风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真(2)

年平均 日用 年用 项目

数量

功率/ 总功率/ 日平均 W

kW

用电小 用电小 电量/ 电量/ 备注

时数/ h

时数/ h

kWh

kWh

电视机 1 100 0.100 4 1460 0.400 146 — DVD机 1 30 0.030 3

1095 0.090 32.5 —

灯具 2 45 0.090 5 1825 0.450 164.25

—

电热毯 2 30 0.060 6 1440 0.36 86.4

按8个

月计算全天合计 —

— 0.280 —

— 1.300 429 —

乡镇用电负荷分为两大类：①满足人们生活需要的基本用电负荷，如照明、家用电器、生活小动力等；②保证正常生产的动力负荷，如一些容量较大的动力泵。表2为西藏普通乡村日耗电量表，其中预测了未来西藏普通乡镇的用电负荷及其耗电量。由表2可知，普通乡镇用电总功率约为103.04 kW，而其日耗

电量为699.524 kWh，

年总用电量为255 326.26 kWh左右。因此，本文设计的风光混合发电系统能够满

足未来西藏普通乡镇的用电需要。 2.3 燃料电池发电系统容量的计算

由于风能和光能都具有较大的随机性和不稳

表2 西藏普通乡村日耗电量表 Tab. 2 The daily electricity consume

of common country in Tibet

日平均平均日 平均年 项目

数量功率/ 总功率/ 年平均

W kW

使用 使用

用电量/ 用电量/时间/h 时间/h

kWh

kWh

民用电 10028028.0004.273 1 559.645 119.644 43 670.06卫星接收站1 8000.800 5 1 825 4.000 1 460 会议室 4 60 0.240 2 730 0.480 175.2 抽水机 1 2 0002.000 4 1 460 8.000 2 920 卫星电话 1 2000.200 1 365 0.200 73 动力负荷 70 00070.0008 2 920 560.000 204 400 学校教室、教研室

15

120

1.8 4 1 460 7.2 2628

合计 103.04

699.524 255 326.26

定性，无风、无光时不能发电，所以把风、光发出

的过剩电能储存起来待风/光发电系统供电不足时使用是很重要的。由于蓄电池具有维护费用高、储能时间短等缺点，而采用氢能储能可以实现较长时间的能源储备，因此本文采用电解水制氢的方式进行储能。风/光互补发电系统与燃料电池堆联合使用，如果用户负荷大于风/光所能供给的电能，燃料电池堆便进入工作状态，向负荷供电；如果风力发电机所提供的负荷电流过剩，则过剩的电流便传输到电解池，由电解池产生的氢储存在储氢罐内以备燃料电池堆的使用，超级电容与燃料电池并列使用，可减少直流总线的电压变化。表2显示出居民生活基本负荷为28 kW，本文选择35 kW的燃料电池堆作为备用电源，在考虑系统损耗及其他辅助设备(如燃料电池系统用空气压缩机、加湿器等)的功率损耗后可以达到32 kW的额定功率，能够较好地满足供电的连续性需求。

3 系统仿真及结果分析

为了检验本文提出的混合发电系统的可靠性，

在Matlab环境下建立了系统仿真模型，

其中包括风力发电机组模型[5]、光伏阵列模型[6-8]、燃料电池模型[1,9]、电解池模型、超级电容模型[10-12]、直流-直

流DC-DC升压变流器模型[13-15]，

逆变器模型[16]等，如图2所示。

为了简化仿真步骤，本文仅对用户负荷及风光混合系统的输出总功率变化时的系统暂态响应进行了仿真，如图3、4所示。风/光/燃料电池混合系统的结构可以满足用户负荷的需求，如果需求功率大于从风/光混合系统获得的功率，燃料电池系统可以满足额外的功率需求。超级电容堆用于满足短期功率需求，提供燃料电池系统不能提供的剩余功率。

78 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

图2 联合式独立发电系统仿真模型

Fig. 2 Simulation model of independent conjoint power supply system

燃料电池端电压/V

总负荷需求/kW 100 80 40 0 0

5 10 15 20 25 30

t/s

400360320280

510

图3 用户负荷曲线

Fig. 3 The curve of load demand

风/光系统输出功率/kW

80 60 40 20

图6 燃料电池系统端电压

Fig. 6 Internal voltage of the FC system

15 20 25 30t/s

图4 风/光发电系统输出总功率变化曲线

Fig. 4 Total power of wind power generation and solar

electrical energy generation

0 5 10 15 20 25 30

t/s

超级电容输出功率/kW

图5为燃料电池输出功率典线，从图中可以看

出，当风/光发电系统输出功率下降后，负荷需求与风机输出功率的差额由燃料电池系统提供，该系统较好地满足了交流侧负荷功率的需要。

燃料电池系统 输出功率/kW

30 20 10

0 5 10 15 20 25 30

t/s

电系统电压对负荷变化的暂态响应，可见燃料电池

系统的功率增加时，其端电压开始下降，这种功率和电压的相对关系反映了燃料电池系统的性能和可靠性。

根据图4所示的负荷功率变化情况，在仿真开始17~21 s和25~27 s间出现峰值负荷。在此段时间内燃料电池系统输出功率已达到最大值，在风/光发电系统输出功率没有增加的情况下，超级电容堆开始向直流总线输出功率，部分峰值负荷需要由超级电容堆提供，如图7所示。

402000

5

10

15 20 25 30t/s

图5 燃料电池系统输出功率

Fig. 5 Output power of FC system

图7 超级电容输出功率 Fig. 7 Output power of UC bank

与图4所示的负荷曲线相比，在仿真开始15s后燃料电池的功率增加到最大值，满足负荷增加的需要。同时，随着燃料电池系统输出功率的变化，燃料电池的端电压也发生变化。图6为燃料电池发

超级电容堆输出功率变化引起其端电流变化，

由图8可以看出，超级电容电流在17s如图8所示。

前为0，当其为正时(17~21 s和25~27 s间)超级电容堆开始放电，向超级电容总线传输电能。当电流为负时(27~30 s)超级电容开始充电。超级电容堆在第

第31卷 第22期

电 网 技 术 79

A流/100 电容电0 级超 100

5 10 15 t/s 20 25 30

图8 超级电容电流随输出功率变化曲线

Fig. 8 UC current change with respect to power demand

一次放电后没有进行充电是因为燃料电池系统正运

行在最大功率输出点。27 s后负荷需求下降，燃料电池系统剩余的功率流向超级电容，超级电容堆开始充电。图9为超级电容堆电压在充放电过程中的变化情况。当电能传向负荷侧时，超级电容堆电压明显下降，在充电时则明显上升。

V380 压/电350 容电320 级超290

5 10 15 20 25 30

t/s 图9 超级电容堆电压变化曲线

Fig. 9 The curve of relationship between UC

bank voltage and time

燃料电池/超级电容系统输出端的直流/直流变

流器的输出电压随时间变化的曲线如图10所示。

可见虽然超级电容和燃料电池系统的电压因负荷变化而发生波动，但其直流/直流变流器成功地保持了负荷电压的稳定。

统

V600 系压/CU电400 /C出200 P输0 0

5 10 15 t/s 20 25 30

图10 输出电压随时间变化曲线

Fig. 10 The curve of relationship between

output voltage and time

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