含超級電容的光伏制氫系統建模與研究

王京陽，韓子嬌，2，董雁楠，戈陽陽，高馥琳

(1．沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2．國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3．國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

目前，化石燃料是獲取氫氣的主要來源，對化石燃料的過度依賴會造成資源枯竭及嚴重的環境問題[1]，轉換制氫方式勢在必行。而電解水制氫過程中不會產生任何對環境不利的氣體，利用太陽能資源和豐富的水進行電解制氫是應對全球日益增長的能源需求的一種環境友好型措施[2]。

可再生能源的大力發展導致了風光發電過剩，水電解制氫是充分利用剩余可再生能源的重要途徑之一[3]。此外，電制氫系統接入對可再生能源微電網控制提出了更高要求，需要設計合理的控制策略保證系統的穩定運行[4]。文獻[5]比較了不同的水電解制氫方法的優缺點，對電解制氫技術的發展趨勢進行了討論。文獻[6]設計了一種太陽能光伏電池板與電解槽直接相連制氫裝置，該裝置在性能上能夠達到電能和制氫需求相耦合，但是未考慮光伏電池輸出波動情況，使用條件具有局限性。文獻[7]中建立了光伏陣列與質子交換膜水電解槽直接耦合系統的分析模型，并對該系統的運行工況進行研究，分析了不同環境因素對直接耦合系統匹配性能的影響，驗證了環境因素會導致該系統制氫效率降低。文獻[8]基于新能源制氫系統模型，以實際氣象參數作為運行數據，在不同工作條件下分別得出系統發電量、制氫速率及光氫轉換效率進行對比，為光伏發電制氫系統的實現提供了理論依據，但該系統利用堿性電解槽電解制氫，所使用的電解質具有腐蝕性，不利于環境保護。文獻[9]為研究新能源電解制氫的潛力，在不同地區配置了不同的新能源發電系統，通過試驗驗證了最有效制氫系統的容量配置。文獻[10-11]提出了以電氫為能源載體的新型能源系統，并從氫能的發、儲、輸、配、用5個方面進行評述，不僅解決了可再生能源消納問題及環境問題，而且還具有可觀的經濟效益。目前，利用新能源電解制氫通常與儲能裝置進行耦合，以保證系統穩定運行。文獻[12]建立一種光氫儲系統用于保證家居用電的需求，但燃料電池所需要的氫氣并未作為文章主要考慮部分。文獻[13]為實現微電網系統穩定運行構建了電解槽-燃料電池及風光發電的聯合供電系統，但系統負荷功率需求過高時考慮了對用戶限電，不利于系統穩定運行。文獻[14]提出了一種電-氫混合的孤島直流微電網系統，通過氫儲能實現電能量在時間上平移，保證了孤島系統全天候的正常運行。文獻[15]為實現光伏系統友好并網，在電網需求大于光伏出力時通過燃料電池消耗電解槽所產生的氫氣發電，并考慮了儲氫系統及儲能系統的約束條件，提出了制氫發電系統的協調運行策略，但未實現母線電壓及功率變化的最優控制。文獻[16]為提高制氫效率，建立了一種具有最大功率點追蹤控制的光伏制氫系統，但系統將氫氣全部供應燃料電池發電以滿足電力負載，忽略了能量轉換的效率問題。

本文以光伏-超級電容-電解槽的孤島直流微電網系統模型為基礎，考慮到光伏系統的晝夜性問題，通過對超級電容合理的儲電、放電進行分配，使電解槽持續不停機工作，提高電解槽使用壽命。并通過對超級電容的控制滿足直流母線電壓恒定，減小電解槽輸入電壓波動來實現系統穩定制氫。

1 系統結構

本文提出的含超級電容的光伏制氫系統結構如圖1所示。光伏電池作為系統通過對升壓斬波電路的最大功率點追蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制進行電能供應；質子交換膜水電解槽(proton exchange membrane water electrolyzer，PEMWE)系統進行生產氫氣；雙向DC/DC變換器實現了功率在超級電容與直流母線上的雙向流動，當光伏出力大于制氫需求時，多余能量儲存在超級電容中，當光伏出力小于制氫需求時，則由超級電容進行電能供應使系統穩定；所產生的氫氣儲存在儲氫罐中用于工業生產。

2 系統模型

2.1 光伏電池模型

光伏電池是將太陽能轉換為電能的綠色器件，其輸出電流特性見式(1)。

(1)

式中：Isc為光伏電池短路電流；Upv為光伏電池輸出電壓；Uoc為光伏電池開路電壓；C1、C2為特定參數，可表示為

(2)

(3)

式中：Im為光伏電池最大功率點電流；Um為光伏電池最大功率點電壓[17]。

由式(1)—式(3)得出光伏電池輸出特性，如圖2所示，其輸出功率存在受輻射強度及環境溫度影響的最大功率點Pmax。

2.2 水電解槽模型

在多種電解制氫技術中，PEMWE具有無污染、產氫純度高、易于維護等優點，其電解基本原理如圖3所示。

在電極上通入直流電引起電化學反應，水在陽極通入并失去電子分解為氧氣和氫離子，其中氫離子通過膜運輸到陰極，并得到電子還原為氫氣。

PEMWE系統輸出電壓Uel通過能特斯方程、系統活化極化及歐姆極化的影響，可以表示為[18]

Uel=Eoc+Uact+Uohm

(4)

(5)

(6)

Uohm=iRohm

(7)

式中：Eoc為電解系統開路電壓；Uact為電解活化極化電壓；Uohm為系統歐姆極化電壓;E0為電解系統標準電動勢；Rgas和F分別為氣體普適常數及法拉第常數；Tel為電解系統溫度；PH2與PO2分別為陰極和陽極所產生氫氣和氧氣的壓力；αH2O為活度系數(為1)；α為膜傳遞系數；i為電解系統電流密度；i0為電解系統交換電流密度；Rohm為電解系統膜電阻。

PEMWE單體小室伏安特性曲線如圖4所示，電解槽作為低壓高電流設備通常以多單體電解槽串聯工作來提高制氫速率。

2.3 超級電容模型

超級電容在光伏出力大于制氫需求時進行能量存儲，反之進行放能供電保證制氫系統不間斷工作，超級電容工作過程中的端電壓Usc可表示為

(8)

式中：Isc為超級電容工作電流；Rsc為超級電容電解液等值電阻，數值較小；C為超級電容器的等值電容。超級電容在工作過程中，通過電池荷電狀態(state of charge，SOC)表征超級電容工作過程中的電量，表達式為

(9)

式中：Qt為超級電容t時刻剩余容量；Qn為超級電容額定容量；Umax與Umin為超級電容工作過程中的電壓上下限[19]。

3 系統變流器控制策略

3.1 光伏系統控制方法

光伏系統經boost升壓電路向直流母線輸入功率，而光伏系統受環境影響導致輸送功率不穩定，但在不同環境條件下，光伏電池均具有唯一的最大功率點，因此光伏系統工作在最大功率點提高光電轉換效率是對boost升壓電路進行控制的主要目標。

圖5為通過擾動觀察法實現光伏系統的最大功率追蹤的控制流程。

系統通過采集某一時刻光伏系統工作電壓U(t)及工作電流I(t)計算當前系統輸出功率P(t),并與上一時刻輸出功率P(t-1)進行比較，從而確定下一次電壓擾動ΔD的方向，且擾動方向與功率變化方向一致。

3.2 水電解槽控制方法

電解槽的工作電壓較低，在系統中直流母線經buck降壓電路與電解槽相連，而電解槽工作過程中，受電解效率與使用壽命的約束，要求電解槽的工作電壓不宜頻繁變化，因此文中電解槽采用恒壓控制，其控制過程如圖6所示。

在圖6中，Uelref、Ielref分別為電解槽工作目標電壓和目標電流；Uel、Iel分別為電解槽工作實際電壓和實際電流；經PWM生成器產生的del為buck電路的開關控制信號。

3.3 超級電容控制方法

雙向DC/DC變換器拓撲結構如圖7所示。

開關管VT1和VT2的開關互補狀態實現了不同的工作模式，當VT1導通VT2斷開時，超級電容進行充電；當VT2導通VT1斷開時，電能通過超級電容升壓匯入直流母線。

超級電容的作用是系統在工作過程中維持直流母線電壓恒定，因此亦采用恒壓控制，其控制框圖如圖8所示。

該控制策略采用雙閉環PI控制，其中Udcref、Iscref分別為直流母線電壓和超級電容電感電流的參考值；Udc、Isc分別為直流母線電壓和超級電容電感電流的實際值，所得到的開關控制信號dsc1、dsc2分別傳輸到VT1和VT2實現對超級電容的控制。

綜上所述，光伏電池作為系統唯一源，通過對升壓斬波電路進行擾動觀察法的控制向系統注入了最大能量，由于光伏出力的波動性會導致光伏輸出電壓不穩定，此時通過超級電容雙閉環恒壓充放電控制，維持了系統母線電壓的穩定，而水電解槽作為直流負載，通過恒壓控制實現了恒壓的理想工作條件，同時系統通過光伏出力與直流負載需求的功率差值導致母線電壓的波動，對超級電容的充放電進行準確控制，實現了功率的供需平衡。

4 仿真驗證

4.1 系統參數及模擬工況

系統各部分仿真參數如表1所示。為簡化分析設置環境溫度為25 ℃，并以某地區實際太陽能輻射強度為基礎，將24 h簡化為24 s進行模擬，實際光照強度及模擬光照強度設置如圖9所示。

表1 系統各部分仿真參數

4.2 仿真結果及分析

根據所述條件對系統進行仿真，光伏與超級電容功率變化如圖10所示。

當光伏輸出大于電解槽負荷需求時，超級電容吸收多余功率；當光伏輸出小于負荷需求時，超級電容釋放功率平抑功率波動。

超級電容在實現系統穩定工作的同時，將直流母線電壓穩定在750 V，如圖11所示。

直流母線電壓在輻射強度突變時，波動最大為35 V，滿足±10%的國家標準，因此通過對超級電容系統加以控制能夠較好穩定直流母線電壓。電解槽系統的工作電壓不宜頻繁變化，設置其目標工作電壓為200 V，對電解槽系統進行恒壓控制所得到的電壓功率曲線如圖12所示。

電解槽在工作過程中受環境因素影響很小，工作電壓基本穩定在200 V，消耗功率大約為9.5 kW，與圖10中光伏和超級電容功率差值所對應，由圖12可知，電壓的微小波動會導致電解槽功率波動幅度較大，因此通過穩定電壓減小電解槽功率波動尤為重要。

5 結語

本文建立了一種含超級電容的光伏制氫系統，并通過環境模擬在Matlab/Simulink軟件中進行分析。仿真結果表明，光伏系統通過擾動觀察法的MPPT提高了光電轉化的效率；對電解槽系統的控制減小了制氫過程中的功率波動，以及通過對超級電容的恒壓控制，將直流母線電壓穩定在750 V，使系統穩定運行，驗證了含超級電容的光伏制氫系統的正確性及系統各部件控制策略的有效性。