【摘 要】
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氢能由于其清洁、能量密度高以及可长期大量存储的优势,被视为未来能源产业的发展方向之一,随着氢能加入直流微电网,电解制氢单元可以长周期、大规模地消纳光伏能源。为了实现光储氢直流微电网的安全稳定运行,以单元本体运行特性以及多变流器间协调控制为基础,提出合适的系统协调控制策略十分重要;此外,由于光伏电源的随机性和波动性,其对制氢单元的工作寿命与电-氢之间的能量转化效率也会造成影响。本文围绕上述问题展开研
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氢能由于其清洁、能量密度高以及可长期大量存储的优势,被视为未来能源产业的发展方向之一,随着氢能加入直流微电网,电解制氢单元可以长周期、大规模地消纳光伏能源。为了实现光储氢直流微电网的安全稳定运行,以单元本体运行特性以及多变流器间协调控制为基础,提出合适的系统协调控制策略十分重要;此外,由于光伏电源的随机性和波动性,其对制氢单元的工作寿命与电-氢之间的能量转化效率也会造成影响。本文围绕上述问题展开研究,具体如下:本文首先对光储氢直流微电网各单元及其配套变流器进行了理论分析与仿真。建立了光伏发电、燃料电池、电解制氢以及蓄电池的外电气特性模型,了解其工作运行特性;对电解槽建立了全面的电化学特性模型,用以分析其温度、制氢产量和效率的运行特性。接着根据各单元运行特性选取了合适的变流器拓扑,分别建立小信号模型并设计了其底层控制策略。特别对电解制氢变流器的变功率运行和损坏工况进行了仿真,以分析电解槽的动态特性。为实现光储氢直流微电网的安全稳定运行,提出了一种基于母线电压信号的系统级协调控制策略。基于上述各单元运行特性以及底层控制策略,将直流母线电压分为5个等级6个区间,使变流器在不同区间分别工作在5种模式,协调分担直流微电网网内功率;为避免蓄电池SOC和储氢罐SOH越限,提出了一种临界条件下控制策略的修改方案;为避免系统波动造成的工作模式频繁切换,提出了一种电压滞环控制策略。经过仿真验证,该协调控制策略有效保证了直流母线电压的稳定,而临界条件控制修改方案与电压滞环控制提高了系统的稳定性。针对光伏波动性对电解制氢单元温度、制氢产量和效率造成影响的问题,基于电解制氢变流器提出了一种引入全状态变量反馈的线性二次型最优（Linear Quadratic Regulator,LQR）控制策略。建立了变流器全状态误差量和输出阻抗的小信号模型,并理论分析了LQR相比于传统PI的优势,其可以通过反馈全状态误差量提高外界扰动下变流器的动态性能。研究结果表明:所提控制策略可有效改善输出电压电流波动特性,具有比传统PI控制更强的抗扰动能力。最后,通过仿真验证了理论分析和所提控制策略的正确性和有效性。
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