Power Coordinated Control for DC Microgrid with Hydrogen-Storage-Wind Power Considering Hydrogen Production Efficiency Optimization

YIN Deqiang; YAO Liangzhong; CHENG Fan; XU Jian; WU Ming; ZHAI Dongyang

doi:10.7500/AEPS20240108007

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Power Coordinated Control for DC Microgrid with Hydrogen-Storage-Wind Power Considering Hydrogen Production Efficiency Optimization

Power Energy Transition for Carbon Emission Peak and Carbon Neutrality | 更新时间：2025-06-16

- Power Coordinated Control for DC Microgrid with Hydrogen-Storage-Wind Power Considering Hydrogen Production Efficiency Optimization
- Automation of Electric Power Systems Vol. 48, Issue 13, Pages: 19-29(2024)
- 作者机构：
  
  1.交直流智能配电网湖北省工程中心(武汉大学),湖北省武汉市 430072
  2.武汉大学电气与自动化学院,湖北省武汉市 430072
  3.中国电力科学研究院有限公司,北京市 100192
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China-State Grid Joint Fund for Smart Grid(U2166206)
- DOI：10.7500/AEPS20240108007
  CLC：
- Received：08 January 2024，
  
  Revised：2024-04-02，
  
  Published Online：24 May 2024，
  
  Published：10 July 2024
- 稿件说明：
移动端阅览
尹德强,姚良忠,程帆等.考虑制氢效率优化的氢-储-风直流微网功率协调控制[J].电力系统自动化,2024,48(13):19-29.

YIN Deqiang,YAO Liangzhong,CHENG Fan,et al.Power Coordinated Control for DC Microgrid with Hydrogen-Storage-Wind Power Considering Hydrogen Production Efficiency Optimization[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(13):19-29.
尹德强,姚良忠,程帆等.考虑制氢效率优化的氢-储-风直流微网功率协调控制[J].电力系统自动化,2024,48(13):19-29. DOI： 10.7500/AEPS20240108007.

YIN Deqiang,YAO Liangzhong,CHENG Fan,et al.Power Coordinated Control for DC Microgrid with Hydrogen-Storage-Wind Power Considering Hydrogen Production Efficiency Optimization[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(13):19-29. DOI： 10.7500/AEPS20240108007.

摘要

利用风电等新能源制氢是提高新能源消纳能力的一种有效技术手段。为适应风电及负荷功率的波动性并确保制氢电解槽高效运行，提出一种考虑制氢效率优化运行需求的氢-储-风直流微网功率协调控制方法。根据制氢电解槽优化运行区间和直流母线电压波动范围，将直流微网划分为正常运行模式（即制氢电解槽优化运行）和极端运行模式（即制氢电解槽非优化运行）。在正常运行模式下，通过电解槽的自适应下垂控制和电池储能含虚拟电容的变系数下垂控制，将电解槽运行点维持在优化运行区间内，保证电解槽高效安全运行；在极端运行模式下，通过氢/储控制策略灵活切换以确保直流微网电压安全。所提协调控制方法不但可快速抑制风电及负荷功率波动所引发的直流母线电压波动，而且可维持制氢效率处于较高水平。最后，通过PSCAD/EMTDC的仿真算例分析验证了所提方法的有效性和优越性。

Abstract

Hydrogen production from renewable energy

such as wind power

is an effective technical means to improve the accommodation capability for renewable energy. A power coordinated control method for DC microgrid with hydrogen-storage-wind power considering optimized operation requirements of hydrogen production efficiency is proposed

which can adapt to the wind power and load power fluctuations and ensure the efficient operation of the hydrogen production electrolyzer. According to the optimized operation area of the hydrogen production electrolyzer and the range of DC bus voltage fluctuations

the DC microgrid is divided into normal operation modes (i.e.

optimized operation of hydrogen production electrolyzer) and extreme operation modes (i.e.

non-optimized operation of hydrogen production electrolyzer). In the normal operation modes

the operation point of the electrolyzer is maintained within the optimized operation area through the self-adaptive droop control of the electrolyzer and the variable coefficient droop control with a virtual capacitor of the battery energy storage to ensure the efficient and safe operation of the electrolyzer. In the extreme operation modes

the voltage safety of the DC microgrid is assured through flexible switching control strategies of hydrogen and storage. The proposed coordinated control method can not only rapidly suppress the DC bus voltage fluctuations caused by the wind power and load power fluctuations

but also maintain the hydrogen production efficiency at a high level. Finally

the effectiveness and superiority of the proposed method are verified through simulation cases of PSCAD/EMTDC.

关键词

Keywords

references

康重庆，姚良忠 . 高比例可再生能源电力系统的关键科学问题与理论研究框架［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 9 ）： 2 - 11 .

KANG Chongqing ， YAO Liangzhong . Key scientific issues and theoretical research framework for power systems with high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 9 ）： 2 - 11 .

鲁宗相，林弋莎，乔颖，等 . 极高比例可再生能源电力系统的灵活性供需平衡［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 16 ）： 3 - 16 .

LU Zongxiang ， LIN Yisha ， QIAO Ying ， et al . Flexibility supply-demand balance in power system with ultra-high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 16 ）： 3 - 16 .

王士博，孔令国，蔡国伟，等 . 电力系统氢储能关键应用技术现状、挑战及展望［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 17 ）： 6660 - 6681 .

WANG Shibo ， KONG Lingguo ， CAI Guowei ， et al . Current status， challenges and prospects of key application technologies for hydrogen storage in power system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 17 ）： 6660 - 6681 .

袁铁江，谭捷，万志 . 考虑下游氢负荷波动的新能源制氢系统协调控制策略［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 6 ）： 150 - 157 .

YUAN Tiejiang ， TAN Jie ， WAN Zhi . Coordinated control strategy of hydrogen producing system powered by renewable energy considering downstream hydrogen load fluctuations ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 6 ）： 150 - 157 .

郜捷，宋洁，王剑晓，等 . 支撑中国能源安全的电氢耦合系统形态与关键技术［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 19 ）： 1 - 15 .

GAO Jie ， SONG Jie ， WANG Jianxiao ， et al . Form and key technologies of integrated electricity-hydrogen system supporting energy security in China ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 19 ）： 1 - 15 .

HUANG C J ， ZONG Y ， YOU S ， et al . Cooperative control of wind-hydrogen-SMES hybrid systems for fault-ride-through improvement and power smoothing ［J］. IEEE Transactions on Applied Superconductivity ， 2021 ， 31 （ 8 ）： 5402907 .

PEI W ， ZHANG X ， DENG W ， et al . Review of operational control strategy for DC microgrids with electric-hydrogen hybrid storage systems ［J］. CSEE Journal of Power and Energy Systems ， 2022 ， 8 （ 2 ）： 329 - 346 .

曹蕃，郭婷婷，陈坤洋，等 . 风电耦合制氢技术进展与发展前景［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2187 - 2201 .

CAO Fan ， GUO Tingting ， CHEN Kunyang ， et al . Progress and development prospect of coupled wind and hydrogen systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 6 ）： 2187 - 2201 .

OSMAN HARUNI A M ， NEGNEVITSKY M ， HAQUE M E ， et al . A novel operation and control strategy for a standalone hybrid renewable power system ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2013 ， 4 （ 2 ）： 402 - 413 .

JAFARI M ， MALEKJAMSHIDI Z ， LU D D C ， et al . Development of a fuzzy-logic-based energy management system for a multiport multioperation mode residential smart microgrid ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3283 - 3301 .

张学，裴玮，梅春晓，等 . 含电/氢复合储能系统的孤岛直流微电网模糊功率分配策略与协调控制方法［J］. 高电压技术， 2022 ， 48 （ 3 ）： 958 - 968 .

ZHANG Xue ， PEI Wei ， MEI Chunxiao ， et al . Fuzzy power allocation strategy and coordinated control method of islanding DC microgrid with electricity/hydrogen hybrid energy storage systems ［J］. High Voltage Engineering ， 2022 ， 48 （ 3 ）： 958 - 968 .

LUTA D N ， RAJI A K . Energy management system for a hybrid hydrogen fuel cell-supercapacitor in an islanded microgrid ［C］// 2019 Southern African Universities Power Engineering Conference/Robotics and Mechatronics/Pattern Recognition Association of South Africa （SAUPEC/RobMech/PRASA）， January 28-30 ， 2019 ， Bloemfontein， South Africa ： 611 - 615 .

蒲雨辰，李奇，陈维荣，等 . 计及最小使用成本及储能状态平衡的电-氢混合储能孤岛直流微电网能量管理［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 3 ）： 918 - 927 .

PU Yuchen ， LI Qi ， CHEN Weirong ， et al . Energy management for islanded DC microgrid with hybrid electric-hydrogen energy storage system based on minimum utilization cost and energy storage state balance ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 918 - 927 .

张继红，赵锐，高雷，等 . 直流微网母线电压稳定控制策略［J］. 电网技术， 2021 ， 45 （ 12 ）： 4922 - 4929 .

ZHANG Jihong ， ZHAO Rui ， GAO Lei ， et al . DC bus voltage stability control strategy for DC microgrid ［J］. Power System Technology ， 2021 ， 45 （ 12 ）： 4922 - 4929 .

曾国辉，廖鸿飞，赵晋斌，等 . 直流微网双向DC/DC变换器虚拟惯量和阻尼系数自适应控制策略［J］. 电力系统保护与控制， 2022 ， 50 （ 6 ）： 65 - 73 .

ZENG Guohui ， LIAO Hongfei ， ZHAO Jinbin ， et al . A self-adaptive control strategy of virtual inertia and a damping coefficient for bidirectional DC-DC converters in a DC microgrid ［J］. Power System Protection and Control ， 2022 ， 50 （ 6 ）： 65 - 73 .

HAN Y ， YANG H Q ， LI Q ， et al . Mode-triggered droop method for the decentralized energy management of an islanded hybrid PV/hydrogen/battery DC microgrid ［J］. Energy ， 2020 ， 199 ： 117441 .

王激华，叶夏明，秦如意，等 . 基于指数型下垂控制的氢电混合储能微网协调控制策略研究［J］. 中国电力， 2023 ， 56 （ 7 ）： 43 - 53 .

WANG Jihua ， YE Xiaming ， QIN Ruyi ， et al . Research on coordinated control strategy of hydrogen-electric hybrid energy storage microgrid based on exponential-function-based droop control ［J］. Electric Power ， 2023 ， 56 （ 7 ）： 43 - 53 .

ZHANG Y ， WEI W . Decentralized coordination control of PV generators， storage battery， hydrogen production unit and fuel cell in islanded DC microgrid ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2020 ， 45 （ 15 ）： 8243 - 8256 .

江岳文，杨国铭，陈宇辛，等 . 考虑电解槽动态制氢效率的氢网运行优化［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 8 ）： 3014 - 3027 .

JIANG Yuewen ， YANG Guoming ， CHEN Yuxin ， et al . Optimal operation for the hydrogen network under consideration of the dynamic hydrogen production efficiency of electrolyzers ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 8 ）： 3014 - 3027 .

牛萌，洪振鹏，李蓓，等 . 考虑制氢效率提升的风电制氢系统优化控制策略［J］. 太阳能学报， 2023 ， 44 （ 9 ）： 366 - 376 .

NIU Meng ， HONG Zhenpeng ， LI Bei ， et al . Optimal control strategy of wind power to hydrogen system considering electrolyzer efficiency improvement ［J］. Acta Energiae Solaris Sinica ， 2023 ， 44 （ 9 ）： 366 - 376 .

韩鹏飞，徐潇源，王晗，等 . 基于功率-温度自适应控制的多堆质子交换膜电解制氢系统效率优化［J］. 电工技术学报， 2024 ， 39 （ 7 ）： 2236 - 2248 .

HAN Pengfei ， XU Xiaoyuan ， WANG Han ， et al . Operational efficiency enhancement of multi-stack proton exchange membrane electrolyzer systems with power-temperature adaptive control ［J］. Transaction of China Electrotechnical Society ， 2024 ， 39 （ 7 ）： 2236 - 2248 .

袁铁江，张江飞，滕越 . 基于虚拟同步机的新能源制氢系统协调控制策略［J/OL］. 中国电机工程学报： 1 - 13 ［ 2023-10-24 ］. http：// kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230811.0904.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230811.0904.002.html .

YUAN Tiejiang ， ZHANG Jiangfei ， TENG Yue . Coordinated control strategy of the renewable energy hydrogen production system based on VSG ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ： 1 - 13 ［ 2023-10-24 ］. http：// kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230811.0904.002.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20230811.0904.002.html .

ALFREDO URSÚA ， SANCHIS P . Static-dynamic modelling of the electrical behaviour of a commercial advanced alkaline water electrolyser ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2012 ， 37 （ 24 ）： 18598 - 18614 .

孔令国，蔡国伟，陈冲，等 . 基于氢储能的主动型永磁直驱风电机组建模与并网控制［J］. 电工技术学报， 2017 ， 32 （ 18 ）： 276 - 285 .

KONG Lingguo ， CAI Guowei ， CHEN Chong ， et al . Modeling and grid-connected control of proactive permanent magnet direct-driven wind turbine based on energy storage of hydrogen ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2017 ， 32 （ 18 ）： 276 - 285 .

IRENA . Hydrogen from renewable power： technology outlook for the energy transition ［R/OL］. ［ 2023-12-24 ］. https：// www.irena.org/Publications/2018/Sep/Hydrogen-from-renewa ble-power https://www.irena.org/Publications/2018/Sep/Hydrogen-from-renewable-power .

李琦，韩运滨，白章，等 . 离网型风光发电联合制氢系统的协调运行策略与容量配置优化［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-12-22 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231183 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231183 .

LI Qi ， HAN Yunbin ， BAI Zhang ， et al . Coordination operation strategy and capacity optimization of off-grid wind-solar hybrid hydrogen production system ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-12-22 ］. https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231183 https://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.231183 .

沈小军，聂聪颖，吕洪 . 计及电热特性的离网型风电制氢碱性电解槽阵列优化控制策略［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 3 ）： 463 - 472 .

SHEN Xiaojun ， NIE Congying ， LÜ Hong . Coordination control strategy of wind power-hydrogen alkaline electrolyzer bank considering electrothermal characteristics ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 3 ）： 463 - 472 .

郭小强，魏玉鹏，万燕鸣，等 . 新能源制氢电力电子变换器综述［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 20 ）： 185 - 199 .

GUO Xiaoqiang ， WEI Yupeng ， WAN Yanming ， et al . Review on power electronic converters for producing hydrogen from renewable energy sources ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 20 ）： 185 - 199 .

SHEN X J ， ZHANG X Y ， LI G J ， et al . Experimental study on the external electrical thermal and dynamic power characteristics of alkaline water electrolyzer ［J］. International Journal of Energy Research ， 2018 ， 42 （ 10 ）： 3244 - 3257 .

潘光胜，顾伟，张会岩，等 . 面向高比例可再生能源消纳的电氢能源系统［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 23 ）： 1 - 10 .

PAN Guangsheng ， GU Wei ， ZHANG Huiyan ， et al . Electricity and hydrogen energy system towards accomodation of high proportion of renewable energy ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 23 ）： 1 - 10 .

王成山，李微，王议锋，等 . 直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 1 ）： 84 - 98 .

WANG Chengshan ， LI Wei ， WANG Yifeng ， et al . DC bus voltage fluctuation classification and restraint methods review for DC microgrid ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 1 ）： 84 - 98 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Efficiency Optimization Method for Bidirectional Wireless Power Transfer System Based on Phase-shift Control and Mode Switching

Centralized Fault Diagnosis Method for DC Microgrid Based on Switching Model

计及送端风电调频能力的交直流混合电网频率紧急控制策略

Related Author

ZHANG Baokun

DENG Junjun

LIN Ni

WANG Zhenpo

GAN Haiqing

YUAN Xiaodong

XIE Fan

YE Dongmeng

Related Institution

National Engineering Research Center of Electric Vehicles, Beijing Institute of Technology

State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd.

China Southern Power Grid Research Institute Co., Ltd.

School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University

School of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University

⁰