《储能科学与技术》推荐|范新桥等：面向PEM电解制氢的虚拟同步控制技术研究

科技 2024-12-18 14:01 北京

作者：范新桥 ¹ 张宽 ¹ 赵波 ¹ 刘敏 ²吴启亮 ²

单位：1. 北京信息科技大学自动化学院； 2. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院

引用：范新桥, 张宽, 赵波, 等. 面向PEM电解制氢的虚拟同步控制技术研究[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(11): 3949-3960.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0386

本文亮点：1.本文针对质子交换膜（PEM）电解制氢系统，提出一种虚拟同步电动机（VSM）的控制策略，通过主动调节制氢系统的功率，减小频率变化量，从而提高系统稳定性。2.考虑到电解槽电流调节存在速率限制，分析了对频率调整过渡过程的影响。

摘要配有储氢环节的电解水制氢系统能够对功率进行调整，促进可再生能源大规模消纳，是一种理想的调节资源。在电解电源的控制中，引入虚拟同步机控制技术，以暂时改变电解制氢功率为代价，为大量新能源与清洁能源接入电网带来的转动惯量不足、频率稳定性较差等问题提供一种新的解决思路。本文以质子交换膜(proton exchange membrane，PEM）电解制氢系统为例，提出了一种虚拟同步电动机(virtual synchronous motor，VSM)的控制策略。首先，通过引入直流电流控制环节实现电解槽功率的自主调整，减小了负荷波动期间的电网频率变化量；其次，考虑到电解槽电流调节存在速率限制，分析了对频率调整过渡过程的影响。最后，基于MATLAB/Simulink搭建微电网仿真系统，实验结果表明，相较于传统的双闭环控制，基于VSM控制的PEM电解制氢系统在电网负荷变动期间能够自主调节制氢系统的功率，电网频率变化量减少了64.71%。

关键词虚拟同步电动机；PEM电解制氢系统；频率调节；惯量阻尼

氢能作为一种零碳绿色的二次能源，具有高能量密度和高转化效率的优点。在电解制氢这个研究领域，目前对电解槽的结构的研究较多，探讨了不同类型的电解槽制氢速率的差异。制氢系统通过整流器接入电网，文献[7-8]对新能源电解制氢系统中的整流器进行了整理和分类，并对各类拓扑进行了分析和对比。

整流器是电解槽与交流母线之间的核心设备。目前电解制氢整流器主要包括相控型整流器和全控型整流器，其中相控型整流器主要是晶闸管控制的整流器，技术相对成熟，但它对于电网端的扰动信号，不能做出及时的反馈控制，动态性能较差。而全控型整流器，它可以进行快速响应，对于目前大量可再生能源接入的电网系统来说，可以进行友好交互。传统的整流控制策略有平均电流控制、峰值电流控制和电压电流双闭环控制等，这些控制策略具有快速响应和稳定性高的特点。

在全控型整流器的基础上，通过引入虚拟同步机的控制技术，可以模拟同步电机的转子惯性，以暂时改变电解制氢功率为代价来实现一次调频特性，为高比例新能源电力系统的频率稳定控制提供一种新的解决思路。这种技术路线适应于配置有储氢环节的电解制氢系统，或者允许出氢速率有一定范围波动的工况。目前虚拟同步电动机(virtual synchronous motor，VSM)控制策略的重点研究方向是频率控制和电压调整。文献[18]提出了一种将电力电子变换器按照同步电机的数学模型进行建模与控制的技术，通过引入虚拟惯性与虚拟阻尼，从而让电力电子设备表现出类似同步电机运行特性。文献[19]提出了一种适用于电焊机的三相PWM虚拟同步电机整流技术。文献[20]提出了一种新的充放电控制策略，利用VSM控制策略，使电动汽车在AC/DC整流器中具备与传统同步机相似的惯性、阻尼、频率和电压调节等性能。

目前，利用VSM控制策略来实现电解制氢系统调节控制的研究还未见报道。主流电解制氢技术包括碱液电解制氢、PEM电解制氢和固体氧化物电解制氢（solid oxide electrolysis cell，SOEC）。现有碱液电解制氢的功率调节速率较低，SOEC尚未工程化应用，因此本工作针对PEM电解制氢系统开展研究，提出一种基于VSM的控制策略，能够在负荷突变工况下的电网频率动态调节过程中提供必要的惯量支撑，并在稳态下主动降低有功输入，减小频率偏差。

1 PEM电解制氢电解槽建模

PEM电解槽的结构图如图1所示，一个大的电解槽是由多个小室所组成，每个小室包括质子交换膜、阴极板和阳极板。

图1 电解槽结构图

PEM电解制氢系统中电解槽的建模有等效电路模型、数学模型、多物理场模型和数字孪生模型等方法。本文采用电解槽的真实设备的极化曲线进行拟合的方法来建模，其不仅简化了模型的复杂性，而且能够根据特定的操作参数精确反映电解槽的性能。在文献[21]中提出的方法是使用6个参数来描述电压随电流和温度变化的情况，具体形式由公式(1)表述。

(1)

式中，V_o为电解槽电压；I_o为电解槽电流；V_rev为可逆电压，本文取1.229 V；N_c为电解小室数量；T为电解槽温度；A为电解槽电极的面积；r₁、r₂、t₁、t₂、t₃和s是拟合参数；在标准条件下（0.1 MPa，25 ℃），V_rev被近似为1.229 V，并且在不超过100 ℃的范围内，可以被视为恒定。

电解槽电气等效模型如图2所示，图中主要包括：C_dl为双电层电容；电阻R_NJS表示浓差极化损耗；电阻R_oJS表示欧姆极化损耗；i_Cdl为电容电流。

图2 电解槽电气等效模型

电解槽的电气特性表达式为公式(2)。

(2)

式中，V_XSU为单个小室的端电压；V_oJS为欧姆极化过电压；V_NJS为浓差极化过电压；实际应用中，单个小室电压V_XSU≈2 V。

因为电解槽中生成氢气的量与传输的电荷量成正比，因此与电流的平均值成正比；而电解槽中的欧姆损耗与电流的有效值成正比，根据图2及式(2)可得电解槽的输入功率，如式(3)所示。

(3)

式中，I_omean为电解槽输入电流的平均值，I_oRMS 为输入电流的有效值。根据式(3)电解槽的输入功率和输入电流之间存在着确定的关系。

2 基于VSM控制策略的PEM电解制氢系统主电路建模

2.1　全控型整流器建模

本文采用VSM控制策略下的全控型整流器来实现频率调节。全控型整流器对于电网频率的切换可以实现快速跟踪调整。基于VSM控制的IGBT三相整流器拓扑如图3所示。

图3 VSM整流器的结构拓扑

图3中，U_ga、U_gb、U_gc为电网相电压；i_a、i_b、i_c为并网点三相线电流，正方向从电网流向变流器；L'为滤波电抗器的电感值；R'为滤波电抗器的寄生电阻；e_a、e_b、e_c为整流器的桥臂中点电势；C_dc为直流侧支撑电容；U_dc为整流器直流侧电压；L_dc为电解槽的滤波电感，可以稳定电流，减少电流波动，提高电路的整体稳定性和抗干扰能力。

由图3可知，PEM电解制氢系统通过AC/DC整流器将交流电整流成直流电，然后再通过DC/DC直流变换器将直流电输送到制氢装置。其中前级整流器由VSM控制，后级变换器由双闭环控制。

（1）VSM控制策略通过控制整流器的有功功率P、无功功率Q、直流侧的功率差值△P_dc、角频率ω_g和电压幅值U_m实现VSM控制，通过引入虚拟惯量和虚拟阻尼来达成调频调压的控制目的。

（2）双闭环控制由外环直流母线电压U_dc控制和内环电解槽电流I_dc控制组成，主要保证直流母线电压、电流的稳定。

2.2　虚拟同步电动机数学建模

VSM的基本思想是利用同步电机的转子运动和定子电气方程建立一个暂态模型，然后将这个模型引入到控制器中，以使变频器具备同步电机的运行特性。本文选择同步电机的经典二阶暂态模型来进行研究。

同步电机的二阶模型包括了定子电气方程和转子运动方程。其中定子电气表达如式(4)所示：

(4)

式中，U_o'为定子内电动势；E '为定子端电压；i '为定子电流；L'为滤波电感值；R_s为定子电阻；X_s为同步电抗。

由力学方程可得转子运动方程，其表达式如式(5)所示：

(5)

式中，J为虚拟同步整流器的转动惯量；T_E为虚拟电磁转矩；T_M为虚拟机械转矩；D为阻尼系数；ω₀为虚拟同步整流器的机械角频率；ω_s为额定角频率。

其中，电磁转矩T_E可以通过测量得到的输入电压和电流值进行计算，具体表达式如式(6)所示：

(6)

式中，P_E为IGBT三相整流电路的输入功率。

转动惯量J和阻尼系数D是VSM控制中的关键参数，直接影响系统的动态响应和稳态性能。其中，转动惯量J反映了发电机组转子对速度变化的抵抗能力，具体来说，J与转子的质量和几何尺寸相关，表示转子在外部力矩作用下旋转状态变化的难易程度。较大的J有助于在功率扰动时维持稳定的旋转速度，延缓频率变化，对电网频率稳定性至关重要。而阻尼系数D则反映系统对频率变化的响应能力，表示负荷功率随频率变化的调整量。较大的D提升了系统频率稳定性，因为它能更快地减小频率偏差。D与系统负荷特性和调频控制策略有关，尤其在低惯量系统中，合理设计和优化D对抗扰动能力尤为重要。

总的来说，转动惯量J的大小直接影响系统对频率变化的抗扰能力和响应速度，而阻尼系数D则在抑制频率振荡和保证系统稳定性方面发挥关键作用。通过合理选择和优化这两个参数，可以显著提升虚拟同步机的控制效果，使其在新型电力系统中的应用更加可靠和高效。

2.3　VSM与电解槽间的约束条件

在基于VSM控制策略的PEM电解制氢系统中，电解槽与VSM之间的约束条件要考虑电解槽的电气特性与VSM的动态响应。包括电解槽的电压、电流的限制，以及与VSM的功率匹配，具体的约束条件如式(7)~式(9)所示。

电解槽电压、电流约束：

(7)

(8)

式中，V_no是电解槽的理论电压；ΔV_err允许电压偏差，一般取值为额定电压的±7%；I_max是电解槽的最大电流。

VSM功率匹配约束：

(9)

式中，P_VSM是电解制氢系统的功率。

本文采用的PEM电解制氢系统的电解槽的额定电压为185 V，额定电流为168 A，额定功率为31 kW，电流变化范围10%~120%，变化率不超过400 A/s。

3 基于VSM的PEM电解制氢控制策略

3.1　VSM控制策略

根据上述有功频率环节和无功电压环节的公式推导，结合同步机的定子电气方程和转子运动方程构建VSM的整体控制策略，具体结构如图4所示。

图4 VSM控制策略

VSM整体控制策略框架由四个主要部分构成：有功功率与频率环节、无功功率与电压环节、定子电压方程式以及内环电流控制环节。其中有功功率与频率环节部分进一步细分为直流电流控制环节和转子运动方程。在直流电流控制环节中，系统的频率偏差经过转换后与预设电流值相减，从而稳定直流侧电流。此外，通过引入调速限制，可以有效避免电流的突变现象。

VSM控制策略如图4所示，通过采集直流侧电流输入直流电流控制环节，该环节通过PI控制器对直流电流误差进行调整，从而得到直流功率的变化量ΔP_DC；同时计算额定角速度ω_s与虚拟同步机整流器的机械角速度ω₀之间的差值，并将其与下垂系数D_p相乘，以获得虚拟同步机的有功功率变化量ΔP_AC；随后，通过计算ΔP_DC与ΔP_AC的差值来确定虚拟同步机的机械功率P_M；最终，引入转子运动方程以产生并网电压的相位参考值θ。

无功电压控制环节首先计算电网的无功功率Q与设定的无功功率Q_ref之间的差值，并将其与下垂系数D_q相乘。随后，考虑电网电压参考值U_N与实际电网电压之间的差值，并通过PI调节器来确定虚拟同步整流器的电压E；然后将E和相位参考值θ引入定子电压方程，以计算出三相电流i_f,abc。最终，这些参数通过内环电流控制环节来生成整流器开关管的脉冲信号。

3.1.1　有功频率环节

电力系统中有功功率的平衡是维持电网频率稳定的关键因素。通常来说，电网产生的实际功率总和等于所有电力负载所需的功率总和。如果系统中发生了扰动，导致有功功率平衡受到破坏，电网频率就会偏离。这种频率调节特性可以通过功率-频率响应曲线来展示，如图5所示。

图5 同步机的功率-频率响应曲线

有功-频率环节的输入输出关系为：

(10)

式中，P_M为机械功率；K_pf为频率调节系数；f₀为系统的额定频率；f_s为系统输出频率的测量值；P_e为系统输出有功功率。

虚拟同步机的一次调频功能实际上是模拟同步机组的有功-频率下垂控制,使虚拟机的有功输出可以随电网的频率变化进行自主调节。有功功率与频率之间的下垂控制关系如式(11)：

(11)

根据图4中有功频率环节的策略图，可以发现整流器输出的机械功率P_M相当于直流负载消耗的虚拟机械功率，其中P_M是由直流电压U_dc与给定直流电压U_dcref做差后，经过比例积分调节器得到的值与交流电网角速度通过下垂系数后做差所得的值，然后再引入转子运动方程中，而此时的VSM控制策略对于频率的控制，与下垂控制方式相近，从而实现对于频率进行调节。

3.1.2　无功电压环节

同步电机的励磁电流对其定子内的电动势和所产生的无功功率有直接影响，因此同步电机的输出电压与这两个因素之间存在密切关系。同步电机的无功功率和电压之间的关系可以通过无功-电压响应曲线来展示，如图6所示。

图6 同步机的无功-电压响应曲线

同步机的无功-电压环节的输出电压可由两部分组成，分别是电压调节量和无功电压调节量。表达式如式(12)~式(14)所示。

(12)

(13)

(14)

式中，E_U是电压调节量；E_Q是无功电压调节量；K_U为电压调节系数，仿真中可以用PI参数代替；U₀为额定电压有效值；|U_R|为实际负载电压的有效值；K_Q为无功电压调节系数；ΔQ_R为负荷无功功率增量。

3.2　VSM参数的影响分析

对于VSM控制策略来说，虚拟惯量J和虚拟阻尼D两个参数对PEM制氢系统的稳态特性和动态响应有重要影响。因此，分别选择惯量J和阻尼D的3个典型值，以观察不同J和D下，对电网频率和系统功率的影响。具体测试工况是，2 s时将交流侧的频率降为49.93 Hz，4 s时恢复为50 Hz，当D保持75不变时，J取值分别为0.2、2、20；当J保持2不变时，D的取值分别为65、75、85。具体的波形如图7、8所示。

图7 虚拟惯量变化波形

图8 虚拟阻尼变化波形

对比J不同取值时的频率与功率波形，J取值为2时，频率在2.4 s的时候就稳定在了49.93 Hz；此时功率在2.4 s的时候就稳定在了31 kW。J取值为20时，频率在3.2 s才稳定在49.93 Hz；此时功率在3.5 s才稳定在31 kW附近。J取值为0.2时，虽然频率在2.3 s时就稳定在了49.93 Hz，但是此时频率的振荡幅度很大。此时功率在2.3 s时就接近稳定，但之后一直在缓慢地接近31 kW。分析实验波形可以发现，J的取值太大时会使系统的响应时间过长，而J取值太小又会使系统的稳定性变差，本文J取值为2。

对比D不同取值时的频率与功率波形，D取值为75，当开始出现扰动时，频率超调峰值是49.892 Hz，在2.4 s时稳定在49.93 Hz；此时功率在2.4 s时稳定在31 kW。D取值为65，当开始出现扰动时，频率偏差是49.88 Hz，在3.4 s时接近稳定，但直到4 s时，频率仍然在缓慢地向49.93 Hz调整；此时功率一直在缓慢接近31 kW。在D取值为85，当开始出现扰动时，频率偏差是49.903 Hz，虽然频率偏差更小，但调节稳定时间一样很长，直到4 s时，频率仍然在缓慢地向49.93 Hz调整；同样此时功率也一直在缓慢接近31 kW。分析实验波形可以发现，D的取值太小时会使系统的响应超调过大同时响应时间过长，而D取值太大虽然会使系统的响应超调变小，但同样不可避免响应时间过长，本文D取值为75。

对比两次实验的结果可以发现，在虚拟同步机控制中，转动惯量J和阻尼系数D是两个关键参数，它们共同决定了系统的动态响应特性和稳态性能。转动惯量J主要影响系统的频率响应时间和稳定性，而阻尼系数D则调节系统对频率振荡的抑制效果。实验结果表明，这两个参数对系统的性能具有显著影响，且相互作用复杂。在本文中，转动惯量J应设定在0.2~20，以确保系统具有良好的频率稳定性；而阻尼系数D则应设定在65~85，以有效抑制频率振荡并保证系统的快速响应能力。

4 仿真验证

为了检验本文所提的基于VSM的PEM电解制氢控制策略的有效性和优势，在Matlab/Simulink环境中，搭建如图9所示的微电网仿真电路，该电路包含：同步机电源、RL滤波电路、IGBT三相整流器、DC/DC直流变换器与电解槽。上述电路中的参数设置如表1所示。

图9 含PEM电解制氢系统的微电网仿真模型

表1 仿真参数

搭建仿真模型将VSM控制策略与传统电压电流双闭环控制策略进行对比。如图9所示，本文将进行两种工况下的对比，当开关S1闭合时，进行突增负载的测试；当开关S2闭合时，进行并联电解槽的测试。具体工况如表2所示。

表2 工况概述

4.1　电网侧负荷突变实验

根据表2所示，首先在电网侧进行负荷突变的实验。具体突变情况为在系统运行到3 s时，在电网侧投入一个17.5 kW的负荷；在6 s的时候将该负荷切出。具体仿真情况如图10所示。

图10 工况1仿真结果

当开始进行工况1测试时，观察VSM控制策略下的电网频率波形，当交流侧负荷增加50%的时候，频率从初始的50 Hz下降到49.94 Hz，在4 s时进入稳定状态，在此过程中频率偏差最大值为49.9 Hz。而双闭环控制策略对于频率的追踪准确性较差，在出现负荷突变时，双闭环控制策略下的频率出现剧烈波动，频率偏差的峰值达到了49.83 Hz；在3.5 s时基本稳定，从围绕着50 Hz振荡频率下降到围绕着49.87 Hz振荡。对比两种控制策略的频率变化量，可以发现VSM控制策略的频率变化量减小了64.71%。

造成这种现象的原因是系统在交流侧负荷增加时，电源有功功率的提升导致了频率的降低。如图10的(d)和(e)部分所示，比较两种控制策略在直流侧功率变化与交流侧电源有功的变化。采用VSM控制策略时，可以主动减小电解槽的功率来减少频率的变化量。相反，双闭环控制策略缺乏主动调节电解槽功率的机制，其电解槽的功率保持不变，从而导致更大的频率变化。在制氢系统功率下降的情况下，虽然产氢速率会相应减少，但对于装备了储氢设备的电解制氢系统而言，它仍能在短时间内以较低的功率稳定运行。

同时在VSM控制策略下，系统的电压、电流和制氢速率，在负荷增加时，先是出现过大的偏差，然后才恢复到稳态，该控制策略引入了虚拟惯量J和虚拟阻尼D，虚拟惯量J让系统具有了惯性，减缓了的振荡现象；虚拟阻尼D的引入，增大了系统的准确度，减小了频率偏差。

对比两种控制策略的具体情况可以发现，在交流侧出现负荷增加时，VSM控制策略可以主动调节电解槽的功率，来减小频率的变化提高系统的稳定性。

4.2　并联电解槽运行实验

根据表2所示，进行工况2的测试，在直流侧进行并联电解槽的实验。具体情况是3 s时，开始在直流侧原有电解槽的基础上并联一个相同规格的电解槽，电解槽的总负荷为31 kW，将该电解槽等分为5个电解槽，每个电解槽为6200 W，每0.2 s并联一个；在6 s时将该电解槽每0.1 s切出一个。具体仿真情况如图11所示。

图11 工况2仿真结果

在工况2的情况下，对比观察两种控制策略下，系统的频率变化波形，当直流侧的负荷出现增加时，VSM控制策略可以迅速地跟踪到频率变化，此时频率跌落的最大值为49.82 Hz；频率在4.1 s时进入稳定状态，并且最终稳定在49.9 Hz，频率变化量为0.1 Hz。而双闭环的控制下，在直流侧的负荷增加的瞬间频率出现了剧烈的波动，频率跌落的最大值为49.59 Hz，超出了额定频率±0.2 Hz的限值；频率在3.8 s时基本稳定，围绕着49.84 Hz振荡，频率变化量为0.16 Hz。

对比两种策略下频率的变化量可以发现，VSM控制策略下的频率变化量比双闭环的频率变化量减小了37.5%，系统的稳定性更高。造成这种现象的原因是因为，当直流侧并联电解槽的时候，VSM控制策略会通过减小原有电解槽的功率，来减小频率的变化量。具体波形情况如图11中的(f)、(g)、(h)所示，通过观察这些波形可以发现，此时VSM控制策略的电解槽的总功率相当于原来电解槽的1.5倍，双闭环控制策略电解槽的总功率为2倍。因此验证了VSM控制策略通过主动调节电解槽功率来调节电网频率的有效性。

同时对比两种控制策略下的直流侧的电压、电流波形，可以发现两种控制策略，在并联电解槽时，都出现了振荡现象，造成这种现象的原因是电解槽是以阶梯式分级并联的。观察直流侧总电流与单台电解槽的电流分量，可以发现VSM控制策略主动通过减小电解槽的电流来进行功率调节，从而减小电网频率的变化量。

总的来说，当直流侧负荷增加时，VSM控制策略可以通过自主调节电解制氢系统的功率，来提高系统频率稳定性。该策略下的系统对于扰动的承受能力更高，系统的稳定性更好。

4.3　电流调节速率测试实验

为了减小电流突变对电解槽的不良影响，需要调整电流变化速率K_I来控制电流的变化速度。基于工况2，选择三个不同的K_I进行测试，分别为50、200、400，以评估不同电流调节速率对系统频率的影响。实验结果如图12所示，展示了在各个K_I值下系统频率的变化情况。

图12 K_I对系统频率影响

通过图12可以发现，K_I为50时，频率变化平滑稳定，频率最大偏差为49.89 Hz，在5 s时频率才接近稳定值49.93 Hz；K_I为200时，频率变化出现一定振荡现象，频率最大为49.85 Hz，在4 s时频率才接近稳定值49.93 Hz；K_I为400时，频率变化很快，但出现很大振荡情况，频率最大偏差为49.75 Hz，出现了频率越限现象，此时频率在4.5 s时，才接近稳定值49.93 Hz。

综上，当电流变化速率较小时，频率的变化相对平滑，但调节时间长；当电流变化速率较大时，频率的调节时间较短，出现小幅度振荡，频率最大偏差值相对增大；而当电流变化速率过大时，频率会出现越限的现象，同时振荡加剧，调节时间也会增加。

5 结论

考虑到配置储氢环节的电解制氢系统具有功率可调的优势，本文针对PEM电解制氢系统，提出一种VSM的控制策略，并进行了仿真测试，得出结论如下。

（1）相比于传统双闭环控制策略，VSM控制策略通过引入虚拟惯量J和虚拟阻尼D，而提高了频率稳定性和系统响应的精度。实验结果显示，当J=2时，系统能够在2.4 s内稳定频率至49.93 Hz。然而，当J取值过大或过小时，系统响应时间与稳定性会受到影响。对于虚拟阻尼D，取值为75时，系统在出现扰动后能够在2.4 s内将频率稳定在49.93 Hz；而D取值过大或过小时，均会导致频率超调和响应时间增长。因此，适当的J和D取值对系统性能有显著影响。

（2）在VSM控制策略下，PEM电解制氢系统在交流侧负荷发生变化时能够主动调节制氢的功率，实现对电网频率的调节，电网频率变化量比双闭环控制策略减小了64.71%。在直流负荷出现变化时，VSM控制策略同样可以通过自主调节电解制氢系统的功率，实现对电网频率的调节，此时频率变化量相比于双闭环减小了37.5%。

（3）VSM控制策略在直流电流环中设计了调速限制，电流调节速率参数K_I的不同取值对系统频率的动态响应有显著影响。实验结果显示，当K_I=50时能确保频率的平滑过渡至稳定值，最大偏差为49.89 Hz，在5 s后接近稳定值49.93 Hz。而K_I取值过大或过小时，会导致频率调节过渡时产生较大振荡且调节时间增加。因此，选择合适的K_I值对于确保频率稳定性和减少调节时间至关重要。

本研究针对PEM电解制氢系统的微电网，提出了VSM控制策略，实现了系统主动调节功率，减小频率变化量的目的。这种技术路线以暂时改变电解制氢功率为代价，适应于配置有储氢环节的电解制氢系统，或者允许出氢速率有一定范围波动的工况。后续研究工作包括对储氢环节的优化配置，以及考虑PEM电解制氢系统与光伏系统的集成，研究光-氢的自主协同控制机制，以提升光伏独立制氢系统的稳定性。

第一作者：范新桥（1982—），男，博士，讲师，研究方向为电力系统分析及微电网控制技术，E⁃mail：fxq8226@163.com；

通讯作者：张宽（1999—），男，硕士研究生，研究方向为基于虚拟同步机的储能控制与微电网的调度运行，E-mail：18601247693@163.com

通讯作者：赵波，博士，研究员，研究方向为电力系统分析及微电网控制技术，E-mail：lingshanisland@126.com。

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《储能科学与技术》推荐|范新桥 等：面向PEM电解制氢的虚拟同步控制技术研究

1 PEM电解制氢电解槽建模

2 基于VSM控制策略的PEM电解制氢系统主电路建模

2.1 全控型整流器建模

2.2 虚拟同步电动机数学建模

2.3 VSM与电解槽间的约束条件