SSB蓄电池基于光伏-电池-逆变器能量管理系统的可持续制氢实验研究

2026-03-18 13:57:00

光伏（PV）系统的快速普及加速了水电解等技术与分布式能源系统的整合。然而，可再生能源的波动性阻碍了光伏系统的稳定运行。为解决这一问题，本研究提出一种基于光伏-电池-逆变器的能量管理策略，为制氢提供高度可再生能源驱动的电力供应。该控制策略优先在高辐照时段进行电池充电，随后通过逆变器将光伏和电池能量传输至电解槽，并在低辐照时段以电网作为备用电源。在持续5.5小时的操作窗口内进行的实验验证证实，该系统利用约97%的光伏发电量制氢，将电网依赖时间缩短至10分钟。对比分析结果验证了该系统的运行稳定性和高效性。此外，通过平准化制氢成本（LCOH）分析测算，系统产氢成本为22.6美元/公斤。这些研究结果证明了所提架构在不同运行条件下的技术鲁棒性，并突显了其对光伏驱动制氢系统的方法学贡献。

引言

当前，由于人口增长导致的能源需求增加，以及由此引发的全球变暖与环境污染加剧，使得大幅降低对化石燃料的依赖成为迫切需求。这进一步提升了从可再生能源（RES）获取能源的重要性[1]。在各类可再生能源中，太阳能因其易获取性和高产能特性而尤为突出。此外，现代先进的电力转换技术已使太阳能成为优先选择的能源形式。得益于这些优势，光伏系统被广泛应用于多种可持续能源应用中，包括绿色制氢。然而，光伏组件产生的能量会随着环境温度和太阳辐照度波动而持续变化。这种由太阳特性导致的能量波动会引发诸多问题，例如通过限制电解槽所需的持续稳定电力供应，造成可持续制氢过程的中断与能效低下。因此，开发一种能源管理系统（EMS）至关重要，该系统将在将光伏系统所获能量高效稳定地传输至电解槽以实现绿色制氢的过程中发挥关键作用。现有文献亟需通过采用EMS管理光伏发电波动来实现能量流平衡的实验研究。
在各种类型的氢气中，绿色氢气因其近乎零碳足迹的特性，被认为是最重要的未来能源系统之一。这种氢气可与可再生能源(RES)协同生产。与化石燃料制氢伴随高碳排放相比，绿色氢气能显著减少温室气体排放，并凭借其约33.6 kWh/kg的高能量密度[2,3]，正日益广泛地应用于从交通运输到重工业等多个领域。水(H2O)的组成元素氢(H₂)与氧(O₂)的分离过程，₂通过电解水（H₂O）生产绿色氢能是一种清洁可持续的技术路径。目前大多数电解技术仍处于研发阶段，其中阴离子交换膜（AEM）电解技术虽具备低温运行能力[4]，但尚未完全成熟。相较而言，碱性电解（A-EL）、固体氧化物电解（SO-EL）以及质子交换膜（PEM）电解技术因其可与太阳能、风能等可再生能源（RES）实现系统集成[5]，已在绿色制氢领域获得广泛应用。A-EL技术的电流密度范围为2-4 kA/m²²电池电压为1.8-2.4V，效率为62-82%，而质子交换膜电解槽(PEM-EL)的电流密度为6-20kA/m²²电池电压为1.8-2.2V，效率达67-84%。而SO-EL的电池电压为0.7-1.5V，效率最高可达90%[6]。在此背景下，由于太阳辐照的波动特性，光伏组件产生的功率波动会在直接连接工况下对电解系统的稳定高效运行造成严重问题。为确保电解槽安全、高效且稳定运行，供给电解槽的电流与电压值必须处于安全操作范围内。否则，可能出现装备故障、装备寿命缩短及生产效率低下等问题。因此，必须建立完善的能量管理系统（EMS）以确保电解槽安全高效运行[7]。在此背景下，保证太阳能电池板产生的可变电压和电流通过逆变器稳定传输至电解槽，是此类应用的重要解决方案。在现有电解槽技术中，质子交换膜电解槽（PEM-EL）因其高效率、低功耗及高纯度气体生产能力而被广泛应用[8]。M. E. Amri及其同事报道称，他们在模拟环境中结合光伏能源进行电池充电与绿色制氢的系统，在不同太阳辐照条件下均表现良好[9]。Shen Yuong Wong等[10]对比了光伏电解(PV-EL)系统中的最大功率点跟踪(MPPT)与质子交换膜电解槽(PEM-EL)控制策略，并指出现有方法难以同时执行多重控制。Maneesh Kumar等[11]指出，其基于自适应比例-积分-微分（APID）的小型PEM-EL系统DC-DC降压变换器电压控制策略，在性能上优于模型参考自适应控制器（MRAC）和比例-积分-微分（PID）控制策略。另一项研究中，N. J. W. Chieh等人通过模拟环境验证了光伏-电解（PV-EL）集成系统的高效运行特性[12]。Yessef等学者的研究[13]则对PV-EL系统的能效进行了全面综述。该研究强调了功率转换器效率和最大功率点追踪(MPPT)算法在绿氢生产中的关键作用。类似地，Guo等人[14]比较了光伏-电解(PV-EL)系统中的功率转换器和电解槽模型。研究强调需要采用适当的建模技术以避免受到光伏系统波动特性的负面影响。另一项研究通过不同电路拓扑结构分析了功率转换器和MPPT算法的效率。在模拟研究中，模型在高辐照度条件下报告了90%的效率[15]。J. Wang等人[16]比较了质子交换膜电解槽(PEM-EL)和碱性电解槽(A-EL)在绿氢生产中的性能。实验研究表明PEM-EL能在更低电压下产生相近量的氢气。Amiri等人[17]提出了一种具有高效率、低损耗和低纹波特性的功率转换器，可应用于可持续能源领域。L. Zou等人[18]开发了一套通过扰动观察(P&O)算法和DC-DC电源转换器为电解槽提供高效稳定电力输送的系统。该模型展现出年产约2.1×10⁶标准立方米氢气的生产潜力。⁷采用功率为0.5兆瓦的光伏系统每月可生产L（单位）氢气。Tamer等学者[19]在埃及苏伊士开展的实验研究中，建立了基于光伏-质子交换膜电解槽的制氢模型。经证实，该模型在模拟结果与实验数据间具有高度一致性。此外，研究者对比分析了集成光伏-电解系统中直接耦合与间接耦合绿色制氢方式的效率差异。研究表明，间接耦合光伏-电解系统能实现更高的绿色制氢效率[20]。在Gutiérrez-Martín等[21]报道的研究中，作者比较了离网光伏电解系统中直接耦合与电池辅助系统的性能。与预期优势相反，他们发现电池辅助系统生产绿色氢气的成本约为6-7欧元/公斤。Hassan Ouabi等[22]对比了光伏集成PEM电解槽、碱性电解槽和阴离子交换膜电解槽技术的性能。该研究强调，通过创新设计可借助电池平衡光伏电解系统的功率波动，实现可持续氢气生产。Cai等[23]对直接耦合的光伏-电解（PV-EL）系统进行了研究。该研究指出，通过采用特定算法实现了可靠连接，该算法既能确保电解槽在适宜条件下运行，又能减少光伏组件的能量波动。另一项研究[24]比较了三种不同PV-EL系统在多变工况下的性能表现，结果强调：为获得高性能，必须配置蓄电池、电网连接装置以及采用高效功率变换器。
另一项针对风能、太阳能等可再生能源（RES）与A-EL整合的研究[25]表明，所提出的模型可将制氢成本降至约2欧元/千克。该研究聚焦于基于聚光光伏（CPV）的太阳能制氢系统，作者假定太阳能-氢气转换效率为28%，在其技术经济分析中得出5.9美元/千克的平准化制氢成本（LCOH）。研究进一步指出，当CPV组件总装机容量超过180GW且运行电流密度达到0.7A/cm²时，（经济效益将显著提升）。²预计平准化氢气成本(LCOH)可降至2美元/千克以下[26]。这些预测仅适用于聚光光伏驱动系统，不直接适用于传统光伏-电解耦合系统。Gu等[27]发表的研究表明，在MATLAB/Simulink中开发的光伏-电池-质子交换膜电解槽(PV-Battery-PEM-EL)模型，在相同辐照条件下比无电池系统能效提高了2-4%。尽管这些研究证实光伏-电解技术整合具有技术可行性和高效性，但多数结论基于模拟数据，缺乏能源管理策略的实验验证。这凸显了需要开展专门研究，重点测试电池与逆变器辅助混合系统在真实工况下的性能表现。
此外，多项研究探讨了光伏辅助制氢技术。例如，Ondrejička等[28]分析了MPPT优化对光伏制氢效率的影响，Urs等[29]评估了不同光伏配置方案的技术经济性能。为提高可再生能源渗透率，Nasser等[30]研究了光伏与风力涡轮机组合对制氢成本的影响。这些研究从多维度探讨了可再生能源制氢方案。类似地，Sayed等[31]对风光互补系统的可行性进行了评估，而Erdemir等[32]则从环境与经济双重视角对光伏制氢工厂进行了系统分析，为现有文献提供了补充性见解。现有研究多采用模拟方法，但通过实验验证这些方法的适用性，可进一步评估其在真实系统中的实际应用价值。为此，表1总结了本文系统与文献中若干密切相关的实验系统在光伏发电、电解槽类型、储能类型、控制策略/管理、氢气产量及可再生能源来源等方面的比较。如表1所示，制氢系统普遍采用不同类型的光伏组件。虽然文献[33][34][35]缺乏管理策略，但文献[36][37]采用了DC/DC变流器连接方案。与其他研究不同的是，文献[38]将风能与太阳能相结合。%% 文献[39][40]采用基于MPPT算法的光伏主导型可再生能源配置来实现绿氢制备。
现有大多数前沿实验性光伏制氢研究均采用无电池设计。然而由于电解槽接收波动电力，系统稳定性受到限制。此外，文献中的模型验证研究往往缺乏完整系统集成。%%本研究通过构建包含能量管理、电池缓冲及逆变器接口的真实微电网系统，实现了技术突破。在此框架下，本研究的主要贡献可归纳如下。 studies in the state of the art are battery-free. However, because the electrolyzer receives fluctuating power, stability is limited. Furthermore, model validation studies in the literature often omit full system integration. In contrast, our study creates a true microsystem with energy management, a battery buffer, and an inverter interface. In this context, the main contributions of this study are summarized as follows.₂

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  光伏-电池-逆变器集成系统经过设计与实验验证，可确保电解槽在白天变动太阳能条件下稳定运行。
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  所开发的能量管理策略使电解槽能够以约97%的可再生能源运行，将电网依赖度降至3%。
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  系统性能通过模拟和实验数据进行评估，同时提出了包括LCOH在内的综合分析。
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  基于这些特性，我们的研究作为一个完全集成的光伏-氢系统脱颖而出，该系统通过基于光伏-电池-逆变器的能量管理为电解槽提供稳定且几乎完全可再生的能源，并经过实验验证。₂ system that provides stable and almost entirely renewable energy to the electrolyzer through PV-battery-inverter-based energy management, with experimental validation.

换句话说，本研究旨在通过电池辅助能量管理系统平衡光伏系统产生的波动能量，并将逆变器的稳定功率传输至质子交换膜电解槽，从而实现高效安全的制氢。本研究的主要贡献在于：对实验室规模的光伏-电池-逆变器装置进行了模拟与实验环境下的集成测试，并提出了一种实用控制策略，该策略能在变化的光照条件下维持能量供应的连续性。该系统并非直接提供太阳能电池板的波动输出，而是通过算法管理电网与电池，为电解槽提供所需的最佳电流与电压。MATLAB/Simulink软件仿真与实验研究共同验证了系统性能。结果表明，在330分钟的实验运行中，电解槽始终保持着最高效率运行。所提出的能量管理系统（EMS）证明，该系统仅需电网支持10分钟即可完成非绿氢生产，并能够利用光伏能源实现320分钟的绿氢生产。这些发现表明系统在波动太阳辐照条件下具有稳定性、可持续性及高效性。