一种基于INC的光储耦合制氢系统控制方法及系统

本发明涉及负荷预测，特别是一种基于inc的光储耦合制氢系统控制方法及系统。

背景技术：

1、氢能相对于传统的能源，最大的特点便是环保低碳，属于最理想的原材料之一，也是未来可以实现相关应用的储能材料。利用光伏制氢是一条重要的技术途径，保证光伏发电系统的输出效率和系统的稳定性对制氢有重要意义。由于光伏发电输出功率受气象条件影响较大，如何实现它的最大功率点跟踪已成为光伏发电领域的关键问题。传统的mppt方法由于步长恒定等原因不能兼顾较快的跟踪速度和较小的稳态波动的要求，导致光伏系统的输出与pem电解槽之间不匹配，不能实现良好的制氢效果。因此，光储耦合制氢系统控制策略优化问题亟待解决。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于inc的光储耦合制氢系统控制方法及系统，解决目前光伏制氢系统受环境影响导致光伏出力波动性强、制氢效果不理想等技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于inc的光储耦合制氢系统控制方法，包括以下步骤：

3、步骤1：确定光伏制氢的系统结构，搭建光储耦合制氢系统的数学模型，建立光伏电池模型、电化学储能系统模型和pem电解槽模型；

4、步骤2：光伏系统以及储能系统均通过变流器与直流母线直接相连，并相应采取mppt控制和自适应控制方法，负荷端连接pem电解槽，以实时观察产氢速率及储氢压强；

5、步骤3：采用下垂控制叠加双向dc-dc变流器作为锂电池输出端接口来实现输出或吸收光伏电源波动能量，实现对储能系统充放电的控制；

6、步骤4：分析光伏电池及pem电解槽的工作特性，基于改进电导增量法的变步长mppt算法，引入与电流i相关的系数对特性曲线dp/du的值进行修正；

7、步骤5：对搭建的光储耦合制氢系统的数学模型进行仿真，使光伏电池的最大功率点可以与pem电解槽的工作曲线动态匹配，实现最大光资源利用。

8、进一步地，所述步骤1具体如下：

9、(1)建立光伏电池数学模型，数学模型公式可表示为：

10、

11、其中，i为光伏电池输出电流，u为光伏电池输出电压，iph为光生电流，i0为二极管反向饱和电流，q为电子电荷，rs为串联电阻，rsh为并联电阻，k为玻尔兹曼常数，a为p-n结理想因子，t为绝对温度；

12、表达式中的参数iph、rs、a、rsh和i0对环境的变化非常灵敏，并且难以设置为一个准确的数值；考虑到rsh的值相对较大且rs的值较小，略去也不会影响到最终的结果，那么忽略isc为短路电流，令iph＝isc，得到简化的公式为：

13、

14、在开路状态下，uoc为开路电压，满足i＝0，u＝uoc，ump为最大功率点处的电压，在最大功率点处满足u＝ump，imp为最大功率点处的电流，在最大功率点处满足i＝imp，b和c为中间系数，其表达式为：

15、

16、

17、(2)建立电化学储能系统数学模型，表达式为：

18、ubat＝uoc-ir0-uc1-uc2

19、

20、

21、其中，uoc为动态响应电路两端的开路电压；r0为动态电路内阻；uc1、uc2为两个串联rc电路两端电压；ssoc,t、ssoc,t-1为对应t、t-1时刻储能荷电状态；ct、ubat,t、pbat,t分别为锂电池t时刻的标定电容、电池电压和电池功率；

22、(3)建立pem电解槽数学模型，pem电解槽模型由阳极模型、阴极模型、质子交换膜模型、电压模型和储氢模型组成；

23、阳极模型由阳极流速模型、阳极压力模型和阳极出口流速模型组成；

24、阳极处氧气的流速模型可表示为：

25、

26、阳极处处水的流速模型可表示为：

27、

28、其中，fo2ai、fo2ao分别表示阳极氧气流入和流出的摩尔流速，fh2oai、fh2oao分别表示阳极水的流入和流出的摩尔流速，o2g表示阳极产生的氧气流速，fh2oeod表示电渗流速，fh2od表示扩散流速；

29、根据法拉第电解定律，生成的氧气可表示为：

30、

31、其中，n是电解槽电池的串联个数，i是电解槽电流，f是法拉第常数，ηf为电解效率；

32、阳极的氧气压力模型可表示为：

33、

34、阳极的水的压力模型可表示为：

35、

36、其中，r是气体常数，tel是电解温度，va是阳极容量；

37、总的阳极流道压力可表示为：

38、

39、阳极出口处氧气的摩尔分数可表示为：

40、

41、阳极出口处氧气流量可表示为：

42、

43、阳极出口处水的流量可表示为：

44、

45、其中，

46、根据管口流量方程，可以近似线性地表示阳极出口的总流量和压力之间的关系为：

47、fao＝kao(pa-pao)

48、其中，kao是阳极管道流量系数，pa是总的阳极流道压力，pao是阳极流道出口压力；

49、阴极模型由阴极流速模型、阴极压力模型和阴极出口流速模型组成；

50、阴极处氢气的流速模型可表示为：

51、

52、阴极处水的流速模型可表示为：

53、

54、其中，fh2ci、fh2oci分别表示阴极氢气和水流入的摩尔流速，fh2co、fh2oco分别表示阴极氢气和水流出的摩尔流速，h2g表示阴极产生的氢气，fh2oeod表示从阳极电极穿过膜的电渗流速，fh2od表示从阳极电极穿过膜的扩散流速；

55、根据法拉第电解定律，生成的氢气可表示为：

56、

57、阴极的氢气压力模型可表示为：

58、

59、阳极的水的压力模型可表示为：

60、

61、其中，vc是阴极容量；

62、总的阴极流道压力可表示为：

63、

64、阴极出口处氢气的摩尔分数可表示为：

65、

66、阴极出口处氢气流量可表示为：

67、

68、阴极出口处水的流量可表示为：

69、

70、其中，

71、根据管口流量方程，可以近似线性地表示阴极出口的总流量和压力之间的关系为：

72、fco＝kco(pc-pco)

73、其中，kco是阴极管道流量系数，pc是总得阴极流道压力，pco是阴极流道出口压力；

74、质子交换膜模型由电迁移模型、扩散模型、膜系数模型和扩散系数模型组成；

75、电迁移水传输方式可以表示为：

76、

77、其中，nd是电牵引系数，i表示电流密度，mh2o是水的摩尔质量，a是质子交换膜的面积；

78、

79、其中，λm是阳极和阴极膜的水含量的算术平方根，反映阳极和阴极膜中水的平均含量；

80、膜的水含量λ与水的活度α的函数关系可表示为：

81、λ＝0.43+17.81α-39.85α2+36α3,0＜α≤1

82、λ＝14+1.4(α-1),1＜α≤3

83、可以使用以下公式来计算水通过膜的扩散系数：

84、

85、其中，dλ可以通过以下方程确定：

86、dλ＝10-10,λm＜2

87、dλ＝10-10(1+2(λm-2)),2≤λm＜3

88、dλ＝10-10(3-1.67(λm-3)),3≤λm＜4.5

89、dλ＝1.25×10-10,λm≥4.5

90、水通过膜的扩散值可表示为：

91、

92、其中，tm是膜厚度，cwc表示阴极表面的水浓度，cwa表示阳极表面的水浓度。电压模型由开路电压、活化过电压和欧姆过电压组成，可以表示为：

93、v＝vocv+vact+vohm

94、其中，vocv是开路电压，也是pem电解水的最小理论电压；vact是活化过电压；vohm是欧姆过电压；

95、电解槽的开路电压由能斯特方程表示为：

96、

97、其中，v0是标准电动势，z是电解反应过程中参与的摩尔电子数，αi是物质i的活度；

98、活化过电压可表示为：

99、

100、其中，α是传递系数，i是电流密度，i0是交换电流密度；

101、欧姆过电压可表示为：

102、vohm＝irohm

103、其中，rohm是膜电阻，可表示为：

104、

105、其中，σm是膜的传导率；

106、储氢模型可表示为：

107、

108、其中，pb是氢气罐的压力，pbi是氢气罐的初始压力，z是氢气的压缩常数，mh2是氢气的摩尔质量，vb是氢气罐的体积，nh2是每秒钟进入氢气罐的氢气摩尔数，tb是氢气罐的温度。

109、进一步地，所述步骤3中，采用虚拟电阻下垂控制法实现对dc-dc变流器的叠加控制，具体是通过在变流器控制环节中加入虚拟电阻即下垂系数，来调节双向dc-dc变流器参考电压，用设定电压减去电压偏差，得到的数值再减去实时母线电压，将差值通过pi调节器产生储能系统电流参考值，再将电流参考值与储能系统电流比较后将差值送至电流pi调节器，得到的信号经pwm脉冲发生器后产生驱动信号送至变流器开关，以实现储能系统稳压的目的。

110、进一步地，所述步骤4具体如下：

111、传统变步长法通常用dp/du代替固定步长参数，并引用一个常数系数做系统修正；光伏电池的输出特性可表示为：

112、

113、在此基础上，对dp/du的值进行修正，以降低电流变化对输出特性的影响；设k为控制周期，变步长系数为d(k)，步长变化量为δ，则步长d(k)可表示为：

114、d(k)＝d(k-1)±d(k)＝d(k-1)±δ

115、其中，变步长系数

116、具体的计算步骤为：

117、1)分别计算u与u(k-1)的差值du，i与i(k-1)的差值di，采用电导增量法计算di/du；其中，u(k-1)为上一控制周期光伏电池的输出电压，i(k-1)为上一控制周期光伏电池的输出电流；

118、2)判断du是否为0，若是，判断di是否为0；若否，判断di/du是否等于-i/u；

119、3)若di等于0则d(k)＝d(k-1)；若di不等于0，则判断di是否大于0，若di大于0，则d(k)＝d(k-1)-δ；若di不大于0，则d(k)＝d(k-1)+δ；

120、4)判断di/du是否等于-i/u，若是，则d(k)＝d(k-1)；若否，判断di/du是否大于-i/u，若di/du大于-i/u，则d(k)＝d(k-1)-δ；若di/du不大于-i/u，则d(k)＝d(k-1)+δ。

121、另外，本发明还公开一种基于inc的光储耦合制氢系统控制系统，包括：

122、光伏电池模块，用于将太阳能转化成电能；pem电解槽模块，用于制取氢气；电化学储能系统，作为支撑和释放能量的中间环节；mppt控制模块，用于对光伏输出功率点进行跟踪，通过匹配光伏系统模块，使光伏系统达到最大功率输出；dc-dc双向变流器，用于实现锂电池充放特性以配合光伏系统对制氢单位进行供电；下垂控制模块，用于直流微电网的控制方法，能够迅速平衡输出系统功率，实现母线电压的稳定。

123、本发明有益效果：本发明以电解槽工作曲线与光伏系统最大功率曲线重合、产氢效率达到最高、系统的能量转化率最大为控制目标，提出一种基于改进变步长的电导增量法的光储耦合制氢系统控制方法；其搭建了pem电解槽的动态模型，并在内部加入了储氢模型，能够实现对制氢效果以及电解电压的观测；通过研究电化学储能系统自适应平衡的控制策略，设计了一种下垂控制叠加双向dc-dc变流器的控制方法，以此实现对波动电源输出的稳压功能；该方法采用基于改进电导增量法的变步长mppt算法来控制光伏系统输出，使得所搭建的光伏系统能够稳定输出在最大功率点，防止能量的浪费；本发明通过对光储耦合制氢系统模型进行控制，使得直流母线电压稳定在一定范围并实现平滑制氢的能力；本发明通过改进电导增量法的变步长mppt算法使得光伏直流耦合制氢系统的能量转化率和产氢效率得到显著提高。