點(diǎn)上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)最高的能量轉(zhuǎn)換效率。常用的光伏MPPT 有電導(dǎo)增量法、開(kāi)路電壓法、短路電流法和擾動(dòng)觀測(cè)法（perturband observe，Pamp;O）。電導(dǎo)增量法雖然在光照變化快速時(shí)表現(xiàn)較好，較為精準(zhǔn)，但其復(fù)雜性較高，需進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算；開(kāi)路電壓法和短路電流法無(wú)需對(duì)電流、電壓進(jìn)行擾動(dòng)，但適用的范圍受限，且對(duì)溫度變化敏感；擾動(dòng)觀察法采用了不斷接近最大功率點(diǎn)的方法，簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)硬件要求低，且隨著外部環(huán)境變化可對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率進(jìn)行有效跟蹤。

本文提出自適應(yīng)步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)式的光伏MPPT，該算法周期性地微調(diào)光伏陣列的工作點(diǎn)，通過(guò)觀察并比較功率和電壓的變化，以動(dòng)態(tài)方式調(diào)整擾動(dòng)步長(zhǎng)和步長(zhǎng)，從而有效達(dá)到光伏的最大功率點(diǎn)。調(diào)整方式如下：系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)功率變化的程度，判斷當(dāng)前工作點(diǎn)相對(duì)于最大功率點(diǎn)的偏離程度。當(dāng)功率變化較為顯著時(shí)，系統(tǒng)會(huì)逐步增大擾動(dòng)步長(zhǎng)和步長(zhǎng)，以迅速接近最大功率點(diǎn)；反之，當(dāng)功率變化較小時(shí)，系統(tǒng)則逐步減小擾動(dòng)步長(zhǎng)和步長(zhǎng)，以確保在搜索過(guò)程中維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和避免振蕩。此自適應(yīng)策略有效地應(yīng)對(duì)光照條件的變化，避免了在環(huán)境變化劇烈時(shí)可能出現(xiàn)的搜索困難和系統(tǒng)振蕩問(wèn)題。光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖如圖2 所示，其中MPPT 控制模塊采用ASPamp;O。

2.1.2 光伏網(wǎng)側(cè)變流器控制

光伏網(wǎng)側(cè)變流器采用VSG 控制，可為電網(wǎng)提供慣性和頻率支撐，從而改善電網(wǎng)穩(wěn)定性，降低功率波動(dòng)。此外，VSG 能夠使變流器快速響應(yīng)電網(wǎng)的需求變化，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。

VSG 控制策略由有功環(huán)、無(wú)功環(huán)及電壓-電流雙閉環(huán)構(gòu)成，其控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的慣量支撐，引入轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程：

式中：J—— 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Tm——機(jī)械轉(zhuǎn)矩，N·m；Te——電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；D—— 阻尼系數(shù)；Pm—— 機(jī)械功率，W；Pe—— 電磁功率，W；ω—— 轉(zhuǎn)子角頻率，rad/s；δ—— 電壓相位，rad；ωn——電網(wǎng)額定角頻率，rad/s。

為實(shí)現(xiàn)輸出無(wú)功功率控制，模擬同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓功能，采用式（15）表示。

Qref -Qe +Kq（Un -U0 ）=K（ dE／dt ）（15）

式中：Qref—— 無(wú)功設(shè)定值，var；Qe—— 無(wú)功輸出值，var；Kq——無(wú)功下垂系數(shù)；Un——端電壓額定峰值，V；U0——端電壓實(shí)際峰值，V；K——無(wú)功調(diào)節(jié)系數(shù)；E——網(wǎng)側(cè)逆變器橋臂電勢(shì)峰值，V。

2.2 超級(jí)電容控制策略

光伏陣列作為系統(tǒng)唯一源，光伏出力的波動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致光伏輸出電壓不穩(wěn)定，本文利用超級(jí)電容來(lái)穩(wěn)定光伏輸出的直流母線電壓。

如圖1 所示，超級(jí)電容通過(guò)雙向DC-DC 變流器與直流母線連接，本文超級(jí)電容的作用是在系統(tǒng)工作中維持直流母線電壓恒定，因此DC-DC 變流器采用恒壓控制。雙向DC-DC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制框圖如圖3 所示，雙向DC-DC 變流器采用雙閉環(huán)控制策略，其中Udcref、Iscref 分別為直流母線電壓和超級(jí)電容電感電流的參考值，Udc、Isc 分別為直流母線電壓和超級(jí)電容電感電流的實(shí)際值，所得開(kāi)關(guān)控制信號(hào)Dsc1、Dsc2分別傳輸?shù)絊1 和S2 實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容的控制。

2.3 電解槽控制策略

2.3.1 電解槽直流變流器控制

圖1 所示堿性電解槽和PEM 電解槽的DC-DC 變流器均采用電流控制，利用電解槽的參考輸出功率Pelref 與電解槽端電壓Uel 相除，產(chǎn)生電流參考值Ielref，Ielref 與實(shí)時(shí)測(cè)量值Iel 作差后經(jīng)PWM 生成器產(chǎn)生脈沖信號(hào)Del 作用于開(kāi)關(guān)管，控制框圖如圖4 所示。

2.3.2 電解槽網(wǎng)側(cè)變流器控制

圖1 所示堿性電解槽與PEM 電解槽的并網(wǎng)DC-AC 變流器均采用電壓-電流雙閉環(huán)控制。通過(guò)電壓外環(huán)的控制，電流內(nèi)環(huán)會(huì)對(duì)輸出電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)精確的電能轉(zhuǎn)換。雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)能同時(shí)考慮電壓和電流的穩(wěn)定性，從而在不同的工作條件下確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3.3 自適應(yīng)電解槽策略

在混合電解槽系統(tǒng)制氫的過(guò)程中，這兩種電解槽能夠根據(jù)具體的環(huán)境和需求進(jìn)行靈活組合，以優(yōu)化整個(gè)制氫過(guò)程。通過(guò)充分利用堿性電解槽的低成本和高穩(wěn)定性，同時(shí)結(jié)合PEM 電解槽的快速響應(yīng)和低電能需求，可提高系統(tǒng)的電解效率。

自適應(yīng)電解槽通過(guò)以下方式來(lái)協(xié)調(diào)：當(dāng)光伏輸出功率未能滿足堿性電解槽的額定功率時(shí)，PEM 電解槽由于其低電能需求成為首選的制氫選擇，此時(shí)僅用PEM 電解槽進(jìn)行制氫，而當(dāng)光伏輸出功率足夠支持堿性電解槽時(shí)，由于堿性電解槽具備高穩(wěn)定性，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的制氫過(guò)程，在制氫過(guò)程中若光伏輸出功率受到環(huán)境影響而波動(dòng)時(shí)，此時(shí)PEM 電解槽可以其低電能需求和迅速啟停的特性用以承受光伏波動(dòng)功率。這種自適應(yīng)電解槽策略使系統(tǒng)能夠在不同工況下實(shí)現(xiàn)更高的制氫性能。這種協(xié)作方式允許PEM 電解槽和堿性電解槽在系統(tǒng)中協(xié)同運(yùn)行，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)更高效和靈活的水電解過(guò)程。通過(guò)這種靈活的調(diào)配，系統(tǒng)可以優(yōu)化電能轉(zhuǎn)換，確保在不同光照條件下均能高效制氫，從而提升整個(gè)能源系統(tǒng)的可持續(xù)性和效率。自適應(yīng)電解槽控制流程如圖5 所示。

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)中搭建光伏制綠氫系統(tǒng)，首先采用2 MW 的光伏陣列對(duì)3 種不同MPPT 控制下的輸出功率進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證所提ASPamp;O 的有效性；其次在兩種不同場(chǎng)景下對(duì)光伏制綠氫系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證自適應(yīng)電解槽控制策略的靈活性和有效性。光伏制綠氫系統(tǒng)各單元參數(shù)如表1 所示。

3.1 光伏MPPT仿真分析

仿真時(shí)長(zhǎng)2.4 s，環(huán)境溫度恒為25 ℃，所提ASPamp;O、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法（Pamp;O）以及變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法（variable stepperturb and observe，VSPamp;O）3 種MPPT 控制下光伏陣列輸出功率曲線如圖6 所示。

由圖6 可看出，ASPamp;O 和VSPamp;O 的追蹤效果相較于傳統(tǒng)Pamp;O 有明顯的優(yōu)勢(shì)，ASPamp;O 的發(fā)電質(zhì)量相比Pamp;O 提升了14.65%；進(jìn)一步對(duì)比ASPamp;O 和VSPamp;O 的輸出功率曲線，在0.0～0.4 s 和1.6～2.0 s 內(nèi)輻照度發(fā)生突變時(shí)，可明顯看出ASPamp;O 的追蹤效果優(yōu)于VSPamp;O，ASPamp;O 的發(fā)電質(zhì)量相比VSPamp;O 提升了0.94%。可見(jiàn)，當(dāng)輻照度發(fā)生突變時(shí)，ASPamp;O能夠在短時(shí)間內(nèi)快速追蹤到最大功率點(diǎn)并保持穩(wěn)定，驗(yàn)證了本文所提光伏MPPT 的有效性。

3.2 光伏制綠氫系統(tǒng)仿真分析

為驗(yàn)證本文所提自適應(yīng)電解槽控制策略的有效性及光伏發(fā)電系統(tǒng)利用VSG 控制策略并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，在兩種不同場(chǎng)景下對(duì)光伏制綠氫系統(tǒng)進(jìn)行仿真測(cè)試。

場(chǎng)景1 光伏制綠氫系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7 所示。在0.0～0.8 s 內(nèi)，光伏輸出功率迅速達(dá)到4.2 MW 后保持穩(wěn)定，系統(tǒng)的4 臺(tái)PEM 電解槽依次運(yùn)行，堿性電解槽不運(yùn)行；在0.8～1.6 s內(nèi)，光伏輸出功率隨著輻照度逐漸增至8.2 MW 后保持穩(wěn)定，輸出功率足以運(yùn)行1 臺(tái)堿性電解槽，此時(shí)1 臺(tái)堿性電解槽開(kāi)始工作，剩余功率用來(lái)運(yùn)行3 臺(tái)PEM 電解槽；在1.6～2.4 s內(nèi)，光伏輸出功率逐漸增至12.1 MW 后保持穩(wěn)定，光伏輸出功率足以同時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)的全部堿性電解槽，此時(shí)第2 臺(tái)堿性電解槽也啟動(dòng)，剩余功率用來(lái)運(yùn)行2 臺(tái)PEM 電解槽。

圖8 為場(chǎng)景1 中光伏VSG 輸出有功與無(wú)功功率、頻率及三相電壓、電流的變化曲線。由圖8 可看到，隨著光伏輸出功率的增大，系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率能夠快速跟隨光伏功率的變化，以滿足電網(wǎng)的需求；當(dāng)光伏輸出功率發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)短暫波動(dòng)但迅速恢復(fù)，以保持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

場(chǎng)景2 中光伏制綠氫系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖9 所示。在0.0～0.8 s 內(nèi)，光伏輸出功率增至16 MW 后保持穩(wěn)定，系統(tǒng)的全部電解槽依次開(kāi)始運(yùn)行；在0.8～1.6 s 內(nèi)，輻照度下降，光伏輸出功率逐漸減至8.2 MW 后保持穩(wěn)定，由于光伏輸出功率減小，系統(tǒng)自適應(yīng)切換電解槽運(yùn)行數(shù)量，此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行2 臺(tái)堿性電解槽和3 臺(tái)PEM 電解槽；在1.6～2.4 s 內(nèi)，光伏輸出功率繼續(xù)減至5.1 MW 后保持穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)僅可啟動(dòng)1 臺(tái)堿性電解槽，PEM 電解槽停止運(yùn)行。

圖10 為場(chǎng)景2 中光伏VSG 輸出有功與無(wú)功功率、頻率及三相電壓、電流的變化曲線。由圖10 可看到，當(dāng)光伏輸出功率減小時(shí)，系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率能夠迅速跟隨光伏輸出功率的變化，保持電力系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的平衡；當(dāng)光伏輸出功率發(fā)生變化時(shí)，VSG 能夠迅速響應(yīng)并調(diào)整其發(fā)電模式，以保持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，有助于維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性并確保電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

分析兩種不同場(chǎng)景下系統(tǒng)的仿真結(jié)果得出，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨輻照度不斷變化的同時(shí)，自適應(yīng)電解槽控制策略能夠合理地分配光伏輸出功率給系統(tǒng)的電解槽，使系統(tǒng)在不同環(huán)境下選擇運(yùn)行合適的電解槽數(shù)量，從而最大限度地利用光伏輸出功率。當(dāng)光伏輸出功率發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的有功功率和無(wú)功功率可迅速跟隨光伏功率的變化而變化，以滿足電網(wǎng)的需求，這種靈活的控制能力使得VSG 系統(tǒng)可更好地維持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并確保電力系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)能夠在光伏功率變化時(shí)保持平衡；當(dāng)光伏輸出功率發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)頻率出現(xiàn)短暫波動(dòng)并快速恢復(fù)，以保持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，VSG這種快速響應(yīng)的能力有助于保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性并確保電力系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文采用堿性電解槽與PEM 電解槽結(jié)合的混合電解槽進(jìn)行光伏制氫，搭建了光伏陣列、超級(jí)電容、堿性電解槽、PEM電解槽的光伏制綠氫系統(tǒng)，提出自適應(yīng)步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)式的MPPT 及自適應(yīng)電解槽控制策略；光伏網(wǎng)側(cè)變流器采用VSG控制策略。通過(guò)仿真分析得到以下結(jié)論：

1）的發(fā)電質(zhì)量所提方法比傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法提升了14.65%，比變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法提升了0.94%。

2）引入了自適應(yīng)電解槽控制策略，其高效的調(diào)節(jié)能力使其能夠根據(jù)實(shí)際工作條件自動(dòng)調(diào)整電解槽運(yùn)行狀態(tài)，使系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化，減少能源的浪費(fèi)，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。

3）光伏發(fā)電系統(tǒng)利用VSG 控制策略并網(wǎng)運(yùn)行，可增強(qiáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使其更容易與電網(wǎng)同步，提供必要的頻率和電壓支持，還可使光伏發(fā)電系統(tǒng)更快地響應(yīng)電網(wǎng)變化，從而有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率和電壓的波動(dòng)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 黃雨涵， 丁濤， 李雨婷， 等. 碳中和背景下能源低碳化技術(shù)綜述及對(duì)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的啟示［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2021， 41（S1）： 28-51.

HUANG Y H， DING T， LI Y T， et al. Summary of energylow-carbon technology under the background of carbonneutrality and its enlightenment to the development of newpower system［J］. Proceedings of the CSEE， 2021， 41（S1）： 28-51.

［2］ 李建林， 梁忠豪， 李光輝， 等. 太陽(yáng)能制氫關(guān)鍵技術(shù)研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（3）： 2-11.

LI J L， LIANG Z H， LI G H， et al. Analysis of keytechnologies for solar hydrogen production［J］. Actaenergiae solaris sinica， 2022， 43（3）： 2-11.

［3］ 郜捷， 宋潔， 王劍曉， 等. 支撐中國(guó)能源安全的電氫耦合系統(tǒng)形態(tài)與關(guān)鍵技術(shù)［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2023， 47（19）： 1-15.

GAO J， SONG J， WANG J X， et al. Form and keytechnologies of integrated electricity-hydrogen systemsupporting energy security in China［J］. Automation ofelectric power systems， 2023， 47（19）： 1-15.

［4］ 潘光勝， 顧偉， 張會(huì)巖， 等. 面向高比例可再生能源消納的電氫能源系統(tǒng)［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2020， 44（23）： 1-10.

PAN G S， GU W， ZHANG H Y， et al. Electricity andhydrogen energy system towards accomodation of highproportion of renewable energy［J］. Automation of electricpower systems， 2020， 44（23）： 1-10.

［5］ 鄭軍銘， 馮麗， 蔡志遠(yuǎn)， 等. 提高短時(shí)中斷故障期間新能源微電網(wǎng)穩(wěn)定性的慣性儲(chǔ)能永磁發(fā)電機(jī)組［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2022， 37（23）： 6000-6010.

ZHENG J M， FENG L， CAI Z Y， et al. The inertiamotivity permanent magnet machine set for improving thestability of new energy microgrid during short-terminterruption［J］. Transactions of China ElectrotechnicalSociety， 2022， 37（23）： 6000-6010.

［6］ 曹煒， 欽煥乘， 陸建忠， 等. 新型電力系統(tǒng)下虛擬同步機(jī)的定位和應(yīng)用前景展望［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2023，47（4）： 190-207.

CAO W， QIN H C， LU J Z， et al. Orientation andapplication prospect of virtual synchronous generator innew power system［J］. Automation of electric power systems，2023， 47（4）： 190-207.

［7］ 于彥雪， 關(guān)萬(wàn)琳， 陳曉光， 等. 基于序阻抗的虛擬同步機(jī)同步頻率諧振現(xiàn)象［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2022， 37（10）： 2584-2595.

YU Y X， GUAN W L， CHEN X G， et al. Synchronousfrequency resonance in virtual synchronous generatorbased on sequence-impedance［J］. Transactions of ChinaElectrotechnical Society， 2022， 37（10）： 2584-2595.

［8］ 蘇昕， 徐立軍， 胡兵. 考慮多變量因素影響的光伏PEM制氫系統(tǒng)建模與分析［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（6）：521-529.

SU X， XU L J， HU B. Modelling and analysis ofphotovoltaic PEM hydrogen production system consideringmultivariable factors［J］. Acta energiae solaris sinica，2022， 43（6）： 521-529.

［9］ 李建林， 趙文鼎， 梁忠豪， 等. 光儲(chǔ)一體化耦合制氫系統(tǒng)控制策略及仿真分析［J］. 熱力發(fā)電， 2022， 51（11）：148-155.

LI J L， ZHAO W D， LIANG Z H， et al. Control strategyand simulation analysis of coupled optical storage systemsfor hydrogen production［J］. Thermal power generation，2022， 51（11）： 148-155.

［10］ 李軍舟， 趙晉斌， 曾志偉， 等. 具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性的光伏制氫雙陣列直接耦合系統(tǒng)優(yōu)化策略［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2022， 46（5）： 1712-1721.

LI J Z， ZHAO J B， ZENG Z W， et al. Optimizationstrategy of photovoltaic hydrogen production dual arraydirect coupling system with dynamic regulationcharacteristics［J］. Power system technology， 2022， 46（5）： 1712-1721.

［11］ LIN Y F， FU L J. A study for a hybrid wind-solar-batterysystem for hydrogen production in an islanded MVDCnetwork［J］. IEEE access， 2022， 10： 85355-85367.

［12］ 潘子迅， 楊曉峰， 趙銳， 等. 不平衡電網(wǎng)下虛擬同步機(jī)的多模式協(xié)調(diào)策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2023， 38（16）：4274-4285.

PAN Z X， YANG X F， ZHAO R， et al. Multi-modecoordination strategy of virtual synchronous generatorunder unbalanced grid［J］. Transactions of ChinaElectrotechnical Society， 2023， 38（16）： 4274-4285.

［13］ 管敏淵. 虛擬同步機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)自動(dòng)能量控制［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2022， 46（23）： 144-150.

GUAN M Y. Automatic energy control of grid-connectedenergy storage system under virtual synchronous generatoroperation［J］. Automation of electric power systems， 2022，46（23）： 144-150.

［14］ 張冠鋒， 楊俊友， 王海鑫， 等. 基于虛擬同步機(jī)技術(shù)的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)頻控制策略［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2022，37（S1）： 83-92.

ZHANG G F， YANG J Y， WANG H X， et al. Coordinatedfrequency modulation control strategy of wind storagesystem based on virtual synchronous machine technology［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2022， 37（S1）： 83-92.

［15］ 陳夢(mèng)萍， 任建興， 李芳芹. 風(fēng)光互補(bǔ)與電解水制氫系統(tǒng)負(fù)荷的協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2023， 44（3）：344-350.

CHEN M P， REN J X， LI F Q. Coordinated and stableoperation of wind solar complementarity and load ofelectrolytic water hydrogen production system［J］. Actaenergiae solaris sinica， 2023， 44（3）： 344-350.

［16］ 江岳文， 楊國(guó)銘， 陳宇辛， 等. 考慮電解槽動(dòng)態(tài)制氫效率的氫網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化［J］. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2023， 43（8）： 3014-3027.

JIANG Y W， YANG G M， CHEN Y X， et al. Optimaloperation for the hydrogen network under consideration ofthe dynamic hydrogen production efficiency of electrolyzers［J］. Proceedings of the CSEE， 2023， 43（8）： 3014-3027.

［17］ 李軍舟， 趙晉斌， 陳逸文， 等. 考慮動(dòng)態(tài)功率區(qū)間和制氫效率的電轉(zhuǎn)氫（P2H）設(shè)備容量配置優(yōu)化［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2023， 38（18）： 4864-4874， 4920.

LI J Z， ZHAO J B， CHEN Y W， et al. Optimal capacityconfiguration of P2H equipment considering dynamicpower range and hydrogen production efficiency［J］.Transactions of China Electrotechnical Society， 2023， 38（18）： 4864-4874， 4920.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52367022；51967016）；內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2023YFHH0077）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新重大示范工程“揭榜掛帥”項(xiàng)目（2023JBGS0013）