風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫系統(tǒng)仿真模型分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u16512風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫系統(tǒng)仿真模型分析概述 1177051.1光伏發(fā)電模型 1307341.1.1光伏發(fā)電模型等效電路 153591.1.2光伏電池模型仿真搭建 2299651.1.3光伏發(fā)電整體模型仿真搭建 4271641.2風(fēng)力發(fā)電模型 5239771.2.1風(fēng)速模型的仿真搭建 546181.2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型 7292481.2.3風(fēng)力發(fā)電整體模型 867241.3電解槽模型的仿真建模 9179711.4儲氫罐模型 1173311.5系統(tǒng)整體模型 111.1光伏發(fā)電模型1.1.1光伏發(fā)電模型等效電路光伏電池主要由四部分組成，包括理想的電流源Iph,與電流源反向并聯(lián)的二極管D，與電流源并聯(lián)的電阻Rsh以及與開路電壓串聯(lián)的電阻Rs。Iph在數(shù)值上等于電池的短路電流REF_Ref22646\w\h，它可以看作是一個常數(shù)REF_Ref21268\w\h[13]，它的大小與光伏板本身的情況有關(guān)例如光伏電池的面積，此外Iph還與當(dāng)時的光照強(qiáng)度有關(guān)。光伏電池在接入負(fù)載后與Rs串聯(lián)的開路部分從而流過了導(dǎo)通電流，因此產(chǎn)生了輸出電壓U。在接入負(fù)載后產(chǎn)生的輸出電壓U反作用于反向并聯(lián)二極管上從而產(chǎn)生了電流Id。光伏電池的各個部分的材料都對電流有阻礙的作用，可以將它們統(tǒng)一起來歸算為與負(fù)載串聯(lián)的電阻Rs。由于工藝上的原因光伏電池在接入負(fù)載后不僅產(chǎn)生了負(fù)載電流還會存在著漏電現(xiàn)象，我們將漏電理想化歸結(jié)為并聯(lián)電阻Rsh，從而產(chǎn)生了光生漏電流Ish。光伏發(fā)電模型等效電路圖如圖1.1所示。圖1.1光伏發(fā)電模型等效電路圖1.1.2光伏電池模型仿真搭建根據(jù)已有的研究可以知道光伏電池各個參數(shù)的計(jì)算公式，通過已有的實(shí)驗(yàn)可以建立光伏電池的仿真模型。其中：Iph--光伏電池經(jīng)光照射后產(chǎn)生的電流Rsh--材料內(nèi)部等效并聯(lián)電阻Rs--材料內(nèi)部等效串聯(lián)電阻I--光伏電池輸出電流Uoc--光伏電池輸出電壓ID--暗電流根據(jù)基爾霍夫電流定律可以推導(dǎo)出光伏電池輸出特性方程式:(1.1)上式中:（1.2）（1.3）（1.4）（1.5）其中：Ish--標(biāo)準(zhǔn)條件下電池的短路電流ID--二極管暗電流Io--光伏電池反向飽和電流Ior--二極管反向飽和電流Kt--短路電流溫度系數(shù)，一般取值2.6X10-3T--光伏電池溫度，T=t+273Tr--參考溫度K，取值為298EG--半導(dǎo)體材料禁帶寬度eV，一般取值在1~3G--光照強(qiáng)度A--二極管品質(zhì)因子，取值范圍在1~2K--玻爾茲曼常數(shù)，一般取值為1.38×10-23q--電子電荷，一般取值為1.6X10-19C根據(jù)對上面的光伏電池等效電路分析，可以得出在固定的日照和溫度下光伏電池的I-U輸出特性方程為：（1.6）在實(shí)際工程中由于材料經(jīng)過了風(fēng)吹日曬，特性發(fā)生了一些改變，Rs可能會非常的大，當(dāng)陽光充足的時候，光電流Iph遠(yuǎn)大于流過并聯(lián)電阻Rsh的電流Ish,忽略Rsh,得到簡化后的I-U輸出特性方程為REF_Ref22943\w\h[7]：（1.7）當(dāng)光伏電路發(fā)生特殊故障——負(fù)載端口短路的時候，輸出端的電壓也就是0，在這是負(fù)載端的電流與光照電流相等:（1.8）要是我們把光伏電池中的串聯(lián)電阻不計(jì)入計(jì)算，那么光伏電池的輸出電流：（1.9）將式(1.3)帶入式(1.7)整理可獲得開路電壓：（1.10）結(jié)合工程實(shí)際，光伏電池輸出特性方程可表示為:（1.11）其中:（1.12）（1.13）其中：Um--最大功率點(diǎn)電壓Im--最大功率點(diǎn)電流根據(jù)以上光伏模型的建立，應(yīng)用Simulink軟件，建立光伏陣列發(fā)電模型REF_Ref19416\w\h[4]，見圖1.2所示：圖1.2光伏陣列發(fā)電模型1.1.3光伏發(fā)電整體模型仿真搭建將光伏電池與boost電路相連接通過改變IGBT的高低電平的比例可以控制輸出功率的大小，光伏發(fā)電的整體模型如圖1.3所示：圖1.3光伏發(fā)電整體模型1.2風(fēng)力發(fā)電模型1.2.1風(fēng)速模型的仿真搭建風(fēng)速是一個隨時間而變化的量，由于季節(jié)、地形、日照時間等因素的變化而有所變化，風(fēng)速可以看作由兩部分所組成，一部分是快速變化的部分，一部分是風(fēng)速穩(wěn)定的部分。（1.14）其中:Vwind--風(fēng)速Vturb--紊流速度Vavg--平均風(fēng)速關(guān)于紊流速度Vturb的模型如下，其中模型中存在一個重要參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)分布白噪聲發(fā)生器:（1.15）（1.16）其中：mwind(t)--白噪聲Z--風(fēng)輪輪毅高度Tv--時間常數(shù)Vo--中等風(fēng)速相關(guān)的風(fēng)輪及風(fēng)速模型系列典型參數(shù)見表1.1表1.1相關(guān)的風(fēng)輪及風(fēng)速模型系列典型參數(shù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動的快慢與實(shí)際的風(fēng)速并不是完全相同的，為了消除大的誤差，更好的模擬實(shí)際的情況，我們在搭建仿真模型的時候可以將下面兩個濾波器加入系統(tǒng)之中。1.空間濾波器槳葉上一個點(diǎn)受到風(fēng)的影響與分布在槳葉上各點(diǎn)所受風(fēng)速影響的累計(jì)是有差別的，因此我們應(yīng)當(dāng)將一個點(diǎn)所受風(fēng)速平均到整個葉片上，用下面的空間濾波器表示:（1.17）其中：Vfit--濾波器輸出風(fēng)速S--復(fù)頻率α--經(jīng)驗(yàn)參數(shù)β--經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可由下式確定。（1.18）其中：Vwf--觀察周期內(nèi)風(fēng)場平均風(fēng)速Rwl--風(fēng)輪半徑--延遲因子。2.進(jìn)氣滯后濾波器在捕獲風(fēng)能的時候，風(fēng)速不一定就維持在穩(wěn)定的值不變化，如果風(fēng)速發(fā)生了很大的變化，這時捕獲部分是不能夠立馬得知的，而是有一個滯后的時間，因此輸出的有效風(fēng)速與實(shí)際輸入的風(fēng)速之間就會存在一定的偏差，我們可以用下式描述:（1.19）其中：Veff--有效風(fēng)速αi--經(jīng)驗(yàn)參數(shù)--進(jìn)氣滯后時間常數(shù)基于公式（1.15）至（1.19）可以搭建風(fēng)速模型如圖1.4所示：圖1.4風(fēng)速模型1.2.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型貝茲理論解釋說如果是在理想的環(huán)境中，風(fēng)輪沒有任何形式的阻力影響的情況下，那么流過風(fēng)輪的氣流在整個的風(fēng)輪界面上是連續(xù)和均勻流動的。通過查閱風(fēng)力機(jī)文獻(xiàn)，我們知道風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：（1.20）其中：--為空氣密度R--是風(fēng)輪的半徑V--是風(fēng)速--是風(fēng)力機(jī)的角速度Cp--為風(fēng)能利用系數(shù)但是在風(fēng)輪實(shí)際工作的過程中，只能捕獲到一部分風(fēng)能，并且風(fēng)輪還存在著各種損耗，所以將這些問題考慮進(jìn)去，我們可以得到被風(fēng)力機(jī)所得到的風(fēng)能為：（1.21）其中：Pm--風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率S--風(fēng)力機(jī)的手縫面積并且，如果我們將葉尖速比和葉片節(jié)距角的值給確定后，我們就可以得到風(fēng)能利用系數(shù)關(guān)于葉尖速比和葉片節(jié)距角的表達(dá)式：（1.22）（1.23）在上述的公式中，c1~c6是風(fēng)力機(jī)特性常數(shù)，其中從c1到c6的值分別是0.5176，116，0.4，5，21，0.0068。通過以上的公式我們可以建立風(fēng)能利用系數(shù)的仿真模型如圖1.5所示：圖1.5風(fēng)能利用系數(shù)仿真模型1.2.3風(fēng)力發(fā)電整體模型永磁同步發(fā)電機(jī)我們采用Simulink中已經(jīng)有的模型，將永磁同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī)相連接，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為3，節(jié)距角設(shè)置為0。輸出端與不可控橋型整流器相連接，輸出的直流電經(jīng)過Boost電路后向外輸出功率。Boost電路中的IGBT的控制可以用脈沖信號來代替，通過改變高低脈沖的占空比從而控制輸出功率的大小。風(fēng)力發(fā)電的整體模型如圖1.8所示：圖1.8風(fēng)力發(fā)電整體模型1.3電解槽模型的仿真建模如果我們將電解槽從我們所學(xué)過的電路的角度去分析，那么我們可以將電解槽看作是一個對電壓比較靈敏的非線性的直流負(fù)載。在我們的實(shí)際生活當(dāng)中，電解槽的輸出電壓其實(shí)與輸入的電流，電解槽所處的溫度還有電解槽中的壓強(qiáng)有關(guān)。為了調(diào)節(jié)制氫量，我們可以通過改變電解槽的輸入電流。電解槽的電壓與電流之間關(guān)系的特性方程如下所示：（1.24）（1.25）其中：Uelec,cell--電解槽輸出電壓Urev--電解槽的可逆電壓Ielec--電解槽的工作電流r1、r2--歐姆電阻參數(shù)Telec--電解槽溫度Kelec、KT1、KT2、KT3--電解槽的過壓參數(shù)nc--電解槽的串聯(lián)個數(shù)S代表的是電解槽電極的表面積可逆電壓的表達(dá)式如下所示：（1.26）其中：--標(biāo)準(zhǔn)情況下的可逆電壓Krev--可逆電壓的經(jīng)驗(yàn)溫度系數(shù)根據(jù)上述的公式，可以搭建電解槽的U-I的模型如圖1.6所示：圖1.6電解槽的U-I模型在制氫系統(tǒng)中我們不僅需要觀察電解槽的U-I特性，還需要測量電解槽的制氫效率。電解槽的制氫效率與電流有關(guān)，但是在電解水制氫的過程中會有電流的損耗，所以電解槽電解水制氫的實(shí)際速率可以用以下公式表示：（1.27）其中：qH2--電解槽制氫的速率nF--電解槽的電流效率，其經(jīng)驗(yàn)公式如下所示：（1.28）根據(jù)以上公式我們可以搭建電解槽制氫速率的計(jì)算模型，如圖1.7所示：圖1.7電解槽制氫速率模型1.4儲氫罐模型在本文的研究中，我們將高壓儲氫罐看作是一個理想的模型來研究。在將氫氣存儲到高壓罐的過程中不是簡單的連接，而是要通過壓縮機(jī)將氫氣存儲到高壓罐中，因此我們還應(yīng)該研究壓縮機(jī)對氫氣進(jìn)行壓縮的過程中所消耗的能量。經(jīng)過查閱資料我們可以得到其消耗功率的公式為：（1.29）其中：Cp,H2--氫氣的比熱容Tcp--壓縮機(jī)入口處的氣體的溫度--壓縮機(jī)的效率--氫氣在標(biāo)準(zhǔn)情況下的比熱容，通常取值為1.4P1、P2--壓縮機(jī)入口和出口處的壓強(qiáng)Wcp--壓縮機(jī)出口的氣體流速根據(jù)上述公式我們可以得到氫氣壓縮