一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略技术方案

本发明专利技术属于光伏直流耦合制氢系统控制领域，尤其涉及一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略。本发明专利技术包括：确定光伏制氢直接耦合系统结构，建立光伏阵列模型和PEM电解槽小室模型；分析光伏阵列和PEM电解槽阵列的工作特性，使光伏阵列以最大功率输出，使电解槽能跟踪光伏阵列的输出；确定光伏直流耦合制氢系统的控制目标，对电解槽小室的工作曲线进行分段线性化，构建目标函数，设定约束条件，建立光伏直流耦合制氢系统控制优化的数学模型；设置控制变量，基于粒子群优化算法优化目标函数值，得到光伏直流耦合制氢系统的最优控制策略。本发明专利技术通过粒子群优化算法使得光伏直流耦合制氢系统的能量转化率和产氢效率得到显著提高。提高。提高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略


[0001]本专利技术属于光伏直流耦合制氢系统控制领域，尤其涉及一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略。

技术介绍

[0002]光伏直流耦合制氢系统将光伏阵列与PEM电解槽阵列直接连接，以达到提高系统能量转化率、降低系统成本和提升产氢效率的目的。
[0003]对于光伏直流耦合制氢系统，首先为最大限度提高光伏阵列的光电转换效率，光伏阵列应时刻工作在最大功率状态，其次因光伏阵列与PEM电解槽阵列直接连接，还需要考虑当天气条件出现变化时，光伏阵列的输出与PEM电解槽阵列之间的匹配问题。
[0004]除此之外还需考虑电解槽制氢的效率及技术经济问题等因素。
[0005]在实际工况下，光照强度以及环境温度会随着时间不断变化，极易导致光伏阵列的最大功率点与电解槽阵列的工作点不匹配，产生直接耦合失配问题。近年来，对光伏直流耦合制氢系统的调节策略分析得较少，在调节策略方面并没有充分挖掘出电解槽本身的工作特性，对电解槽其他的工作点分析不足，对电解槽的产氢效率考虑不足，导致系统无法适应太阳能的随机性和波动性，不能达到最优控制效果，因此光伏直流耦合制氢系统的优化控制亟需解决。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术中存在的不足之处，本专利技术提供了一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略。其目的是为了实现通过粒子群优化算法使得光伏直流耦合制氢系统的能量转化率和产氢效率得到显著提高的专利技术目的。
[0007]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0008]一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略，包括以下步骤：
[0009]步骤S1：确定光伏制氢直接耦合系统结构，建立光伏阵列模型和PEM电解槽小室模型；
[0010]步骤S2：分析光伏阵列和PEM电解槽阵列的工作特性，使光伏阵列以最大功率输出，使电解槽能跟踪光伏阵列的输出；
[0011]步骤S3：确定光伏直流耦合制氢系统的控制目标，对电解槽小室的工作曲线进行分段线性化，构建目标函数，设定约束条件，建立光伏直流耦合制氢系统控制优化的数学模型；
[0012]步骤S4：设置控制变量，基于粒子群优化算法优化目标函数值，得到光伏直流耦合制氢系统的最优控制策略。
[0013]进一步的，步骤S1所述，确定光伏制氢直接耦合系统结构，建立光伏阵列模型和PEM电解槽小室模型，包括：
[0014]步骤S11：确定光伏制氢直接耦合系统结构，包括光伏阵列和PEM电解槽阵列；
[0015]步骤S12：建立光伏阵列的数学模型，数学模型如公式(1)所示：
[0016][0017]其中，I为光伏输出电流，U为光伏输出电压，I
L
为光生电流，I
d
为二极管反向饱和电流，R
sh
为分流电阻，I
sh
为经过该电阻的电流，R
s
为寄生电阻，q为单位电荷，K为波尔兹曼常数，n为二极管品质因子，T
pv
为光伏电池工作温度；
[0018]考虑到R
s
的值接近于0且R
s
接近于无穷大，令I
L
＝I
sc
，C1I
sc
＝I0,得到简化的工程模型如公式(2)所示：
[0019][0020]其中，I
sc
为电池的短路电流、U
oc
为电池的开路电压、I
mp
为电池的最大功率点处的电流、U
mp
为电池的最大功率点处的电压，C1与C2为中间系数，其表达式如公式(3)所示：
[0021][0022]由多个光伏电池组成的光伏阵列的模型如公式(4)所示：
[0023][0024]其中，I
pv
为光伏阵列的输出电流，U
pv
为光伏阵列的输出电压，N
p
和N
s
分别为光伏阵列中组件并联数和串联数；
[0025]步骤S13：建立PEM电解槽小室的数学模型，PEM电解槽小室的总电压表达式如公式(5)所示：
[0026]U
el
=U
rev
+U
ohm
+U
act
+U
diff
ꢀꢀꢀ
(5)
[0027]其中,U
et
为电解槽小室的总电压,U
rev
为可逆电压，U
ohm
为电阻产生的欧姆过电势，U
act
为电化学反应产生的过电势，U
diff
为传质扩散引起的扩散过电势；
[0028]可逆电压由能斯特方程求得，表达式如公式(6)所示：
[0029][0030]其中，分别为氢气和氧气的分压，为水活度，F为法拉第常数，R为气体常数，T
el
为电解槽工作温度；
[0031]欧姆过电势的表达式如公式(7)所示：
[0032][0033]其中，δ为膜电极厚度，i为电流密度，α为膜的传导率；
[0034]活化过电势分为阳极和阴极极化过电势，其表达式如公式(8)所示：
[0035][0036]其中，U
act,an
为阳极极化过电势，U
act,cn
为阴极极化过电势，i
an
为阳极交换电流密度，i
cn
为阴极交换电流密度。
[0037]进一步的，步骤S2所述,分析光伏阵列和PEM电解槽阵列的工作特性，使光伏阵列以最大功率输出，使电解槽能跟踪光伏阵列的输出；包括：
[0038]步骤S21：通过最大功率点跟踪方法实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在最大功率点附近；
[0039]步骤S22：进行MPP曲线表达式的求解，光伏阵列的输出功率如下式：
[0040][0041]上式中,U
pv
为光伏阵列的输出电压，I
pv
为光伏阵列的输出电流，N
p
和N
s
分别为光伏阵列中组件并联数和串联数；I
sc
为电池的短路电流；当工作点位于最大功率点时，的表达式公式(10)所示：
[0042][0043]上式中，T
pv
为光伏电池工作温度，d为求微分符号，q为单位电荷，U
pv
为光伏阵列的输出电压，N
p
和N
s
分别为光伏阵列中组件并联数和串联数，I
O
为中间变量，其计算公式如式(11)所示：
[0044]I
o
＝C1I
sc (11)
[0045]令光伏阵列输出的最大功率曲线如公式(12)所示：
[0046][0047]上式中，U
mp
为电池的最大功率点处的电压；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略，其特征是：包括以下步骤：步骤S1：确定光伏制氢直接耦合系统结构，建立光伏阵列模型和PEM电解槽小室模型；步骤S2：分析光伏阵列和PEM电解槽阵列的工作特性，使光伏阵列以最大功率输出，使电解槽能跟踪光伏阵列的输出；步骤S3：确定光伏直流耦合制氢系统的控制目标，对电解槽小室的工作曲线进行分段线性化，构建目标函数，设定约束条件，建立光伏直流耦合制氢系统控制优化的数学模型；步骤S4：设置控制变量，基于粒子群优化算法优化目标函数值，得到光伏直流耦合制氢系统的最优控制策略。2.根据权利要求1所述的一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略，其特征是：步骤S1所述，确定光伏制氢直接耦合系统结构，建立光伏阵列模型和PEM电解槽小室模型，包括：步骤S11：确定光伏制氢直接耦合系统结构，包括光伏阵列和PEM电解槽阵列；步骤S12：建立光伏阵列的数学模型，数学模型如公式(1)所示：其中，I为光伏输出电流，U为光伏输出电压，I
L
为光生电流，I
d
为二极管反向饱和电流，R
sh
为分流电阻，I
sh
为经过该电阻的电流，R
s
为寄生电阻，
q
为单位电荷，K为波尔兹曼常数，n为二极管品质因子，T
pv
为光伏电池工作温度；考虑到R
s
的值接近于0且R
s
接近于无穷大，令I
L
＝I
sc
，C1I
sc
＝I0，得到简化的工程模型如公式(2)所示：其中，I
sc
为电池的短路电流、U
oc
为电池的开路电压、I
mp
为电池的最大功率点处的电流、U
mp
为电池的最大功率点处的电压，C1与C2为中间系数，其表达式如公式(3)所示：由多个光伏电池组成的光伏阵列的模型如公式(4)所示：其中，I
pv
为光伏阵列的输出电流，U
pv
为光伏阵列的输出电压，N
p
和N
s
分别为光伏阵列中组件并联数和串联数；步骤S13：建立PEM电解槽小室的数学模型，PEM电解槽小室的总电压表达式如公式(5)所示：
U
el
＝U
rev
+U
ohm
+U
act
+U
diff
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中,U
et
为电解槽小室的总电压,U
rev
为可逆电压，U
ohm
为电阻产生的欧姆过电势，U
act
为电化学反应产生的过电势，U
diff
为传质扩散引起的扩散过电势；可逆电压由能斯特方程求得，表达式如公式(6)所示：其中，分别为氢气和氧气的分压，为水活度，F为法拉第常数，R为气体常数，T
el
为电解槽工作温度；欧姆过电势的表达式如公式(7)所示：其中，δ为膜电极厚度，i为电流密度，α为膜的传导率；活化过电势分为阳极和阴极极化过电势，其表达式如公式(8)所示：其中，U
act,an
为阳极极化过电势，U
act,cn
为阴极极化过电势，i
an
为阳极交换电流密度，i
cn
为阴极交换电流密度。3.根据权利要求1所述的一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略，其特征是：步骤S2所述,分析光伏阵列和PEM电解槽阵列的工作特性，使光伏阵列以最大功率输出，使电解槽能跟踪光伏阵列的输出；包括：步骤S21：通过最大功率点跟踪方法实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在最大功率点附近；步骤S22：进行MPP曲线表达式的求解，光伏阵列的输出功率如下式：上式中,U
pv
为光伏阵列的输出电压，I
pv
为光伏阵列的输出电流，N
p
和N
s
分别为光伏阵列中组件并联数和串联数；I
sc
为电池的短路电流；当工作点位于最大功率点时，的表达式公式(10)所示：上式中，T
pv
为光伏电池工作温度，d为求微分符号，q为单位电荷，U
pv
为光伏阵列的输出电压，N
p
和N
s
分别为光伏阵列中组件并联数和串联数，I
O
为中间变量，其计算公式如式(11)
所示：I
o
＝C1I
sc
(11)令光伏阵列输出的最大功率曲线如公式(12)所示：上式中，U
mp
为电池的最大功率点处的电压；步骤S23：由电解槽小室组成的PEM电解槽阵列的模型如公式(13)所示：其中，n
p
、n
s
分别为电解槽阵列中电解槽小室的并联数和串联数，I
el
为流过单个电解槽的电流，U
el
为电解槽小室工作电压，U
stack
为电解槽阵列电压，I
stack
为电解槽阵列电流；串联电解槽小室个数与工作曲线的横向移动相关，并联电解槽小室个数与工作曲线的倾斜程度相关；进行调节时，先调节串联数使工作点趋近MPP，再调节并联数提高整体追踪精度使工作曲线与MPP曲线重合。4.根据权利要求3所述的一种基于Pso的光伏直流耦合制氢系统控制策略，其特征是：步骤S21所述通过最大功率点跟踪方法实时调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在最大功率点附近，包括：(1)光伏系统最大功率点跟踪方法包括：定电压跟踪、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法、滞环比较法、间歇扫描法、模糊控制法、实时监控法及神经网络预测法；(2)记录上一控制周期光...

【专利技术属性】
技术研发人员：戈阳阳，李家珏，刘志力，袁铁江，张潇桐，苗帅，谢赐戬，孙广宇，马欣彤，姚红雨，谭捷，付尧，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：