孤岛氢能直流微电网自适应下垂电压控制框架的实验验证与稳定性分析

为解决可再生能源波动下孤岛直流微电网电压失稳问题，研究人员开发了基于自适应下垂控制（DCVC）的氢能协调控制框架。该研究通过动态调节电解槽（EZ）和燃料电池（FC）的氢气流率，结合电池储能系统（BESS）的快速响应，实现了380V直流母线电压的稳定控制。实验表明，该框架在五种工况下均能降低超调、提升瞬态响应，为偏远地区微电网提供了低成本、可扩展的解决方案。

　　

随着全球能源转型的加速，可再生能源在电力系统中的占比持续攀升。然而，太阳能、风能等可再生能源的间歇性和波动性给电网稳定运行带来严峻挑战。在偏远地区、海岛或海上养殖等孤岛场景中，传统柴油发电机不仅运输困难，还会产生温室气体排放，亟需清洁可靠的替代方案。氢能作为一种高效的能源载体，通过电解水制氢（H₂）和燃料电池发电实现能量存储与转换，成为解决可再生能源波动性的理想选择。但氢能组件（如电解槽、燃料电池）的动态响应较慢，与快速波动的可再生能源匹配困难，如何协调多种能源设备并维持直流微电网电压稳定，成为当前研究的难点。

针对这一挑战，澳大利亚南昆士兰大学的Md Alamgir Hossain等人在《International Journal of Hydrogen Energy》上发表论文，提出了一种面向孤岛氢能直流微电网的新型直流电压控制（DCVC）框架。该框架通过自适应下垂控制和自主运行算法，动态协调电解槽、燃料电池和电池系统的功率输出，显著提升了系统在可变可再生能源条件下的稳定性和响应速度。

为验证控制效果，研究团队构建了基于Griffith大学的工业标准氢能直流微电网实验平台。该系统集成太阳能、风能、波浪能发电模拟装置，以及1.5kW电解槽、1kW燃料电池和25.2kWh锂离子电池组。控制核心采用低成本开源硬件树莓派（Raspberry Pi），结合Node-RED进行实时控制，Grafana实现数据可视化。关键技术方法包括：（1）基于电压偏差的自适应下垂系数动态调整技术；（2）电解槽与燃料电池的二阶动态建模（通过实验数据拟合传递函数）；（3）多能源协调自主运行算法（根据电压阈值和电池荷电状态BL(t)触发设备启停）；（4）小信号稳定性分析（证明系统具备渐近稳定性）；（5）五类实验案例的硬件在环验证（包括电解槽/燃料电池单独运行、系统自主运行、控制器对比等）。

2. 氢能直流微电网系统架构

微电网设计针对海洋水产养殖场景，包含浮动式太阳能板（5kW）、海上风力发电机（1kW）、波浪发电机（1kW）等可再生能源设备。储能系统采用模块化电池组（3×8.4kWh）避免单点故障，氢能系统通过电解槽将过剩电能转化为氢气存储，燃料电池在发电不足时提供电力。系统直流母线额定电压为380V，所有设备通过DC/DC变换器接入微电网。

3. 提出的DCVC控制框架

框架包含电压控制与自主算法两部分。电压控制采用自适应下垂策略，动态调整电解槽和燃料电池的氢气流率（H_fr）：

• •
  电解槽控制：当电压高于385V时启动，功率消耗随电压升高而增加，最大功率1.5kW；
• •
  燃料电池控制：当电压低于375V时启动，功率输出随电压降低而增加，最大功率1kW；
• •
  电池控制：始终参与调节，通过下垂系数K_b实现充放电功率与电压偏差的线性关系。
  自主算法基于电压水平和电池能量状态BL(t)实现设备协同：优先使用电池平衡短时波动，氢能设备应对中长期能量失衡。

4. 实验验证与结果分析

案例1：电解槽运行特性

在可再生能源过剩场景下，电解槽根据电压波动自动启停。实验显示其功率响应存在43.56%超调， settling time为53.63s，动态模型被拟合为二阶传递函数（时间常数τ_EZ=3.1s，阻尼比ζ_EZ=0.228），与实际数据吻合良好。

案例2：燃料电池运行特性

在负载突增（3.5kW→2.5kW）且无太阳能输入时，燃料电池快速响应电压跌落，功率超调达60.39%，振荡频率0.091Hz。模型参数显示其阻尼比（ζ_FC=0.1585）较低，符合燃料电池的惯性特性。

案例3：系统自主运行

在动态负载（0-6kW）和固定光伏输入下，系统自动切换电解槽与燃料电池运行模式。当电压>385V时电解槽启动消纳过剩电能，电压<375V时燃料电池放电补足缺电，两者无同时运行，验证了算法协调有效性。

案例4：电解槽控制方式对比

与手动控制相比，下垂控制虽引入轻微振荡（超调1000W），但无需人工干预，适应波动能力更强。经济性分析表明，自动化控制可避免每年约8.76万澳元的氢能损失。

案例5：电池控制器作用验证

启用下垂控制后，负载投切引起的电压跌落（最低370V）被抑制在375V以上，电池功率平滑过渡，证明控制器对电压稳定的关键作用。

5. 结论与展望

本研究通过硬件实验验证了自适应下垂控制在氢能直流微电网中的可行性。该框架克服了传统固定增益控制的局限性，实现了多能源设备的动态协调与电压稳定。其开源硬件平台（总成本低于商业SCADA系统）为偏远地区微电网部署提供了经济可行的技术路径。未来研究方向包括引入电池状态、氢压等多变量优化，以及多微电网协同运行机制探索。