光伏發(fā)電耦合制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化調(diào)度研究

中圖分類號(hào)：TK019 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）19-0005-09

Abstract：Toaddressresourceshortagesandenvironmentalissuescausedbytheuseoffosslfuels，photovoltaic（PVpower generationcoupledwithhydrogenproductionhasgainedwidespreadatentionasakeyaproach torenewableenergyutilization andgreehydrogenproduction.BasedonthemathematicalmodelofthePVgenerationunit，thisstudyemploysthePerturband Observe（amp;O）methodforMaximumPowerPointTracking（MPPT）controlofthePVsystem.AsimulationmodelintegratingPV modules，DC/DCconversioncircuits，andPWMcontrolmodulesisdevelopedtoanalyzethedynamicimpactofiradianceand temperaturevariationsonsystemperformance.Furthermore，consideringtheoperationalcharacteristicsofanAC/DCcoupled hydrogenproductionsystem，anoptimizationschedulingmodelisdesignedwithaneconomicobjectivefunctionandmutiple constraints，proposingcurrentdistributionandpowersupplystrategiesforvariousscenarios.Theresultsdemonstratethatthe developedsystemmodelexhibitsexcelentresponsivenessandstabilityunderdynamicconditions，efectivelyenhancigthe utilizationeficiencyofPVpowerandhydrogenproduction.Thisprovidestheoreticalsupportandtechnicalguidanceforthedeep integration of renewable energy and green hydrogen production.

Keywords：photovoltaicpowergeneration;hydrogenproductiontechnology；AC/DCcoupledsystem;optimalscheduling;fosil energy

能源是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要支柱，長(zhǎng)期以來(lái)，化石能源的過(guò)度開(kāi)采和使用，不僅引發(fā)了資源枯竭的風(fēng)險(xiǎn)，還顯著加劇了全球氣候變暖、環(huán)境污染等生態(tài)問(wèn)題，成為全球發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在此背景下，中國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)-，即2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”，這一承諾將加速能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，推動(dòng)可再生能源的發(fā)展及其在能源供應(yīng)體系中的比重提升69]。近年來(lái)，中國(guó)積極推動(dòng)綠色低碳能源替代傳統(tǒng)高碳能源，大力發(fā)展可再生能源[0]。然而，光伏等可再生能源的間歇性與波動(dòng)性特性，導(dǎo)致了“棄光”等資源浪費(fèi)現(xiàn)象，這成為進(jìn)一步提升可再生能源利用率的主要挑戰(zhàn)。

作為二次能源，氫因其高能量密度、高轉(zhuǎn)化效率以及零污染的特點(diǎn)，被視為未來(lái)清潔能源的重要載體。根據(jù)生產(chǎn)方式的不同，氫分為“灰色氫氣\"“藍(lán)色氫氣\"和“綠色氫氣”，其中“綠色氫氣\"通過(guò)可再生能源發(fā)電電解水制得，碳排放可實(shí)現(xiàn)凈零目標(biāo)，是最具可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ臍錃馍a(chǎn)方式[1-13]。

通過(guò)將光伏發(fā)電與制氫技術(shù)結(jié)合，光伏耦合制氫系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。這一系統(tǒng)不僅能夠通過(guò)制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，還能在電解槽快速響應(yīng)的支持下，提升可再生能源的綜合利用效率。然而，目前針對(duì)以制氫為核心目標(biāo)的光伏耦合制氫系統(tǒng)研究尚不充分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題亟待進(jìn)一步探索。本研究將圍繞這一主題展開(kāi)，旨在提出高效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并優(yōu)化調(diào)度策略，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

1制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化調(diào)度的研究現(xiàn)狀

光伏發(fā)電制氫系統(tǒng)根據(jù)與電網(wǎng)的連接方式可分為離網(wǎng)、并網(wǎng)和非并網(wǎng)3種場(chǎng)景。離網(wǎng)模式主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)，通過(guò)獨(dú)立微電網(wǎng)滿足用電需求，研究重點(diǎn)在光伏發(fā)電與電解槽、儲(chǔ)氫設(shè)備的容量?jī)?yōu)化及經(jīng)濟(jì)性分析，盡管可提升光伏利用率，但成本較傳統(tǒng)供電方式高[4-15]。并網(wǎng)模式主要通過(guò)消納過(guò)剩電能降低制氫成本并提升電網(wǎng)友好性，研究表明，合理配置電解槽和儲(chǔ)能設(shè)備可顯著減少“棄光\"現(xiàn)象，并優(yōu)化削峰填谷功能[16-18]。然而，電-氫-電轉(zhuǎn)換效率偏低仍是限制經(jīng)濟(jì)性的主要因素。非并網(wǎng)模式針對(duì)高載能產(chǎn)業(yè)或特殊應(yīng)用，直接利用光伏發(fā)電制氫，無(wú)需依賴電網(wǎng)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備容量組合提升經(jīng)濟(jì)效益并避免電網(wǎng)資源浪費(fèi)[19-20]。光伏制氫系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)化配置需結(jié)合資源預(yù)測(cè)與負(fù)荷需求，研究集中于目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)與求解算法改進(jìn)。目標(biāo)函數(shù)方面，單目標(biāo)優(yōu)化以經(jīng)濟(jì)性為核心，多目標(biāo)優(yōu)化則綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可靠性和能量利用率。求解算法方面，啟發(fā)式算法（如遺傳算法、粒子群算法）因其全局優(yōu)化能力和計(jì)算效率得到廣泛應(yīng)用，改進(jìn)算法（如混沌量子粒子群算法）進(jìn)一步提升了優(yōu)化性能。此外，研究還針對(duì)動(dòng)態(tài)電價(jià)、設(shè)備特性及環(huán)境因素開(kāi)發(fā)了優(yōu)化模型，為光伏制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要支持，但經(jīng)濟(jì)性和調(diào)節(jié)性能仍有待進(jìn)一步提升。

盡管光伏制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究已取得一定進(jìn)展，但現(xiàn)有研究在經(jīng)濟(jì)性提升和動(dòng)態(tài)調(diào)控能力方面仍存在不足，尤其是在復(fù)雜環(huán)境條件下的運(yùn)行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面亟需改進(jìn)?；诖?，本文圍繞光伏制氫系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化，深入探討了光伏發(fā)電單元的建模與控制、交直流耦合系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)及其優(yōu)化調(diào)度策略，旨在為進(jìn)一步提高光伏制氫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與運(yùn)行效率提供理論支持和技術(shù)方案。

2 交直流耦合系統(tǒng)

2.1光伏發(fā)電單元數(shù)學(xué)模型

光伏發(fā)電是一種清潔高效的能源技術(shù)，其核心原理是通過(guò)光伏電池將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池作為系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，決定了發(fā)電性能和應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前，硅基光伏電池因其成熟的制造工藝和優(yōu)越的性能，成為光伏發(fā)電中最普及的技術(shù)類型，主要包括單晶硅、多晶硅和非晶硅3種類型。其中，單晶硅電池憑借更高的光電轉(zhuǎn)換效率和較長(zhǎng)的使用壽命，在技術(shù)上占據(jù)顯著優(yōu)勢(shì)；而多晶硅電池以生產(chǎn)成本較低的特點(diǎn)，展現(xiàn)了在大規(guī)模應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。

光伏電池的運(yùn)行基于光伏效應(yīng)，完成從太陽(yáng)能到電能的直接轉(zhuǎn)化。當(dāng)太陽(yáng)光照射在光伏電池表面時(shí)，半導(dǎo)體材料吸收光子能量，激發(fā)出電子和空穴等載流子。在載流子未復(fù)合之前，光伏電池內(nèi)部的空間電荷區(qū)形成了內(nèi)建電場(chǎng)，促使電子和空穴定向移動(dòng)，分別進(jìn)入N型區(qū)和P型區(qū)，從而在電池兩端形成光生電壓。這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了光能向電能的轉(zhuǎn)換，為光伏發(fā)電提供了核心動(dòng)力。晶體硅電池的具體等效電路模型如圖1所示，展現(xiàn)了其運(yùn)行的電路特性。

等效電路由以下關(guān)鍵元件組成：光生電流源、并聯(lián)二極管、等效并聯(lián)電阻 R_sh 、等效串聯(lián)電阻 R_s 以及負(fù)載 R 。其中，光生電流源 I_ph 表示太陽(yáng)光照射在光伏電池表面時(shí)產(chǎn)生的光生電流；并聯(lián)二極管模擬光伏電池的非線性特性，其總擴(kuò)散電流為 I_d ；等效并聯(lián)電阻 R_sh 表示內(nèi)部的漏電通路；等效串聯(lián)電阻 R_s 則反映了電池內(nèi)部材料的導(dǎo)電損耗，負(fù)載電阻 R 是光伏電池輸出端的外部負(fù)載。

光伏電池的輸出電流 I 是通過(guò)負(fù)載的電流，而負(fù)載電壓 U 則是光伏電池的輸出電壓。根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以寫出光伏電池的總輸出電流方程

式中： n 為二極管特性擬合參數(shù)； k 為玻爾茲曼常數(shù)，1.381×10^-23J/K;q 為電子電荷量， 1.6×10^-19C;I_o 為二極管反向飽和電流； T 為光伏電池工作溫度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常對(duì)光伏電池的輸出特性方程進(jìn)行適當(dāng)近似處理。由于串聯(lián)電阻 R_s 的值通常較小，并聯(lián)電阻 R_sh 的值通常較大，可以忽略等效電路中公式的第三項(xiàng)（漏電流項(xiàng)）。因此，原輸出特性方程可簡(jiǎn)化為

當(dāng)光伏電池短路時(shí)，外部負(fù)載被短接，光生電流I_ph 流向外部的短路負(fù)載，此時(shí)的短路電流 I_sc 等于光電流 I_ph 。當(dāng)光伏電池輸出端開(kāi)路時(shí)，輸出電流 I=0 ，此時(shí)可獲得開(kāi)路電壓 U_∞ 引人參數(shù) C₁I_sc=I，C₂U_oc=nkT/q ，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化光伏電池的輸出特性方程。最終，光伏電池的簡(jiǎn)化輸出特性方程表達(dá)為

當(dāng)處于最大功率時(shí)

式中： ：I_sc?U_oc?I_m?U_m 參數(shù)代表光伏電池的關(guān)鍵特性，分別為光伏電池短路電流、開(kāi)路電壓、最大功率時(shí)的電流以及最大功率時(shí)的電壓。

由于光伏電池的性能受到光照強(qiáng)度和溫度變化的顯著影響，其參數(shù)值會(huì)隨環(huán)境條件變化而發(fā)生改變。為了對(duì)其性能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和便于分析，通常引入標(biāo)準(zhǔn)條件下的光照強(qiáng)度 G_ref 和溫度 T_ref ，令 ΔT=T-T_ref ΔG=G/（G_ref-1） ，則

式中：光伏電池的系數(shù) Π_{a，b，c} 分別對(duì)應(yīng)不同的物理參數(shù)，其具體取值為 a=0.0025^°C^-1 ，溫度系數(shù)，與電池性能隨溫度變化的關(guān)系有關(guān)； b=0.5m²/W ，輻照度系數(shù)，用于描述光伏電池的光響應(yīng)特性； c=0.00288^°C^-1 ，另一個(gè)溫度相關(guān)參數(shù)，反映溫度對(duì)電池性能的影響。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為滿足負(fù)載的功率需求，通常將多個(gè)光伏組件以串聯(lián)和并聯(lián)的方式組合成光伏陣列。假設(shè)光伏陣列由 N 個(gè)光伏組件串聯(lián)，且每串包含 M 個(gè)光伏組件并聯(lián)，則光伏陣列的輸出電壓 U_a 和輸出電流 I_a 可表示為

通過(guò)這種設(shè)計(jì)，串聯(lián)的光伏組件可以提高輸出電壓，而并聯(lián)的組件則能增加輸出電流，從而滿足不同負(fù)載的功率要求并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出。

2.2 光伏發(fā)電仿真模擬與分析

光伏電池的輸出特性表明，環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的變化會(huì)直接影響其最大輸出功率。為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠在不同的環(huán)境條件下始終以最大功率運(yùn)行，通常需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。MPPT技術(shù)能夠根據(jù)光照強(qiáng)度和溫度的實(shí)時(shí)變化調(diào)整光伏系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，從而保證系統(tǒng)始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，大幅度提高光伏發(fā)電的效率和可靠性。

目前，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的MPPT控制方法主要包括恒電壓跟蹤法（ConstantVoltageTracking，CVT）擾動(dòng)觀察法（Perturb and Observe，Pamp;O）電導(dǎo)增量法（IncrementalConductance，INC）以及模糊邏輯控制法（FuzzyLogic Control，F(xiàn)LC）等。其中，CVT方法因其邏輯簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)而受到關(guān)注。這種方法通過(guò)將光伏系統(tǒng)的工作電壓固定在某個(gè)參考值附近來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。然而，由于其忽略了溫度變化對(duì)光伏電池特性的影響，跟蹤精度較低且可靠性不足，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。擾動(dòng)觀察法（Pamp;O）和電導(dǎo)增量法（INC）是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中最為常用的MPPT算法。Pamp;O法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低、邏輯清晰的優(yōu)點(diǎn)，適用于多種光伏發(fā)電場(chǎng)景。其主要原理是通過(guò)對(duì)光伏系統(tǒng)工作點(diǎn)施加小幅擾動(dòng)，觀察輸出功率的變化方向，并基于功率的變化趨勢(shì)調(diào)整工作電壓或電流，直至找到最大功率點(diǎn)。然而，在環(huán)境條件快速變化時(shí)，Pamp;O法可能出現(xiàn)誤判，導(dǎo)致工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)。Pamp;O法的控制流程圖如圖2所示。

與Pamp;O法相比，電導(dǎo)增量法（INC）通過(guò)檢測(cè)光伏電池輸出電導(dǎo)的增量變化來(lái)確定最大功率點(diǎn)，從而克服了Pamp;O法的盲目性，顯著提高了跟蹤精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。電導(dǎo)增量法通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算光伏系統(tǒng)的導(dǎo)納和功率變化率，判斷是否達(dá)到最大功率點(diǎn)。當(dāng)輸出導(dǎo)納的增量趨于零時(shí)，即表明系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。盡管電導(dǎo)增量法具有更高的精度，但其計(jì)算量較大，控制邏輯較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較高。其具體控制流程如圖3所示。

在本研究中，為了仿真光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制，采用了Pamp;O法作為MPPT控制策略。該方法以其簡(jiǎn)單性和有效性，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用性能。通過(guò)優(yōu)化Pamp;O法的控制參數(shù)，可以進(jìn)一步提升其在動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下的響應(yīng)速度和跟蹤精度，從而最大化光伏系統(tǒng)的能量利用率。

基于上述分析，建立基于Pamp;O法控制的光伏發(fā)電仿真模型，如圖4所示。該仿真模型由光伏電池模塊、DC/DC變換電路、MPPT控制模塊和PWM控制模塊組成。通過(guò)對(duì)各模塊的協(xié)同建模與分析，可以有效模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性及最大功率點(diǎn)跟蹤過(guò)程。

在該模型中，PWM控制技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。PWM控制模塊通過(guò)生成脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā)DC/DC變換電路中的功率開(kāi)關(guān)器件，如MOSFET、GTO或IGBT等。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，變換電路能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整光伏電池的輸出電壓或電流，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制。DC/DC變換電路是實(shí)現(xiàn)MPPT控制的核心，其關(guān)鍵參數(shù)的選擇直接影響系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性。仿真模型中，電路參數(shù)設(shè)置如下： C₁=150μF，C₂=1000μF，L=3.5mH，R=5Ω

基于上述模型，針對(duì)2種不同的仿真條件對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真模擬。在第一種仿真條件下，溫度保持恒定為 25°C ，光照強(qiáng)度從初始的 開(kāi)始，在 0.05s 時(shí)下降至 400W/m² ，隨后在0.1s恢復(fù)至 1000W/m² 。在第二種仿真條件下，光照強(qiáng)度保持恒定為 1000W/m² ，溫度從初始的 25^°C 開(kāi)始，在0.05s升高至 45°C ，然后在0.1s恢復(fù)至 25^°C O仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

在光照強(qiáng)度變化的仿真中，從上到下依次展示了輻射強(qiáng)度、光伏電池輸出電流、輸出電壓和輸出功率的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，輸出電流、電壓和功率與光照強(qiáng)度呈正相關(guān)。當(dāng)光照強(qiáng)度從 1000W/m² 降至 40W/m² 時(shí)，輸出電流、電壓和功率顯著下降；當(dāng)光照強(qiáng)度恢復(fù)至 1000W/m² 時(shí)，這些輸出參數(shù)也隨之迅速回升。這種現(xiàn)象表明光伏電池的輸出特性對(duì)光照強(qiáng)度變化非常敏感，主要原因在于輻照強(qiáng)度直接影響光伏電池的光生電流。

在溫度變化的仿真中，從上到下分別為溫度、光伏電池輸出電流、輸出電壓和輸出功率的變化曲線。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從 25^°C 升高至 45°C 時(shí)，輸出電流略有增加，但輸出電壓和功率均出現(xiàn)小幅下降；溫度恢復(fù)至 25^°C 后，輸出電流、電壓和功率也恢復(fù)至初始狀態(tài)。這種現(xiàn)象是由于高溫條件下光伏電池的光生載流子濃度增加，導(dǎo)致輸出電流略微提高，但同時(shí)溫度升高引起的開(kāi)路電壓下降對(duì)輸出功率產(chǎn)生了更大的負(fù)面影響。

通過(guò)對(duì)比2種仿真條件下的結(jié)果可以看出，光照強(qiáng)度對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出特性的影響顯著大于溫度的影響。具體而言，光照強(qiáng)度的變化直接引起了輸出電流、電壓和功率的大幅波動(dòng)，是影響光伏發(fā)電性能的主要因素。而溫度變化對(duì)輸出特性的影響則相對(duì)較小，主要體現(xiàn)在輸出電壓和功率的輕微下降。此外，無(wú)論光照強(qiáng)度還是溫度發(fā)生變化，系統(tǒng)均能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)當(dāng)前環(huán)境條件作出快速響應(yīng)，迅速調(diào)整工作參數(shù)，使光伏發(fā)電系統(tǒng)保持在最大功率點(diǎn)運(yùn)行。這一結(jié)果驗(yàn)證了所建光伏系統(tǒng)模型在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的可靠性和控制精度，說(shuō)明其能夠適應(yīng)復(fù)雜的實(shí)際運(yùn)行條件，確保發(fā)電效率最大化。

2.3交直流耦合制氫系統(tǒng)概述

依托國(guó)家能源集團(tuán)寧東可再生氫碳減排示范區(qū)項(xiàng)目，根據(jù)當(dāng)?shù)氐木€路布局和環(huán)境狀況，可以得出交直流耦合制氫系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，如圖7所示。

該系統(tǒng)由兩部分光伏發(fā)電單元組成，分別為容量為 120MW 的大型光伏發(fā)電單元和容量為5MW的小型光伏發(fā)電單元。兩部分光伏單元通過(guò)不同的能量變換與控制裝置協(xié)同運(yùn)行，共同為電解制氫設(shè)備提供穩(wěn)定的電能。 120MW 光伏發(fā)電單元的輸出功率經(jīng)過(guò)升壓變壓器將電壓提升，以滿足長(zhǎng)距離輸電的需求。隨后，通過(guò)降壓變壓器將電壓調(diào)整至 35kV 或 10kV 的電網(wǎng)電壓等級(jí)。在此基礎(chǔ)上，利用AC/DC變換器完成從交流電向直流電的能量變換，并接人系統(tǒng)母線，從而為電解制氫設(shè)備提供直流電能。5MW光伏發(fā)電單元通過(guò)DC/DC變換器直接將輸出的直流電壓調(diào)整至母線電壓水平。這部分光伏發(fā)電無(wú)需經(jīng)過(guò)交流環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換，直接接入母線，與大型光伏單元共同為制氫系統(tǒng)提供電力支撐。最后，母線所匯集的直流電最終輸送至電解制氫設(shè)備。電解槽設(shè)計(jì)的額定電壓為 820V ，額定電流為 5800A ，以滿足其高功率制氫的需求。該設(shè)備利用穩(wěn)定的直流電解水，生成高純度氫氣。

這種交直流耦合的系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)充分利用了光伏發(fā)電的直流特性，減少了多次能量變換過(guò)程中的損耗。同時(shí)，通過(guò)并聯(lián)交直流電源，不僅提升了系統(tǒng)的供電靈活性與可靠性，還優(yōu)化了電能的高效利用，為電解制氫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

3 系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究

3.1優(yōu)化模型搭建

結(jié)合耦合制氫系統(tǒng)中各組成單元的出力模型，建立了包含光伏單元及制氫單元的優(yōu)化配置目標(biāo)函數(shù)及約束條件。

3.1.1 系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)

定義整個(gè)系統(tǒng)的總損耗為 Q ，相關(guān)表達(dá)式如下

Q=（Q_conv+Q_line+Q_load+Q_transformer），

式中： Q_conv 為設(shè)備轉(zhuǎn)換損耗， Q_line 為傳輸線路損耗，Q_transformer 為變壓器損耗。

3.1.2 系統(tǒng)約束條件

1）設(shè)備轉(zhuǎn)換損耗 Q_conv 。DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗可通過(guò)以下公式進(jìn)行描述

式中： P_DC 為直流功率； η_DCDC 為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率。

2）傳輸線路損耗 Q_line 。傳輸線路的損耗主要受電流和線路阻抗的影響，可以用以下公式表示

Q_line=I₁²R₁

式中： I₁，R₁ 為直流輸電線路的電流有效值與等效電阻。

3）變壓器損耗 Q_transformer 。變壓器的總損耗 Q_transformer 是銅損和鐵損之和，具體表達(dá)式為

Q_transformer=Q_copper+Q_iron°

4）功率平衡約束。系統(tǒng)必須確保光伏發(fā)電與電解制氫系統(tǒng)的能量供需匹配。即光伏發(fā)電的總功率應(yīng)滿足電解制氫所需的功率，公式如下

P_PV-used=P_electrolysis，

式中： P_PV-used 為實(shí)際用于電解制氫的光伏功率， P_electrolysis 為電解制氫裝置的功率需求。

5）設(shè)備功率限制約束。各個(gè)設(shè)備都有其額定功率和工作范圍，不能超過(guò)其最大設(shè)計(jì)值，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或效率下降。設(shè)備功率的上下限約束公式如下

P_devioe-min?P_device?P_device-max，

式中： P_device 表示任意設(shè)備的輸出功率，如光伏發(fā)電、轉(zhuǎn)換器等； P_device-min 和 P_device-max 分別為該設(shè)備的最小和最大功率限制。

6電壓電流約束。電解制氫設(shè)備運(yùn)行時(shí)有特定電流要求，即保證電流穩(wěn)定維持在額度電流 5800A 的范圍內(nèi)，公式如下

5800?0.2=1160A?I_electrolysis?5800?1.1=6380A（

7）設(shè)備效率約束。各設(shè)備的運(yùn)行效率受負(fù)載的影響，通常設(shè)備在特定負(fù)載下運(yùn)行效率最高，因此需要對(duì)各設(shè)備的效率進(jìn)行限制，確保其工作在合理的效率區(qū)間內(nèi)，避免低效運(yùn)行。公式如下

η_min?η_device?η_max，

式中： η_device 為設(shè)備的運(yùn)行效率； η_min 和 η_max 分別為設(shè)備的最小和最大效率限制。

3.1.3 系統(tǒng)求解模型

綜上所述，制氫系統(tǒng)的優(yōu)化配置過(guò)程是在滿足各項(xiàng)約束條件的前提下，尋求使目標(biāo)函數(shù)最小化的優(yōu)化過(guò)程。系統(tǒng)的求解模型可表述為

3.2 優(yōu)化配置算法設(shè)計(jì)

基于上述分析，結(jié)合制氫廠的實(shí)際工程需求，設(shè)計(jì)出交直流耦合制氫控制策略流程圖，如圖8所示。該方案主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

1）初始化。流程以參數(shù)初始化為起點(diǎn)，獲取光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出、制氫設(shè)備的需求電流及運(yùn)行約束條件，為潮流計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）潮流計(jì)算。潮流計(jì)算通過(guò)交直流混合系統(tǒng)模型確定電流分布，包括初始化光伏發(fā)電功率、制氫需求電流和電流限制條件，建立功率與電流關(guān)系的潮流方程，利用迭代算法（如牛頓-拉夫遜法）求解，驗(yàn)證結(jié)果收斂性，并輸出直流支路電流，為后續(xù)邏輯提供依據(jù)。

3）制氫量控制判斷。依據(jù)潮流計(jì)算結(jié)果，判斷光伏電流是否滿足制氫需求。如無(wú)需調(diào)整制氫功率，則直接進(jìn)行電流分配；如需調(diào)整，則計(jì)算制氫電流需求5800A×η=I_need ，并相應(yīng)調(diào)整制氫設(shè)備的運(yùn)行功率。

4）電流分配邏輯。根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出電流值，執(zhí)行以下分配策略。

I≥6380A ：限制直流支路供電至6380A，剩余電流通過(guò)逆變器并入電網(wǎng)。

1160A?Ilt;6380A ：允許直流支路滿負(fù)荷運(yùn)行，滿足制氫需求。

Ilt;1160A ：?jiǎn)⒂媒涣髦费a(bǔ)充電流，確保供電滿

足系統(tǒng)需求。

5）制氫需求校驗(yàn)。進(jìn)一步判斷當(dāng)前供電是否滿足制氫需求。

I≥I_need ：供電滿足制氫需求，直流支路供電至 I_need 多余電流并入電網(wǎng)。

Ineed ：供電不足，通過(guò)增加交流支路供電補(bǔ)充缺口。

6）優(yōu)化結(jié)果輸出。生成最終優(yōu)化配置，包括交直流支路電流分布、制氫設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及系統(tǒng)效率指標(biāo)，為系統(tǒng)監(jiān)控和后續(xù)優(yōu)化提供依據(jù)。

7）結(jié)束。流程結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，依據(jù)優(yōu)化配置持續(xù)運(yùn)行。

方案共存在以下幾種典型情形，具體分析如下。

1）若需要控制制氫廠的制氫量，且直流支路的電流 I 小于制氫廠所需電流 I_ned ，此時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D和電流的流向如圖9所示。此時(shí)需要交流支路供給 I_need-I 的電流值，以維持制氫廠的正常工作。

2）若需要控制制氫廠的制氫量，且直流支路的電流 I 大于等于制氫廠所需電流 I_need ，此時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D和電流的流向如圖10所示。此時(shí)直流電流產(chǎn)出過(guò)剩，剩余電流 I-I_need 通過(guò)交流支路反向逆變至電網(wǎng)。

3）若不需要控制制氫廠的制氫量，且直流支路的電流 I 小于 1160A ，此時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D和電流的流向如圖11所示。此時(shí)需要交流支路供給 1160A-I 的電流值，以維持制氫廠的正常工作。

4）若不需要控制制氫廠的制氫量，且直流支路的電流 I 介于 1160A 和 6380A 之間，此時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D和電流的流向如圖12所示。此時(shí)只需直流支路供給，就能維持制氫廠的正常工作，無(wú)需啟動(dòng)交流直流光伏機(jī)組。

5）若不需要控制制氫廠的制氫量，且直流支路的電流 I 大于等于6380A，此時(shí)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D和電流的流向如圖13所示。此時(shí)直流電流產(chǎn)出過(guò)剩，剩余電流I-6380A 通過(guò)交流支路反向逆變至電網(wǎng)

4結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞光伏耦合制氫系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制策略展開(kāi)研究，系統(tǒng)地分析了光伏發(fā)電單元的數(shù)學(xué)模型及其最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，并建立了基于擾動(dòng)觀察法的光伏發(fā)電仿真模型。在仿真分析中，研究了光照強(qiáng)度和溫度變化對(duì)光伏系統(tǒng)輸出性能的影響，結(jié)果表明光伏發(fā)電對(duì)光照強(qiáng)度的敏感性顯著高于溫度變化，同時(shí)驗(yàn)證了所建模型在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的可靠性和高效性。此外，基于交直流耦合制氫系統(tǒng)的實(shí)際需求，構(gòu)建了包含光伏發(fā)電、DC/DC變換器、制氫設(shè)備等核心單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化調(diào)度模型，并在目標(biāo)函數(shù)和約束條件的基礎(chǔ)上，提出了多場(chǎng)景下的電流分配和供電策略。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠高效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)能源的穩(wěn)定供給與最大化利用，為光伏發(fā)電與綠色制氫的協(xié)同發(fā)展提供了重要的理論支持和工程實(shí)踐參考。

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