一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法

本发明涉及可再生能源电解制氢，具体涉及一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法。

背景技术：

1、可再生能源和氢能是新型电力系统能源体系的重要组成部分，综合两者优势构建新能源电解制氢系统将波动的绿电转化为氢能进行大规模储存或使用，实现电能-化学能-电能的无污染转化过程；可再生能源耦合氢能系统能够降低碳排放，提高风、光等清洁能源的利用率，改善目前较为严重的“弃风弃光”问题。制氢系统既可以以弃风、弃光量最小化为控制对象并网运行，也可以不依赖电网，以满足负荷需求为目标孤岛运行。

2、电解水制氢技术以碱性电解水制氢(awe)、质子交换膜电解水制氢(pem)和固体氧化物电解制氢为主要研究方向，其中碱性电解水制氢在工业使用中较为成熟。电解水制氢对工作电流要求较高，工作电流剧烈波动将严重影响制氢效率甚至产生巨大的安全隐患。但风、光输出电能具有随机性和间歇性，直流母线电压易产生低频波动，导致电解氢侧工作电流无法维持稳定。故为了实现可再生能源制氢的稳定运行，研究抑制系统直流母线电压的低频波动的控制方法是十分必要的。

3、目前，针对抑制可再生能源制氢系统直流母线电压波动控制方法，国内外学者展开了大量研究。大量文献以风储互补制氢系统功率为控制对象，将波动的风电输出功率信号通过eemd(ensemble empirical mode decomposition)重构为制氢装置低频分量和混合储能高频任务分量，实现风能的最大化利用；同时为了防止储能系统的过充过放引入模糊控制修正层对功率分量进行修正。但emd分频重构风电输出功率会引入较长的响应时间，导致系统电压波动时抑制反应慢且控制复杂。还有文献建立了完整的离网型风、光储制氢系统，采用多组储能电池直接补偿直流母线电压，其优势在于能更快速地响应电能功率波动，但储能电池频繁充放电会加速电池老化缩短电池寿命。现有文献对于可再生能源制氢系统的研究主要是能量管理策略和容量配置方面，直流母线电压的稳定控制研究还比较少。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，其通过储能电池调节长时间的功率缺额/冗余和超级电容处理电压瞬时波动，维持直流母线电压的稳定，保证制氢系统电解制氢的正常工作；同时发挥不同类型的储能优势还能够延长储能系统的使用寿命。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，包括以下步骤：

4、(1)建立可再生能源制氢系统：制氢系统包括风电系统、光伏系统、混合储能系统、制氢单元；风电系统、光伏系统分别通过变换器连接交流母电，混合储能系统里的超级电容、多组储能电池以及制氢单元中的电解槽分别通过dc/dc变换器连接直流母线，交流母线与直流母线通过互联变换器ac/dc相互连接；

5、(2)确定储能电池和超级电容所连接变换器的多层电压补偿控制策略：底层基于传统下垂控制针对混合储能系统控制的时间尺度采用“电压环+电流环”的虚拟阻抗控制策略，修正层采用基于离散一致性算法对参考电压进行二次调节；

6、(3)设置下垂系数，建立储能电池和超级电容变换器电压外环电流内环的双闭环pi控制；

7、(4)采集直流母线电压信号、储能电池的电压电流、荷电状态信号和dc/dc变换器的电感电流、输出电压、电流信号；

8、(5)根据采集的本地储能电池变换器i及相邻储能电池变换器j的电压信号，建立平均电压观测器得到第i台变换器的平均电压值vavgi，与参考电压vref进行比较，差值经过pi调节得到电压补偿项δvui；

9、(6)为避免补偿功率分配出现环流问题，根据储能电池输出功率和剩余容量的关系设计一个控制功率分配的变量xi；与相邻储能电池的控制变量xj的差值经pi调节得到功率分配的电压补偿项δvpi；

10、(7)将储能电池变换器输出参考电压vref加上电压补偿项δvui和功率分配补偿项δvpi得到修正后的参考电压vref*；

11、(8)将参考电压vref*用于变换器底层电压电流双闭环控制，经pwm调制后得到功率管的驱动信号。

12、优选地，步骤3中，电压电流双闭环pi控制的表达式为：

13、

14、式中，voi、ioi分别为储能电池与直流母线之间变换器的输出电压和输出电流，ili为滤波电感电流，di为经电压电流双闭环控制得到的功率管占空比，kvp、kvi分别为电压环pi控制的比例增益和积分增益，kip、kii分别为电流内环pi控制的比例增益和积分增益。

15、优选地，步骤5中，建立平均电压观测器的计算式为：

16、

17、式中，vi为第i变换器的端口输出电压，vavgi为第i变换器平均电压估计值，vavgj为第j个变换器相邻变换器的平均电压估计值，aij为通信权重系数，表示变换器之间的通信情况，c为调整步长，用于控制电压补偿的调整速度。

18、其中经过pi调节器得到的电压补偿项δvui采用以下公式计算：

19、

20、式中kpδv、kiδv分别为电压一致性pi控制的比例增益和积分增益；

21、直接控制多组储能电池荷电状态一致时，由于储能电池初始荷电状态和自放电率不同会导致储能电池相互充电出现环流的问题，所以根据输出功率与额定容量的比值关系设置变量xi反应荷电状态。

22、优选地，步骤6中，反应储能电池荷电状态的控制变量xi表达式为：

23、

24、式中pi、cni分别为储能电池的输出功率和额定容量，ibati、ubati表示为储能电池的电流和电压；

25、状态变量xi引入荷电状态限值是为了控制储能电池在安全范围内运行，δsoci采用以下公式进行计算：

26、

27、式中socl和soch为荷电状态的下限和上限；储能电池充电/放电时，δsoci越大则充入更多的电能或放出更多电能，最终达到多组储能电池荷电状态一致；

28、通过本地及相邻储能电池的状态变量信息，采用一致性算法得到状态变量xi的差值信号，经过pi调节器得到电压补偿项δvpi：

29、

30、式中xj为相邻储能电池反应荷电状态的变量，kxp、kxi分别为控制变量差值的比例增益和积分增益。

31、本发明的有益效果在于：

32、1、本发明通过对制氢系统的直流母线电压建立分层控制，能够保证电压以额定值运行，从而维持电解制氢工作电流的稳定；且电压修正层不高度依赖通信网络，仅采用弱通信的方式就可以得到电压补偿分量。

33、2、本发明相较于功率分频的方法，利用混合储能的互补性，能够快速响应分布式电源的功率波动，对于直流母线电压的低频波动有很好的抑制效果，且储能电池和超级电容的互相配合延长了储能系统的使用时间。

技术特征：

1.一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，其特征在于，步骤3中，电压电流双闭环pi控制的表达式为：

3.如权利要求2所述的一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，其特征在于，步骤5中，建立平均电压观测器的计算式为：

4.如权利要求3所述的一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，其特征在于，步骤6中，反应储能电池荷电状态的控制变量xi表达式为：

技术总结本发明公开了一种可再生能源制氢系统的直流母线电压波动抑制方法，分别从电压和荷电状态一致两个方面得到电压补偿项，其中采用离散一致性算法，于相邻变换器之间的信息交互，通过电压观测器得到各变换器的平均电压值，与期望电压的偏差经PI调节器得出电压补偿项Δvui；根据输出功率和剩余容量的关系引入状态变量xi对储能电池荷电状态进行调整，得到本地与相邻储能设备Δx，同样经过PI调整得到电压另一补偿项Δvpi，最终得到输出额定电压参考值，经电压电流双闭环控制后得到储能电池变换器的开关管驱动信号。本发明采用电压多层控制的方法快速准确的抑制了直流母线的电压波动，保证了电解器安全稳定的制氢工作。技术研发人员：耿乙文,王雅茹,骆鹏,何承曾,刘畅,赵全洲,黄昊贤,卿洋受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29