考虑储能荷电状态的可再生能源制氢优化控制

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240184

东北大学学报（自然科学版） ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 30-36.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240184

考虑储能荷电状态的可再生能源制氢优化控制

王智良, 郭亮亮, 李新宇, 刘鑫蕊()

东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳 110819

收稿日期:2024-10-18 出版日期:2025-07-15 发布日期:2025-09-24
通讯作者: 刘鑫蕊
作者简介:王智良（1974—），男，辽宁沈阳人，东北大学副教授，硕士生导师
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(62173074);国家自然科学基金资助项目(52477075)

Optimal Control of Hydrogen Production by Renewable Energy Source Considering State of Charge of Energy Storage

Zhi-liang WANG, Liang-liang GUO, Xin-yu LI, Xin-rui LIU()

School of Information Science & Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China.

Received:2024-10-18 Online:2025-07-15 Published:2025-09-24
Contact: Xin-rui LIU

摘要/Abstract

摘要：

针对可再生能源、电解槽和储能设备集成的孤岛直流微电网制氢系统，提出了1种考虑储能荷电状态(state of charge，SoC)的优化控制策略.首先，对碱性电解槽的制氢效率特性进行分析，提出了1种制氢效率随母线电压变化而自适应调整的优化控制方法，通过与储能系统协调互补，将制氢效率保持在较高的范围内.当储能SoC越过上下限时，设计了1种不依赖通信的SoC主动恢复控制策略，确保储能系统的安全运行.其次，设计了1种考虑极端工况下的功率协调控制策略，通过各个运行模式之间的灵活切换来保证直流微电网的稳定运行.最后，通过MATLAB/Simulink仿真平台对所提控制策略的有效性进行了验证.

关键词: 可再生能源, 直流微电网, 储能, 荷电状态（SoC）, 制氢效率

Abstract:

An optimal control strategy considering the state of charge （SoC） of energy storage is proposed for an isolated DC microgrid for hydrogen production system composed of renewable energy， electrolytic cell， and energy storage equipment. Firstly， the characteristics of hydrogen production efficiency of alkaline electrolyzers are analyzed， and an optimal control method for adaptive adjustment of hydrogen production efficiency with bus voltage change is proposed. By coordinating with the energy storage system， the hydrogen production efficiency is kept within a high range. When the SoC of energy storage violates the upper and lower limits， a communication-independent SoC active recovery control strategy is designed to ensure the safe operation of the energy storage system. Secondly， a power coordinated control strategy considering extreme conditions is designed to ensure the stable operation of the DC microgrid through flexible switching between various operating modes. Finally， the effectiveness of the proposed control strategy is verified by MATLAB/Simulink simulation platform.

Key words: renewable energy source, DC microgrid, energy storage, state of charge（SoC）, hydrogen production efficiency

中图分类号:

TK 91

王智良, 郭亮亮, 李新宇, 刘鑫蕊. 考虑储能荷电状态的可再生能源制氢优化控制[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(7): 30-36.

Zhi-liang WANG, Liang-liang GUO, Xin-yu LI, Xin-rui LIU. Optimal Control of Hydrogen Production by Renewable Energy Source Considering State of Charge of Energy Storage[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2025, 46(7): 30-36.

图/表 9

图1 可再生能源制氢拓扑结构图

Fig.1 Topology diagram of hydrogen production by RES

图2 电解槽制氢效率与电流、温度的关系

Fig.2 Relationship of the hydrogen production efficiency with current and temperature in electrolytic cell

图3 可再生能源发电MPPT控制结构注：PWM为脉冲宽度调制；PI为比例-积分控制.

Fig.3 MPPT control structure of renewable energy power generation

图4 电解槽制氢效率控制结构图

Fig.4 Structure diagram of electrolytic cell hydrogen production efficiency control

图5 储能单元SoC主动恢复控制结构图注：LB为电感；IB为蓄电池电流；DB为占空比.

Fig.5 Active recovery control structure diagram of SoC of energy storage unit

图6 直流微电网的功率协调控制策略

Fig.6 Power coordination control strategy of DC microgrid

表 1 系统仿真参数

Table 1 System simulation parameters

参数	符号	数值
直流母线电压额定值 $/ V$	$V d c n o m$	400
母线电压波动范围 $/ V$	$Δ V$	20
蓄电池额定功率 $/ k W$	$P o B$	20
电解槽额定功率 $/ k W$	$P E L$	50
电解槽工作温度/℃	$θ$	80
效率下垂系数(左）	$R E L L$	1.5
效率下垂系数(右）	$R E L R$	0.8
储能下垂系数	$R B$	2

表 1 系统仿真参数

Table 1 System simulation parameters

参数	符号	数值
直流母线电压额定值 $/ V$	$V d c n o m$	400
母线电压波动范围 $/ V$	$Δ V$	20
蓄电池额定功率 $/ k W$	$P o B$	20
电解槽额定功率 $/ k W$	$P E L$	50
电解槽工作温度/℃	$θ$	80
效率下垂系数(左）	$R E L L$	1.5
效率下垂系数(右）	$R E L R$	0.8
储能下垂系数	$R B$	2

图7 储能低SoC场景下的运行结果（a）—直流母线电压；（b）—可再生能源输出功率；（c）—电解槽功率；（d）—蓄电池功率；（e）—储能SoC；（f）—制氢效率.

Fig.7 Operation results of energy storage under low SoC scenario

图8 储能高SoC场景下的运行结果（a）—直流母线电压；（b）—可再生能源输出功率；（c）—电解槽功率；（d）—蓄电池功率；（e）—储能SoC；（f）—制氢效率.

Fig.8 Operation results of energy storage under high SoC scenario

参考文献 9

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Optimal Control of Hydrogen Production by Renewable Energy Source Considering State of Charge of Energy Storage

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