Page 26 - 《中国电力》2026年第5期

2026 年 第 59 卷

电池储能系统（battery energy storage system，BESS） 式中：u 和 l u oc v 分别为 PEMEL 的输出电压和开路
e
和氢储能系统（hydrogen energy storage system，HESS） 可逆电压；u 、u oh m 和 u re v 分别为 PEMEL 电解水
act
组成，用于调节直流微网的电压和差额功率。直 损失的电动势、欧姆极化过电动势和可逆电压；
流母线与设备之间通过变流器连接，变流器的灵 r 为气体常数；T 为 l PEMEL 温度；F 为法拉第常
e
活控制是实现源荷储功率和能量合理分配的关键。 数； p H 2 、 p O 2 和 b 分别为氢气压力、氧气压力和

1.1 直流微网模型 水 活 度 ； α ca t 和 α 为 阴 极 和 阳 极 的 电 荷 转 移 系
n
a

n
1.1.1 风力发电单元数学模型 数；i 为 l PEMEL 的电流；i ca t 和 i 为阴极和阳极
a
e
风力发电单元依靠叶轮捕获到风能后，首先 的交换电流；R me m 为等效电阻；δ 为质子交换膜
m
m
由传动系统将气动转矩转化为机械转矩，继而通 厚度；σ 为离子电导率。
过直驱式永磁同步发电机实现机电能量转换，最 PEMEL 的制氢效率模型为
终经由三相桥式整流电路实现交流电向直流电的 U rev
η el =  ×
高效转换与稳定输出 [29-30] 。 ( )  δ an δ cat δ 2 

rT el i el  m0  
U rev + ln +i el    + +   
1.1.2 BESS 单元数学模型 α an aF i an γ A σ an σ cat δ m σ 0
( )
在储能环节，BESS 采用锂电池作为核心储能 2FC H S H ∆p
1− （2）
元件，通过内部电能与化学能的转化,实现能量的 i el δ m
灵活存储与释放。从电路建模角度，锂电池的动 式中：η 为 l PEMEL 的制氢效率；a 为化学计量系
e
态特性表征为包含理想电压源、欧姆内阻和双极 数；γ 为阳极活化面积比；δ 、δ 和 n δ ca t 分别为
A
a
m0
化 RC 网络的等效电路模型 [31] 。 初始质子交换膜膜厚度、阳极板厚度和阴极板厚
1.1.3 HESS 单元的数学模型 度；σ 、σ 和 a σ 分别为电解质初始电导率、阳极
c
0
HESS 单元主要设备包括电解槽、燃料电池和 板电导率和阴极板电导率；C 为氢气扩散系数；
H
储氢罐。电解槽消纳过剩的风电功率进行制氢， S 为氢气溶解度系数；Δp 为膜两侧氢气压强差。
H
并存储在储氢罐内，燃料电池在风电功率不足时 图 2 给出了 60 ℃ 时电解槽制氢效率特性曲线。
利用储氢罐内氢气进行发电。 2）燃料电池数学模型。
1）电解槽数学模型。 燃料电池是电解槽逆反应装置，作用是将燃料
与 碱 式 电 解 槽 相 比 ， 质 子 交 换 膜 （ proton 的化学能转化为电能。本模块采用的燃料电池类型
exchange membrane electrolyzer，PEMEL）电解槽具 为质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane
有 显 著 优 势 。 首 先 ， PEMEL 的 电 流 密 度 可 达 fuel cell，PEMFC），其电压模型为
10 000 A/m 以上，而传统碱性电解槽的电流密度  fc fc fc
2
u fc = u −u act −u ohm −u conc

oc
一般在 3 000~4 000 A/m ，这使得 PEMEL 的工作效  ( )
2




 fc
 rT fc ln(i 0 )
u = N E n −

率较碱式电解槽更具优势；其次，PEMEL 能快速  oc zαF



 ( )

响 应 功 率 指 令 ， 调 节 直 流 微 网 电 压 波 动 [32] ； 最  44.3(T fc −298) rT fc fc ( fc ) 1 2




E n = 1.229− + ln p + p
 zF zF H 2 O 2

后，PEMEL 对温度和压力的适应能力更强 [33] 、制 


 ( )
1 rT fc i fc

 fc
氢效率更高，对环境更友好。因此，PEMEL 被广 u = N ln

 act

 τs+1 zαF i 0
泛采用，其单体电压模型可表示为 



 fc
u = R int i fc

  ohm

u el = u ocv +u act +u ohm 

 
  ) ∆G
 ( √ )  ( −
  fc fc
  rT fc
 p H 2 p O 2  zFk p + p
 rT el 
u ocv = u rev + ln  H 2 O 2




 i 0 =
 2F b
 rh


 （3）

u rev = 1.229−0.000 9(T el −298)


 ( ) ( )
 fc fc fc
 式中： u 、 u 和 分别为 的开路电压、
 rT el i el rT el i el u PEMFC
u act = arcsinh + arcsinh oc act ohm



 α an F α cat F
 2i an 2i cat
 c 为 的浓度
 激活过电压和欧姆过电压；u PEMFC
 con


 δ m
u ohm = R m i el , R m = 差过电压，实际常被忽略；N 为电池数量；E 为

n

σ m
（1） 能斯特瞬时电压；T 为环境温度；i 为交换电流；
0
c
f
22