中国电力 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (7): 109-124.DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202402052
收稿日期:2024-02-21
录用日期:2024-05-21
发布日期:2024-07-23
出版日期:2024-07-28
作者简介:邵冲(1984—),男,博士,高级工程师,从事电力系统分析、电网运行技术研究,E-mail:shaoch_dkzx@gs.sgcc.com.cn基金资助:
Chong SHAO1(
), Rongyi HU2(
), Jiao YU1(
), Mingdian WANG2(
)
Received:2024-02-21
Accepted:2024-05-21
Online:2024-07-23
Published:2024-07-28
Supported by:摘要:
储能是平抑可再生能源波动的重要手段之一。考虑内部气体跨膜传输现象,基于质子交换膜电解槽的组件结构以及电化学和热平衡原理,构建了可描述质子交换膜电解槽物质传输以及能量转换的精细化仿真模型。在此基础上,建立了包含电化学储能、氢储能的电-氢耦合系统模型。提出了一种考虑电化学储能荷电状态与氢储能氢状态的双层协调控制策略。上层功率分配考虑了系统内电负荷和氢负荷需求变化,将电化学储能荷电状态、储氢罐氢状态作为重要约束因素,确定系统各设备的工作模式。底层控制根据设备的工作特性,采用PQ控制、VQ控制等方法实现功率追踪调整。通过多种不同运行场景的算例仿真验证了所提模型与控制方法的有效性。研究成果可为风光氢储系统控制策略优化提供支撑。
邵冲, 胡荣义, 余姣, 王明典. 考虑荷电与储氢状态的风光氢储系统动态控制仿真模型[J]. 中国电力, 2024, 57(7): 109-124.
Chong SHAO, Rongyi HU, Jiao YU, Mingdian WANG. Dynamic Modeling and Control Strategy for Hybrid Energy Storage System Considering State of Charge and Storage State of Hydrogen[J]. Electric Power, 2024, 57(7): 109-124.
表 1 质子交换膜电解槽参数
Table 1 Parameters of PEM
| 荷电状态下限 | 荷电状态上限 | |
| 20 | 80 |
表 2 电化学储能单元参数
Table 2 Parameters of electrochemical energy storage units
| 荷电状态下限 | 荷电状态上限 | |
| 20 | 80 |
| 储氢罐体积 | 储氢罐温度 | 储氢状态下限 | 储氢状态上限 | |||
| 1 | 303.15 | 20 | 80 |
表 3 储氢罐参数
Table 3 Parameters of hydrogen storage tank
| 储氢罐体积 | 储氢罐温度 | 储氢状态下限 | 储氢状态上限 | |||
| 1 | 303.15 | 20 | 80 |
| 时间/s | 电负荷/kW | 氢负荷/(mol·s–1) | ||
| [0, 20) | 650 | 0.4 | ||
| [20, 40) | 1000 | 0.4 | ||
| [40, 50) | 1080 | 0.6 | ||
| [50, 60) | 1180 | 0.6 | ||
| [60, 80) | 980 | 0.3 | ||
| [80, 100] | 1280 | 0.3 |
表 4 常规运行场景中系统负荷设置
Table 4 System load settings in regular operation scenarios
| 时间/s | 电负荷/kW | 氢负荷/(mol·s–1) | ||
| [0, 20) | 650 | 0.4 | ||
| [20, 40) | 1000 | 0.4 | ||
| [40, 50) | 1080 | 0.6 | ||
| [50, 60) | 1180 | 0.6 | ||
| [60, 80) | 980 | 0.3 | ||
| [80, 100] | 1280 | 0.3 |
| 时间/s | 模式 | |
| [0, 20) | 4 | |
| [20, 40) | 12 | |
| [40, 60) | 5 | |
| [60, 80) | 4 | |
| [80, 100] | 12 |
表 5 风光氢储系统运行模式
Table 5 Wind-photovoltaic-hydrogen-storage system operation mode
| 时间/s | 模式 | |
| [0, 20) | 4 | |
| [20, 40) | 12 | |
| [40, 60) | 5 | |
| [60, 80) | 4 | |
| [80, 100] | 12 |
| 时间/s | 电负荷/kW | 氢负荷/(mol·s–1) | ||
| [0, 20) | 740 | 0.45 | ||
| [20, 40) | 940 | 0.45 | ||
| [40, 50) | 890 | 0.45 | ||
| [50, 70) | 890 | 0.5 | ||
| [70, 80) | 820 | 0.5 | ||
| [80, 90) | 710 | 0.3 | ||
| [90, 100] | 1110 | 0.3 |
表 6 临界运行场景1中的系统负荷设置
Table 6 System load settings in scenario 1
| 时间/s | 电负荷/kW | 氢负荷/(mol·s–1) | ||
| [0, 20) | 740 | 0.45 | ||
| [20, 40) | 940 | 0.45 | ||
| [40, 50) | 890 | 0.45 | ||
| [50, 70) | 890 | 0.5 | ||
| [70, 80) | 820 | 0.5 | ||
| [80, 90) | 710 | 0.3 | ||
| [90, 100] | 1110 | 0.3 |
| 时间/s | 模式 | 时间/s | 模式 | |||
| [0, 35.3) | 12 | [70, 90) | 4 | |||
| [35.3, 40) | 13 | [90, 94.5) | 12 | |||
| [40, 70) | 7 | [94.5, 100] | 9 |
表 7 临界运行场景1工作模式
Table 7 Operation modes in scenario 1
| 时间/s | 模式 | 时间/s | 模式 | |||
| [0, 35.3) | 12 | [70, 90) | 4 | |||
| [35.3, 40) | 13 | [90, 94.5) | 12 | |||
| [40, 70) | 7 | [94.5, 100] | 9 |
| 时间/s | 电负荷/kW | 氢负荷/(mol·s–1) | ||
| [0,30) | 697 | 0.75 | ||
| [30,60) | 710 | 0.3 | ||
| [60,80) | 603 | 0.3 | ||
| [80,100] | 581 | 0.3 |
表 8 临界运行场景2中的系统负荷设置
Table 8 System load settings in scenario 2
| 时间/s | 电负荷/kW | 氢负荷/(mol·s–1) | ||
| [0,30) | 697 | 0.75 | ||
| [30,60) | 710 | 0.3 | ||
| [60,80) | 603 | 0.3 | ||
| [80,100] | 581 | 0.3 |
| 时间/s | 模式 | 时间/s | 模式 | |||
| [0, 10) | 1 | [30, 71.6) | 6 | |||
| [10, 20) | 2 | [71.6, 80) | 8 | |||
| [20, 30) | 3 | [80, 100] | 12 |
表 9 临界运行场景2工作模式
Table 9 Operation modes in scenario 2
| 时间/s | 模式 | 时间/s | 模式 | |||
| [0, 10) | 1 | [30, 71.6) | 6 | |||
| [10, 20) | 2 | [71.6, 80) | 8 | |||
| [20, 30) | 3 | [80, 100] | 12 |
| 1 | 段青熙, 袁铁江, 梅生伟, 等. 风电–氢储能与煤化工多能耦合系统能量协调控制策略[J]. 高电压技术, 2018, 44 (1): 176- 186. |
| DUAN Qingxi, YUAN Tiejiang, MEI Shengwei, et al. Energy coordination control of wind power-hydrogen energy storage and coal chemical multi-functional coupling system[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44 (1): 176- 186. | |
| 2 | 张帆, 王博文, 樊林浩, 等. 光伏发电制氢储能系统仿真及性能分析研究[J]. 工程热物理学报, 2022, 43 (10): 2653- 2658. |
| ZHANG Fan, WANG Bowen, FAN Linhao, et al. Development of photovoltaic-electrolyzer-fuel cell system for hydrogen production and power generation[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2022, 43 (10): 2653- 2658. | |
| 3 | 邓浩, 陈洁, 焦东东, 等. 风氢耦合并网系统能量管理控制策略[J]. 高电压技术, 2020, 46 (1): 99- 106. |
| DENG Hao, CHEN Jie, JIAO Dongdong, et al. Control strategy for energy management of hybrid grid-connected system of wind and hydrogen[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46 (1): 99- 106. | |
| 4 | 邓浩, 陈洁, 腾扬新, 等. 风氢耦合系统能量管理策略研究[J]. 太阳能学报, 2021, 42 (1): 256- 263. |
| DENG Hao, CHEN Jie, TENG Yangxin, et al. Energy management strategy of wind power coupled with hydrogen system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42 (1): 256- 263. | |
| 5 | 王琛, 孟建辉, 王毅, 等. 考虑蓄电池荷电状态的孤岛直流微网多源协调控制策略[J]. 高电压技术, 2018, 44 (1): 160- 168. |
| WANG Chen, MENG Jianhui, WANG Yi, et al. Multi-source coordinated control strategy considering battery's SOC for islanded DC microgrid[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44 (1): 160- 168. | |
| 6 |
李辉, 黄瑶妹, 马飞. 基于荷电状态的混合储能系统协调控制策略[J]. 中国电力, 2017, 50 (1): 158- 163.
DOI |
|
LI Hui, HUANG Yaomei, MA Fei. Coordinated control strategy for hybrid energy storage system based on state of charge[J]. Electric Power, 2017, 50 (1): 158- 163.
DOI |
|
| 7 | 张学, 裴玮, 梅春晓, 等. 含电/氢复合储能系统的孤岛直流微电网模糊功率分配策略与协调控制方法[J]. 高电压技术, 2022, 48 (3): 958- 968. |
| ZHANG Xue, PEI Wei, MEI Chunxiao, et al. Fuzzy power allocation strategy and coordinated control method of islanding DC microgrid with electricity/hydrogen hybrid energy storage systems[J]. High Voltage Engineering, 2022, 48 (3): 958- 968. | |
| 8 | 王激华, 叶夏明, 秦如意, 等. 基于指数型下垂控制的氢电混合储能微网协调控制策略研究[J]. 中国电力, 2023, 56 (7): 43- 53. |
| WANG Jihua, YE Xiaming, QIN Ruyi, et al. Research on coordinated control strategy of hydrogen-electric hybrid energy storage microgrid based on exponential-function-based droop control[J]. Electric Power, 2023, 56 (7): 43- 53. | |
| 9 |
张虹, 孙权, 李占军, 等. 风氢耦合系统协同控制发电策略研究[J]. 东北电力大学学报, 2018, 38 (3): 15- 23.
DOI |
|
ZHANG Hong, SUN Quan, LI Zhanjun, et al. Research on synergistic control strategy of wind power coupled with hydrogen system[J]. Journal of Northeast Electric Power University, 2018, 38 (3): 15- 23.
DOI |
|
| 10 |
MARANGIO F, PAGANI M, SANTARELLI M, et al. Concept of a high pressure PEM electrolyser prototype[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36 (13): 7807- 7815.
DOI |
| 11 |
严干贵, 魏治成, 穆钢, 等. 直驱永磁同步风电机组的动态建模与运行控制[J]. 电力系统及其自动化学报, 2009, 21 (6): 34- 39.
DOI |
|
YAN Gangui, WEI Zhicheng, MU Gang, et al. Dynamic modeling and control of directly-driven permanent magnet synchronous generator wind turbine[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2009, 21 (6): 34- 39.
DOI |
|
| 12 |
MOJALLAL A, LOTFIFARD S. Enhancement of grid connected PV arrays fault ride through and post fault recovery performance[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, 10 (1): 546- 555.
DOI |
| 13 | 罗茜, 陈卓, 郝正航, 等. 基于新型趋近律的光伏MPPT控制策略[J]. 电力系统保护与控制, 2023, 51 (5): 139- 153. |
| LUO Qian, CHEN Zhuo, HAO Zhenghang, et al. MPPT control strategy based on a new reaching law for a photovoltaic power system[J]. Power System Protection and Control, 2023, 51 (5): 139- 153. | |
| 14 |
蔡国伟, 孔令国, 潘超, 等. 风光储联合发电系统的建模及并网控制策略[J]. 电工技术学报, 2013, 28 (9): 196- 204.
DOI |
|
CAI Guowei, KONG Lingguo, PAN Chao, et al. System modeling of wind-PV-ES hybrid power system and its control strategy for grid-connected[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28 (9): 196- 204.
DOI |
|
| 15 |
RUIZ DIAZ D F, VALENZUELA E, WANG Y. A component-level model of polymer electrolyte membrane electrolysis cells for hydrogen production[J]. Applied Energy, 2022, 321, 119398.
DOI |
| 16 |
SCHALENBACH M, HOEFNER T, PACIOK P, et al. Gas permeation through nafion. part 1: measurements[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119, 25145- 25155.
DOI |
| 17 |
SCHALENBACH M, HOEH M A, GOSTICK J T, et al. Gas permeation through nafion. part 2: resistor network model[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119 (45): 25156- 25169.
DOI |
| 18 |
MORADI NAFCHI F, AFSHARI E, BANIASADI E. Thermal and electrochemical analyses of a polymer electrolyte membrane electrolyzer[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47 (95): 40172- 40183.
DOI |
| 19 | HERNÁNDEZ-PACHECO E, SINGH D, HUTTON P N, et al. A macro-level model for determining the performance characteristics of solid oxide fuel cells[J]. Journal of Power Sources, 2004, 138 (1/2): 174- 186. |
| 20 |
LISO V, SAVOIA G, ARAYA S S, et al. Modelling and experimental analysis of a polymer electrolyte membrane water electrolysis cell at different operating temperatures[J]. Energies, 2018, 11 (12): 3273.
DOI |
| 21 |
ESPINOSA-LÓPEZ M, DARRAS C, POGGI P, et al. Modelling and experimental validation of a 46 kW PEM high pressure water electrolyzer[J]. Renewable Energy, 2018, 119, 160- 173.
DOI |
| 22 |
XIAO J S, HU M, BÉNARD P, et al. Simulation of hydrogen storage tank packed with metal-organic framework[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38 (29): 13000- 13010.
DOI |
| 23 | 程志江, 李永东, 谢永流, 等. 带超级电容的光伏发电微网系统混合储能控制策略[J]. 电网技术, 2015, 39 (10): 2739- 2745. |
| CHENG Zhijiang, LI Yongdong, XIE Yongliu, et al. Control strategy for hybrid energy storage of photovoltaic generation microgrid system with super capacitor[J]. Power System Technology, 2015, 39 (10): 2739- 2745. | |
| 24 |
HOSSAIN M B, ISLAM M R, MUTTAQI K M, et al. Modeling and performance analysis of renewable hydrogen energy hub connected to an ac/dc hybrid microgrid[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2022, 47 (66): 28626- 28644.
DOI |
| 25 |
刘伟增, 周洪伟, 张磊, 等. 电网不平衡条件下光伏并网控制策略研究[J]. 太阳能学报, 2013, 34 (4): 647- 652.
DOI |
|
LIU Weizeng, ZHOU Hongwei, ZHANG Lei, et al. Study on control strategy of grid-connected PV inverter under unbalanced grid conditions[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34 (4): 647- 652.
DOI |
|
| 26 |
DANG J, YANG F Y, LI Y Y, et al. Experiments and microsimulation of high-pressure single-cell PEM electrolyzer[J]. Applied Energy, 2022, 321, 119351.
DOI |
| [1] | 赵琳, 郭尚民, 商文颖, 董健, 王炜. 基于FDOA的可再生能源系统配置优化[J]. 中国电力, 2025, 58(7): 168-176. |
| [2] | 周楷, 陶正顺, 潘庭龙, 许德智. 基于CCS-MPC的储能锂电池组均衡控制策略[J]. 中国电力, 2025, 58(7): 177-186. |
| [3] | 王彩霞, 吴思, 时智勇. 绿色电力消费认证国际实践与启示[J]. 中国电力, 2025, 58(5): 43-51. |
| [4] | 陈铭宏天, 耿江海, 赵雨泽, 许鹏, 韩雨珊, 张育铭, 张子沫. 基于两阶段随机优化的电氢耦合微电网周运行策略[J]. 中国电力, 2025, 58(5): 82-90. |
| [5] | 李晓涵, 曹伟. 弹性充电需求下电动汽车调频激励机制及控制策略[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 148-158. |
| [6] | 邓卜元, 袁至, 李骥. 考虑氢储能的富氧燃烧碳捕集电厂热电联合优化调度[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 159-169. |
| [7] | 王宣元, 张玮, 李长宇, 谢欢, 郭庆来, 王彬, 张宇谦. 考虑随机性的主动配电网有功无功可行域计算方法[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 182-192. |
| [8] | 戴道明, 赵莺. 考虑消纳责任权重的可再生能源电力供应链绿证监管演化博弈分析[J]. 中国电力, 2025, 58(4): 216-229. |
| [9] | 吴云锐, 张建坡, 田新成, 应恺锋, 陈忠. 计及频率适应和快速稳定特性的多端直流电网改进协调控制策略[J]. 中国电力, 2025, 58(3): 31-42. |
| [10] | 姜通海, 王峰, 刘子琪, 单帅杰. 基于改进生成对抗网络的风光气象资源联合场景生成方法[J]. 中国电力, 2025, 58(3): 183-192. |
| [11] | 汤明润, 李若旸, 刘慕然, 程晓钰, 刘铫, 杨淑霞. 电力系统稳态下可再生能源大规模接入量预测[J]. 中国电力, 2025, 58(2): 126-132. |
| [12] | 黄堃, 付明, 翟家祥, 华昊辰. 基于改进线性化ADMM的多微网经济运行分布式协调优化[J]. 中国电力, 2025, 58(2): 193-202. |
| [13] | 吴迪, 王紫荆, 温灵, 俞露稼, 杨雷, 康俊杰. 德国煤电退出机制和电力安全保供的经验分析[J]. 中国电力, 2025, 58(10): 1-13. |
| [14] | 鲁玲, 苑涛, 杨波, 李欣, 鲁洋, 蒲秋平, 张鑫. 计及㶲效率和多重不确定性的区域综合能源系统双层优化[J]. 中国电力, 2025, 58(1): 128-140. |
| [15] | 邹小燕, 张瑞宏. 考虑政府干预的可再生能源与储能企业合作模式演化博弈研究[J]. 中国电力, 2025, 58(1): 153-163. |
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