风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真

第31卷 第22期 2007年11月 电 网 技 术 Power System Technology Vol. 31 No. 22

Nov. 2007

文章编号：1000-3673（2007）22-0075-05 中图分类号：TM315；TM301.2 文献标识码：A 学科代码：480·6040；480·6070

风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真

卢继平，白树华

（高电压与电工新技术教育部重点实验室(重庆大学)，重庆市 沙坪坝区 400044）

Modeling and Simulation of Conjoint Independent Power Generation System Consisting of

Power Generation by Wind Energy，Solar Energy and Hydrogen Energy

LU Ji-ping，BAI Shu-hua

（Key Laboratory of High Voltage and Electrical New Technology (Chongqing University)，

Ministry of Education，Shapingba District，Chongqing 400044，China）

ABSTRACT: An independent conjoint power supply system, which consists of wind power generation, solar electrical energy generation and hydrogen energy system (including hydrogen manufacturing by electrolyzing water, fuel cell (FC) system, ultra-capacitor (UC) system, etc., and other system units is proposed. Each system unit is interconnected with others by two DC buses, and power flow controller is adopted. Because the output power of wind power generation and solar electric energy generation is depended on the variation of wind speed and sunshine, so the FC system and UC bank should be worked in with wind power generation and solar electrical energy generation to ensure the reliable power supply of the conjoint system under any condition. When wind energy and solar energy are sufficient, wind turbine and photovoltaic arrays can satisfy load demand and at the same time they can feed electrolyzer; when wind energy and solar energy cannot satisfy load demand, the FC system will provide supernumerary electric energy, at the same time the deficient part of load power excessing the maximum power supply ability of FC system can be fed by UC bank in a short-term. By use of Matlab a model of the conjoint system is established; taking the out-of-the-way village in Tibet for example, the dynamic response of the conjoint system is simulated, simulation results show that the proposed conjoint independent power supply system can be used to out-of-the-way regions where the wind speed and sunshine vary intensively just like in out-of-the-way villages of Tibet.

KEY WORDS: wind power generation；photovoltaic power generation；fuel cell；ultra-capacitor；renewable energy source and hybrid power generation；modeling；simulation 摘要：提出了一种独立使用的风光氢联合式独立发电系统，该系统由风力发电、太阳能发电、氢能系统(包括电解水制

氢、燃料电池系统、超级电容等)及其他系统单元组成。各单元通过2条直流总线联接，并采用功率流控制。由于风力发电与太阳能发电所输出的功率随风速和日照的变化而变化，因此采用燃料电池系统与超级电容堆与风光发电系统配合使用，以保证系统在任何条件下都具有可靠的供电性能。当风能与太阳能充足时，风机与光伏阵列可满足负荷的需要，同时还可向电解池供电；如果不能满足负荷的需要则由燃料电池提供额外的电能，同时由超级电容在短时期内向负荷提供燃料电池最大功率以外的那部分电能。最后在Matlab环境下建立了系统仿真模型，并以西藏边远村落为例对该系统的动态响应进行了仿真分析，仿真结果表明本文提出的供电系统可以用于以西藏为典型代表的风速和光能变化较大的边远地区。

关键词：风力发电；光伏发电；燃料电池；超级电容；可再生能源与混合发电；建模；仿真

0 引言

太阳能光伏发电、风力发电是当前解决无电地区居民生活用电问题的重要方式。风能与光能都具有很大的随机性，影响电力系统的供电稳定性与可靠性，同时电能储存也一直是风力发电和光伏发电等可再生能源发电方式需要解决的问题。目前广泛使用的铅酸电池只能在短时间(数天)内储存电能，且存在使用寿命短、费用高等缺点。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)技术已进入实验和示范应用阶段，为偏远地区使用以氢能形式存储能量的混合发电系统产生的电能成为可能。若将风能、光能等可再生能源产生的电能通过电解水制氢的方式转化为氢能储存起来以备燃料电池使用，则可实现长期的能源存储。燃料

76 卢继平等：风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真 Vol. 31 No. 22

电池发电系统及超级电容堆与风光互补系统联合应用于独立供电系统，可以使系统更稳定，可靠性更高。基于以上考虑，本文提出一种风光氢联合式独立发电系统结构，并在Matlab中建立系统的仿真模型，对系统的动态响应进行仿真分析。

1 系统描述

1.1 系统结构

本文提出的独立供电系统(联合式独立发电系统)的结构如图1所示，该系统主要包括风力机组、感应发电机、光伏电池阵列、交流/直流半导体闸流管控制双向桥整流器、燃料电池/超级电容系统、由比例积分控制器(proportional integral controller，PI controller)控制工作系数的升压型(boost)直流/交流变流器、两个直流/交流绝缘门极双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)逆变器以及变压器等。

Fig. 1 The structure of independent

conjoint power supply system

1.2 系统基本参数

以上述独立发电系统在西藏边远乡镇的应用为例，采用120 kW风力发电机组、54 kWp太阳能单晶硅电池板及35 kW燃料电池堆构成混合发电系统，主要单元的基本参数如下：

（1）风电部分。由8台异步风力发电机组并联组成，转子类型为鼠笼型，总容量为8×15 kW= 120 kW，额定电压为400 V，频率为50 Hz，极对数为2。

（2）光伏阵列部分。太阳能电池组件总功率为54 kWp。无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP270S-24/Vc系列单晶硅太阳能电池组件的开路

电压为44.2 V，

最佳工作电压为35.4 V，短路电流为7.83 A，最佳工作电流为7.62 A，峰值功率为270 W。每组电池串联10块并取20组。

（3）燃料电池部分。由7组单个功率为5 kW

的PEMFC模块串联组成，总容量为35 kW。该模

块采用Ballard公司的Mark V型燃料电池堆的参数，由35个燃料电池单体组成，标称输出功率为5kW，无负荷电压为57.02 V，全负荷电压输出为35.23 V。每个电池的活性区域面积是232 cm2、960mA/cm2，动态响应电容C的电容值为3F[1]。 1.3 系统的运行方式

该系统有以下3种运行方式：

（1）在风/光能源充足时，风力发电机、光伏阵列联合运行，过剩的电能供给水电解池制氢存储起来，以备今后燃料电池的使用。

（2）当风/光能源不足时，由燃料电池向系统补充所需要的电能。

（3）当连续出现阴雨无风天时，由燃料电池单独向重要负荷供电。

2 系统电量计算及负荷计算

2.1 发电量计算

2.1.1 太阳能发电部分的日平均 …… 此处隐藏：3768字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……