風光發電制氫供電系統穩態運行研究

黨瑞，鄒蘊韜，侯丹，張樹楠，馬小婷，曹洋

（西安西電電力系統有限公司，西安 710075）

0 引言

由于新能源資源的間歇性特點，風光發電不能長時間持續、穩定地輸出電能，因此會導致電能消納困難及棄風棄光問題[1-5]。而煤炭制氫，即“灰氫”，以及配合碳捕捉技術的化石能源制氫，即“藍氫”，也無法契合我國“雙碳”發展的戰略目標。因此，通過風機、光伏、儲能及制氫負荷容量的合理配置構建風光發電制氫系統，在解決風光資源消納問題的同時，風光發電制氫，即“綠氫”，符合國家的長遠能源布局，是實現可持續發展的重要途徑之一[5-10]。

目前在市場化進程以及技術成熟度方面，堿性電解槽（alkaline water electrolysis，AWE）作為最為成熟的電解技術占據著主導地位[11-21]，尤其是一些大型項目的應用。而質子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解槽使用較薄的質子隔離交換薄膜和先進的電極結構，具有低阻、高效、穩定、負荷快速變化等特性，具有較大應用潛力。本文所述風光發電制氫系統采用AWE 及PEM 電解槽。

對于風光發電制氫系統來說，其供電系統也是必不可少的關鍵環節[22-26]?，F有供電技術多采用交流輸電方式，給直流負荷供電時電力變換級數多，涉及設備眾多，且需要配備無功補償裝置，經濟性較差。因此，針對上述問題，考慮到電解槽為直流設備，在與風機、光伏陣列等新能源設備組網時，采用直流輸電方式變換級數少，輸電效率更高。

1 系統綜述

本文所述風光發電制氫供電系統依托某風光發電制氫項目，包括光伏場、風電場、電解槽以及儲能系統。系統配置一定容量的儲能來穩定直流母線電壓，同時平抑風光的功率波動，消除源荷功率差。根據當地風光資源的輸入數據、儲能系統壽命模型并考慮到系統的約束條件，以制氫成本最低為目標函數，采用粒子群算法進行求解[27-35]，得到供電系統需要配置的儲能功率及容量。由于PEM 電解槽響應速度快、能量密度高、適合快速變載，因此可以配合儲能系統來平滑風光功率波動。同時，系統各端口及輸電線上配置了直流接口柜及避雷器，以此保證系統安全穩定運行。

考慮風場、光伏場、直流線路、電解槽場以及儲能系統的直流線路接入、匯流及容量分配情況，根據以往工程經驗，考慮系統功能、保護、檢修、接地、成本造價等，直流接入開關、匯流開關、負荷分配開關采用直流接口柜的方式。每個接口柜內配備直流電壓、直流電流測量裝置配合控制保護裝置完成測量保護功能，隔離開關可以在不帶電情況下對各支路進行投切，接地開關保證設備和線路檢修時將每端設備接地保護人身安全，配置避雷器完成線路過電壓保護，同時在直流母線側的直流接口柜中增加大電阻接地。風光發電制氫供電系統的輸電網絡結構如圖1 所示。

圖1 系統輸電網絡架構圖Fig.1 Architectural diagram of system transmission network

系統使用直流變壓器（dc transformer，DCT）進行電壓匹配，風機側的AC/DC 換流器和光伏陣列匯流箱分別經由風電DCT 和光伏DCT 升壓接入直流母線。電源側電能經直流母線傳輸至負荷側，負荷為AWE 及PEM 電解槽。直流母線通過制氫DCT及Buck 電源接入AWE 和PEM 電解槽。電源側和負荷側均配有儲能系統，儲能系統通過儲能變流器（power conversion system，PCS）連接儲能電池。

儲能系統可以配置在電源側或者負荷側，也可以兩側都配置。儲能配置在電源側，能夠直接平抑風光的功率波動，保證負荷側直流母線電壓的穩定；配置在負荷側，有利于負荷的穩定供電，且維護方便。儲能系統在電源側和負荷側雙重配置，兼具兩種配置方案的優點，發揮儲能系統的最大運行效益。

2 直流變壓器拓撲

風光發電制氫供電系統的核心設備是光伏、風電、制氫設備和儲能系統端口處的DCT。由于DCT的功率較大，而單個半導體器件的耐壓水平和峰值電流通流能力均有限，因此DCT 需要進行模塊化設計，便于提升功率等級和電壓等級。

系統中所有的DCT 都采用相同的拓撲結構，均采用子模塊低壓側并聯、高壓側串聯的連接方式。此外，DCT 中配置冗余模塊，可以提高設備可靠性。每個DCT 的內部子模塊連接方式如圖2 所示。

圖2 DCT子模塊連接方式Fig.2 Connection mode of DCT sub-model

每個子模塊采用對稱型諧振式雙有源橋（LLCdual active bridge，LLC-DAB）拓撲，由高壓半橋、帶有LC 串聯諧振支路的高壓側全橋和低壓側全橋、高頻隔離變壓器以及高低壓側直流濾波電容組成。子模塊拓撲如圖3 所示，圖中：UH和UL分別為LLC-DAB 變換器兩側的端口電壓；C1和C2為高低壓側濾波電容；M1和M2為高壓半橋開關管；S1～S4為高壓側全橋開關管；Q1～Q4為低壓側全橋開關管；Cr1、Lr1分別是高壓側全橋諧振支路的電容和電感；Cr2、Lr2分別為低壓側全橋諧振支路的電容和電感；Lm為高頻隔離變壓器的勵磁電感；n為變壓器的匝數比。高壓半橋電路及旁路接觸器可以實現故障模塊的在線冗余投切。對稱型LLC-DAB 變換器拓撲具有能量雙向流動、高變比升降壓、零電壓軟開關（zero voltage switch，ZVS）、電氣隔離等優點。此外，對稱型LLC-DAB 變換器兼具串并聯諧振變換器的優點，開關管的電流電壓應力較低，在輸入電壓及負荷變化比較大的區域內依舊有較好的調節性能。

圖3 DCT子模塊拓撲Fig.3 Topology of DCT sub-model

3 直流變壓器控制方法

3.1 子模塊等效數學模型

對圖3 中子模塊的拓撲，利用基波分析法進行建模，UAB和UCD為占空比0.5 的正負方波電壓。根據DAB 變換器拓撲的對稱性，高低壓全橋之間存在外移相控制角φ。忽略拓撲內線路阻抗的影響，則LLC-DAB 變換器的等效電路如圖4 所示。

圖4 子模塊等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of sub-modules

根據基爾霍夫定律，上述等效電路推導可得

對UAB和UCD進行傅里葉變換分析，用基波分量UAB1和UCD1替代UAB和UCD以簡化分析計算，其準確度可以滿足要求[15]。UAB1和UCD1的表達式為

子模塊傳輸的有功功率[5]公式為

直流電壓增益[5]公式為

3.2 電解槽等效數學模型

電解槽工作時可以等效為電壓敏感型的非線性直流負荷，其工作溫度會直接影響電解槽的電壓及電流特性。電解槽小室的工作電壓[25]為

式中：Ucel為電解槽小室的工作電壓；Icel為電解槽小室的工作電流；Urev為電解槽小室的可逆電壓；r1和r2為歐姆電阻參數；Tcel為電解槽工作溫度；Kcel、KT1、KT2和KT3為電解槽的過壓經驗參數；Scel為電解槽電極表面積。

電解槽一般為多個電解槽小室通過串聯組成，假設電解槽小室數為Net，則電解槽工作電壓Uet公式為

3.3 子模塊控制策略

LLC-DAB 變換器的控制方式有單移相調制、雙重移相調制、擴展移相調制及三重移相調制等，本文所采用的是單移相控制。單移相控制通過改變高低壓全橋之間正負方波電壓的移相角φ來控制功率輸送的大小及方向，其優點是控制簡單，是工程應用中比較典型的調制方式。在實際工程中，LLC-DAB 變換器的單重移相調制主要依靠控制對象電壓閉環控制實現，閉環控制的輸出即為高低壓全橋之間的移相控制角φ。DCT 各個模塊高壓半橋的調制信號采用載波移相的生成方式，能夠減小系統的電流紋波。

子模塊的高壓半橋對高壓側電壓UH進行控制，通過PI 調節器及功率限幅器，得到均壓控制量θ。三角載波與控制量θ進行比較，得到高壓半橋的觸發信號。其控制框圖如圖5 所示，圖中：UH_av為所有子模塊高壓側電壓的平均值；UH為子模塊高壓側電壓；PM1為高壓半橋上管觸發信號；PM2為半橋下管觸發信號。當DCT 為風機、光伏、制氫的端口設備時，高壓半橋電路可以處于不控狀態。

圖5 高壓半橋控制框圖Fig.5 High voltage half bridge control block diagram

不同子模塊的高壓半橋采用PWM 載波移相調制，每個子模塊的載波依次移相2πN，N為DCT子模塊個數。

DCT 中LLC-DAB 的控制對象為電容電壓，對于儲能DCT 則為C1電壓，配合高壓半橋電路控制直流母線的功率平衡，而光伏DCT 和風機DCT 則為C2電壓以滿足MPPT 的功率傳輸要求。LLCDAB 的兩個全橋電路采用單重移相控制，并加入死區，開關管S1與S4之間設置死區是便于實現軟開關，開關管S1與S2設置死區是為了避免上下管直通，其控制框圖如圖6 所示。圖中：UHref為子模塊高壓側電壓參考值；PS1、PS2、PS3和PS4分別高壓側全橋S1、S2、S3和S4管的觸發信號；PQ1、PQ2、PQ3和PQ4分別為低壓側全橋Q1、Q2、Q3和Q4的觸發信號。

圖6 DCT中LLC-DAB控制框圖Fig.6 Control block diagram of LLC-DAB in DCT

如圖6 所示，UHref與UH的差值經過PI 調節器以及功率限幅之后，得到兩側全橋之間的外移相控制角φ。高壓側全橋開關管的觸發脈沖為固定占空比為0.5 的方波。低壓側全橋的觸發脈沖為高壓側全橋開關管觸發脈沖經過移相φ之后的方波。

直流母線電壓變換成電解槽可用的直流電，除了需要制氫DCT 之外，還需要在DCT 后級連接Buck 電路來獲取直流電壓區間可調的電解槽電源。由于電解槽為低壓大電流設備，因此后級并聯的Buck 電路需要采用多支路并聯的方式，以此來獲取較大的電流等級。與制氫DCT 低壓側相連的并聯Buck 電路拓撲如圖7 所示。

圖7 并聯Buck電路拓撲圖Fig.7 Topology of parallel Buck circuits

并聯Buck 電路的控制系統對Buck 電路的出口電壓UB進行控制，每個Buck 支路采用載波移相PWM 調制，其控制框圖如圖8 所示。圖中：UBref為Buck 電路出口電壓參考值；UB為Buck 電路出口電壓，即電解槽電源電壓；PB1、PB2以及PBn分別為圖7中并聯Buck 電路開關管B1、B2和Bn的觸發信號。UBref與UB的差值經過PI 調節器及功率限幅器之后輸出控制量γ。多重載波與控制量γ進行比較，得到每個支路開關管的觸發脈沖。

圖8 并聯Buck電路控制框圖Fig.8 Control block diagram of parallel Buck circuits

3.4 子模塊間的均壓均流策略

由于各DCT 均采用模塊化設計，若每個子模塊電路參數完全相同，則可以采用共同占空比控制，簡單有效。共同占空比控制方法是電壓閉環控制輸出電壓，經PWM 調制產生占空比信號，此信號可以共同控制各個子模塊，且各自模塊間可以實現功率自平衡。但是實際設備上，各模塊的電路參數不可能完全相同，因此，需要增加控制電路以實現子模塊間的功率平衡。

對于低壓側并聯高壓側串聯的模塊化設計，可以采用雙環控制，即在共同占空比控制的基礎上，增加輸入的均壓閉環，來校正各子模塊的功率。電壓閉環用來維持系統輸出電壓的穩定，均壓環能夠實現功率校正及平衡。

4 仿真結果

根據電解槽工作電壓公式[16]，可以得到電解槽的伏安特性曲線，如圖9 所示。從圖中可以看出，在電解槽穩定工作時，其電壓電流近似為線性關系，因此電解槽可以等效為電阻負載，其極板間電容效應忽略不計。

圖9 電解槽伏安特性曲線Fig.9 V-A characteristic curve of electrolytic cell

為了驗證風光發電制氫供電系統的穩態運行特性，根據風機、光伏、電解槽及儲能電池的設備端口特性，電解槽等效為電阻負載，儲能系統等效為電壓源，風機和光伏等效為電流源，搭建系統仿真模型。系統中的光伏容量設置為3.6 MWp，風電場容量為5 MWp，負荷側為1 臺5 MW 的AWE 電解槽、2 臺1 MW 的PEM 電解槽，并配置5 MW/10 MWh 的儲能系統。整個系統采用±10 kV 的直流線路進行電能的輸送，系統各個端口都配置相應的DCT。

在系統穩態運行工況下，儲能DCT 控制±10 kV直流電壓并平衡匯流母線功率，因此當系統啟動時，首先由儲能DCT 通過儲能電池為系統建立直流電壓。當直流電壓已經建立且光伏DCT 已從光伏側完成充電并啟動后，兩者共同為風電DCT 和各制氫DCT 充電。當充電完成并啟動后，風機光伏開始向匯流母線注入功率，實現對AWE 及PEM 電解槽的供電。仿真中，系統風光側功率滿發，電解槽負荷側功率全部消耗，因此儲能側盈余1.6 MW 的功率。系統穩態運行時仿真波形如圖10-15 所示。

圖10 各DCT端口正負極母線電壓Fig.10 Busbar voltages of positive and negative polarity of each DCT

圖10 為各端口高壓側正負極線電壓。從圖中可以看出，系統各端口正負極電壓均可以穩定的輸出±10 kV 的直流電壓。圖11 為各端口的高壓側電壓，即為正負極電壓之差。從圖中可以看出，各端口可以穩定的輸出20 kV 的直流電壓，且紋波系數可以控制在1% 以內。圖12 為各端口高壓側的電流。從圖中可以看出，風電DCT 高壓側電流基本可以穩定的控制在250 A 左右，光伏DCT 的高壓側電流基本可以穩定在175 A 左右，儲能DCT 的高壓側電流基本穩定在75 A 左右，2 MW 和5 MW 的制氫DCT 高壓側電流基本穩定在100 A 和250 A 左右。由于光伏DCT 和風電DCT 發出功率，因此其高壓側電流均為負值，而負荷側的AWE 和PEM 電解槽消耗功率，因此其高壓側電流為正值。儲能側因為1.6 MW 的功率盈余，因此高壓側電流也為正值。圖13 為各端口DCT 的傳輸功率，可以看出，風電DCT 的發出功率穩定的保持在5 MW 左右，光伏DCT 的發出功率保持在3.5 MW 左右，儲能DCT 的盈余功率保持在1.46 MW 左右，2 MW 制氫DCT和5 MW 制氫DCT 的吸收功率分別保持在2 MW和5 MW 左右。功率的正負值表示DCT 是發出功率還是吸收功率，發出功率為負值，吸收功率為正值。圖14 中5 MW 堿性電解槽的供電電流可以穩定的輸出在7.792 kA，電壓可以穩定的輸出在600 V，且紋波系數分別為0.09% 和0.08%。圖15中1MW PEM 電解槽的供電電流可以穩定的輸出在3.704 kA，電壓可以穩定的輸出在250 V，且紋波系數均為0.06%。

圖11 各DCT端口高壓側電壓Fig.11 Voltage on high-voltage side of each DCT

圖12 各DCT端口高壓側電流Fig.12 Current on high-voltage side of each DCT

圖13 各DCT瞬時功率Fig.13 The instantaneous power of each DCT

圖14 5 MW堿性電解槽供電電流電壓Fig.14 The supply current and voltage of 5 MW AWE electrolytic cell

圖15 1 MW PEM電解槽供電電流電壓Fig.15 The supply current and voltage of 1 MW PEM electrolytic cell

5 結語

本文基于某風光發電制氫項目，對風光發電制氫供電系統進行輸電網絡設計，并對各端口大功率直流變壓器的拓撲結構以及控制策略進行闡述，同時根據各端口設備特性進行等效，搭建系統PSCAD/EMTDC 仿真模型。從仿真模型的穩態運行結果可以看出，儲能系統可以穩定的建立直流母線電壓，各端口高壓側的直流電壓穩定，各DCT 的輸出功率與設置的功率基本相同。負荷側的AWE 電解槽和PEM 電解槽供電電源穩定，且紋波系數可以控制在0.1% 以下，完全滿足電解槽對供電電源的要求。