《Journal of Power Sources》：Modelling and control of a solar-driven PEM electrolyzer system with energy storage for decentralized hydrogen production
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本文提出了一种面向多直流微网的协调能源管理系统，整合太阳能、电池储能、电解制氢及燃料电池，优先利用太阳能，电池平抑快速波动，电解器转化过剩电能储存氢气，燃料电池在高峰需求或低太阳能时供电。通过MATLAB/Simulink建模与LabVIEW实验验证，证实该系统能够稳定分配电力、快速响应动态变化、高效利用氢能，显著提升可再生能源渗透率和系统可靠性。
Singh Rupal Hukampal|Premalata Jena|Dushyant Kumar Singh
印度北阿坎德邦鲁尔基印度理工学院电气工程系
摘要
本研究提出了一种协调控制系统，用于多直流微电网环境中太阳能驱动的绿色氢气生产和混合能源存储。该系统结合了光伏发电、电池储能、电解槽和氢气储存以及燃料电池，形成了一个完全可再生能源的供应链。在MATLAB Simulink（Simscape）中开发了一个多直流微电网模型，以研究所有组件的电气和电化学行为。所提出的控制器首先利用太阳能管理电力流动，通过电池平滑快速变化，通过电解槽将多余的太阳能转化为氢气，并在需求高峰期、电池电量低或太阳能供应不足时使用燃料电池。还在实验室规模的光伏-电池-燃料电池装置上进行了实验测试。协调能源管理系统（EMS）使用NI数据采集卡（DAQ）在LabVIEW中实现，以测量信号并执行实时控制动作。实验结果证实，所提出的策略在实践中是有效的，展示了稳定的电力共享、快速的动态响应以及在真实运行条件下的高效氢气利用。总体而言，协调控制方法提高了能源可靠性，增加了可再生能源的使用，并提供了无需化石燃料备份的长时间存储。这项工作为将太阳能驱动的绿色氢气与混合储能集成到未来的多微电网系统中提供了实用且可扩展的解决方案。
引言
分布式可再生能源的快速增长加速了向分散式和可持续电力系统的转变[[1], [2], [3]]。其中，太阳能光伏发电因其丰富性、模块化和成本下降而成为最广泛部署的技术之一[4]。然而，太阳能的间歇性和不可预测性给维持稳定的电力供应带来了重大挑战，特别是在多个相互连接的微电网必须协调电力共享和能源平衡的多微电网系统中[5,6]。为了解决这些挑战，集成先进的能源存储技术变得至关重要[7]。电池通常与光伏系统配对，以提供快速响应、短期能源平衡和电压-频率支持，从而在太阳能输出快速变化时稳定微电网[8]。因此，选择合适的电池技术至关重要，因为它直接影响整个系统的效率、可靠性、退化行为和长期运行寿命。铅酸电池价格便宜，但生命周期和效率较低，不适合频繁循环[9]。镍氢电池性能中等，但自放电率较高。流动电池寿命长且可扩展性好，但能量密度低且复杂性高[10]。锂离子电池提供高能量密度、快速响应、高往返效率（90-95%）和长循环寿命（4000-6000次循环）[11,12]。考虑到太阳能系统的频繁循环和稳定电力需求，锂离子电池通常因其高效率和快速动态响应而成为首选。然而，其有限的存储容量、重复循环后的退化以及较高的生命周期成本使其不太适合长时间储能。
为了解决这些限制，绿色氢气提供了一个强有力的补充解决方案[13]。通过由可再生能源驱动的电解槽（EL）生产，它提供了清洁的、长期的高效能源存储，损失最小[14]。氢气是一种高效的能量载体，能够提供高输出，提高系统性能并降低碳排放[15]。在所有可再生能源中，太阳能特别具有吸引力，因为它广泛可用、可靠且成本不断降低。利用太阳能生产绿色氢气现在被认为是减少交通、工业和电力生产领域排放的关键手段[16,17]。氢气还可以长时间储存而不会损失太多能量，并且可以使用燃料电池（FC）重新转化为电能[18]。因此，用于绿色氢气的太阳能驱动的燃料电池系统正受到关注，以实现低碳未来。
同时控制多个微电网仍然具有挑战性，适当的运行需要一个智能的能源管理系统（EMS）。大多数现有研究仅考虑单个微电网网络，在该网络中必须共享和平衡电力。然而，对于多微电网来说，需要先进的协调EMS策略来提高可再生能源利用率并最小化损失。在参考文献[19,20]中开发了独立光伏/电池储能（PV/BESS）系统的EMS，但没有解决深度充放电问题。在参考文献[21]中提出了一个用于住宅用途的小型交互式直流微电网，但其控制策略无法完全处理快速的太阳能变化或突然的负载变化。参考文献[22]中的直流母线信号方法在模式转换期间由于电压反馈不佳而变得不稳定。在参考文献[23]中开发了一种基于神经网络的微电网EMS，但它没有考虑负载优先级。在参考文献[24], [25]中提出了一个用于光伏-风能-电池储能（PV–wind–BES）系统的EMS，但由于可再生能源的不确定性，负载满足变得困难。在参考文献[26]中开发了一个用于独立PV–BESS–FC直流微电网的EMS，以延长电池寿命并减少氢气使用。在参考文献[27,28]中模拟了基于燃料电池/光伏/超级电容器的微电网，并使用了基于开关的FC控制与电池剩余电量（SoC）结合。在参考文献[29]中提出了一种基于动态规则的氢能存储系统（HESS）控制，用于太阳能/风能系统。在参考文献[30]中开发了一个使用Java代理开发框架（JADE）和PID控制器的多代理EMS；然而，它需要高通信可靠性。进一步的EMS策略包括参考文献[27]中的自适应分数模糊滑模控制、参考文献[31,32]中的模型预测控制以及参考文献[33]中的极值搜索控制，这些策略也被提出以解决电力平衡挑战。
最近，一些研究集中在使用直流微电网生产绿色氢气上，但许多这些方法计算密集且需要高性能的控制器。在参考文献[34]中提出了一个用于PV–BESS–FC系统的EMS，该系统使用模糊逻辑控制器来最大化光伏功率，其中多余的太阳能用于氢气生产和电池充电。然而，隶属函数没有明确定义，也没有处理极端运行条件，如非常高的或非常低的SoC。在参考文献[35]中，使用真实实验数据验证了一个包含光伏、氢气储存、电解槽（EL）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、电动汽车（EVs）和电网交互的家庭微电网的中等复杂度动态模型。在参考文献[36]中实现了多微电网的协调电-氢混合储能控制，使用ST-PDC控制器，模拟结果显示电压调节得到改善，响应更快。然而，这项工作仍然依赖于简化模型，缺乏硬件验证，并且覆盖的情景有限。因此，这种方法很有前景，但尚未完全证明其在实际微电网运行中的有效性。
在这项工作中，为集成有电池储能（BESS）和燃料电池（FC）的太阳能驱动绿色氢气系统开发了一个协调EMS。主要贡献在于设计了一个协调EMS，该EMS优先利用太阳能，用电池处理快速瞬变，在需求高峰期或太阳能不足时通过FC供电。在MATLAB Simscape中构建了一个完整的多直流微电网模型，并使用LabVIEW和NI-DAQ硬件在实验室规模的光伏-电池-FC装置上进行了实验验证，确认了控制器的实际可行性、稳定的电力共享和可靠的氢气利用。结合仿真和实验结果表明，与传统方法相比，改进了可再生能源的渗透率、增强了负载跟踪能力、更好的存储协调性和更高的系统可靠性。
系统描述
系统描述
图1展示了具有光伏阵列、电池储能（BESS）、质子交换膜电解槽（PEMEL）和燃料电池（FC）堆栈的多直流微电网设置的示意图，这些组件通过一个共同的直流母线相互连接，为可变负载供电。每个单元的详细信息在下面的小节中描述。
协调能源管理系统
EMS监督和协调集成的PV–BESS–EL–FC系统的运行，以确保可靠的电力输送、最优的能源利用和安全的氢气生产。EMS首先评估光伏的可用性，并尽可能优先使用太阳能供电。在光伏发电过剩的情况下，EMS根据实时SoC和系统需求将多余的能源分配给电池充电或驱动电解槽（EL）。
仿真结果与讨论
图3显示了太阳能驱动的燃料电池系统的示意图。光伏接收太阳辐射和温度作为输入，并通过最大功率点跟踪（MPPT）控制器输出直流功率到母线，以提取最大功率。电池子系统监测端电压、电流和SoC，并根据EMS命令在闭环中充电或放电。其输出是双向直流功率，电流受到SoC保护逻辑的限制。
EMS架构
在这种配置中，光伏和电池储能（BESS）作为主要能源，而燃料电池（FC）作为备用单元，在需要时平衡供需。EMS的运行模式主要取决于两个因素：可用发电量和电池的SoC。所提出的EMS的流程图如图6所示。
模式1（仅光伏）：如果光伏产生的功率大于或等于负载需求（），则光伏为负载供电。多余的功率
结论
本研究提出了一个用于集成PV–BESS–EL–FC架构的协调EMS，并通过详细的仿真和实验验证进行了支持。仿真结果表明，在稳定辐照下，250千瓦的光伏阵列可提供高达200千瓦的功率，使得电解槽（EL）有效运行并且电池组得到可控充电。电池储能（BESS）的电压和SoC保持在安全运行范围内，而质子交换膜电解槽（PEMEL）产生了大约15公斤的氢气，随后被燃料电池（FC）利用。
CRediT作者贡献声明
Singh Rupal Hukampal：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Premalata Jena：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法论、正式分析、概念化。Dushyant Kumar Singh：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件、正式分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Singh Rupal Hukampal报告与印度鲁尔基印度理工学院有雇佣关系。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
Singh Rupal Hukampal（IEEE高级会员）目前正在印度北阿坎德邦鲁尔基印度理工学院电气工程系攻读关于太阳能燃料电池系统和混合微电网能源管理的博士学位。她于2009年在印度巴鲁奇政府工程学院获得电气工程学士学位，随后在Sardar Vallabhbhai国家理工学院获得电力电子与驱动技术硕士学位。
