隨著微電網(wǎng)技術(shù)的日漸發(fā)展,微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)逐漸多元化,電儲(chǔ)能及氫儲(chǔ)能與微電網(wǎng)的運(yùn)行控制產(chǎn)生緊密聯(lián)系,如何經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行不同種類儲(chǔ)能系統(tǒng)成為學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。提出一種基于最小使用成本及儲(chǔ)能狀態(tài)平衡的電-氫混合儲(chǔ)能孤島直流微電網(wǎng)能量管理方法,該方法在滿足微電網(wǎng)基礎(chǔ)指標(biāo)即電壓穩(wěn)定、功率平衡的基礎(chǔ)上,結(jié)合使用成本最小算法及等效氫耗最小算法,對(duì)使用電-氫混合儲(chǔ)能消納光伏產(chǎn)生的多余電能以及釋放能量用于功率缺額等情景進(jìn)行最小化儲(chǔ)能系統(tǒng)使用成本及維持儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能狀態(tài)穩(wěn)定的優(yōu)化控制,通過對(duì)各系統(tǒng)的直-直變換器層控制以及頂層的協(xié)調(diào)控制確定各儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài),從而完成系統(tǒng)的能量管理。通過RT-LAB半實(shí)物系統(tǒng)開展實(shí)時(shí)仿真,在實(shí)際工況下進(jìn)行72h運(yùn)行,驗(yàn)證所提方法的有效性,保證系統(tǒng)在實(shí)際工作中的經(jīng)濟(jì)型及穩(wěn)定性。

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計(jì)及最小使用成本及儲(chǔ)能狀態(tài)平衡的電-氫混合儲(chǔ)能孤島直流微電網(wǎng)能量管理

蒲雨辰, 李奇, 陳維榮, 黃文強(qiáng), 胡斌彬, 韓瑩, 王璇

西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川省 成都市 610031

0 引言

隨著全球電力需求的不斷增加以及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重,建設(shè)含多種微源的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)成為解決問題的方案之一[1-3],多種針對(duì)微源及負(fù)荷特性的能量管理優(yōu)化方法應(yīng)運(yùn)而生[4]。為了充分地利用可再生能源,必須考慮到其不確定性,因此含儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流微電網(wǎng)已被廣泛研究[5-7],并在電網(wǎng)的智能化進(jìn)程中扮演著重要角色。如今,含電儲(chǔ)能(蓄電池、超級(jí)電容)以及電轉(zhuǎn)氣儲(chǔ)能(電解槽)等多種儲(chǔ)能方式的微電網(wǎng)系統(tǒng)[8-9]逐漸進(jìn)入學(xué)者的視野,建設(shè)含有多種儲(chǔ)能方式的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)成為提高發(fā)電量、降低使用成本的極具吸引力的解決方案。

目前對(duì)于含儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng),已有多種方法對(duì)其進(jìn)行有效的容量?jī)?yōu)化配置[10-11]。同時(shí),針對(duì)含不同儲(chǔ)能方式的微電網(wǎng)系統(tǒng),也出現(xiàn)了多種能量管理方法對(duì)其進(jìn)行功率分配和系統(tǒng)穩(wěn)定性控制。文獻(xiàn)[12]提出一種基于蓄電池荷電狀態(tài)(State of ge,Soc)的直流微電網(wǎng)控制方法,該方法基于Soc對(duì)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了多段劃分,從而避免了蓄電池的深度充放電,優(yōu)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行壽命。文獻(xiàn)[13]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)風(fēng)機(jī)出力進(jìn)行約束,而后基于狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了實(shí)時(shí)能量管理。文獻(xiàn)[14]根據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)及蓄電池自身因素,通過對(duì)蓄電池當(dāng)前及歷史的狀態(tài)的評(píng)估,進(jìn)一步優(yōu)化了含電儲(chǔ)能系統(tǒng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行。在氫儲(chǔ)能方面,蔡國(guó)偉、孔令國(guó)等提出的含風(fēng)、光、氫儲(chǔ)能的主動(dòng)型直流微電網(wǎng)系統(tǒng),提高了風(fēng)、光可再生能源的利用率,實(shí)現(xiàn)了高滲透并網(wǎng)運(yùn)行[15-16],最后根據(jù)氫儲(chǔ)能及電儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行基于狀態(tài)機(jī)的能量管理[17]。國(guó)外相關(guān)學(xué)者對(duì)該領(lǐng)域也進(jìn)行了一定研究,文獻(xiàn)[18]提出了電-氫儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)的狀態(tài)機(jī)控制方法。Nasri S等人提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的光伏、燃料電池及多種儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方法[19],該方式引入了城市負(fù)載的典型工況,對(duì)管理方法的可行性進(jìn)行了有力說明,同時(shí)在已有模型基礎(chǔ)上,將蓄電池替換為超級(jí)電容,進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[20]。在經(jīng)濟(jì)型方面,文獻(xiàn)[21]采用基于成本的下垂控制方法,對(duì)微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元進(jìn)行控制;文獻(xiàn)[22]根據(jù)相鄰微電網(wǎng)的互聯(lián)運(yùn)行,提出一種分時(shí)優(yōu)化的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法;文獻(xiàn)[23]利用貝加爾湖實(shí)地情況進(jìn)行了含氫儲(chǔ)能的微電網(wǎng)的容量配置,并與僅含有電儲(chǔ)能設(shè)施的系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較;文獻(xiàn)[24]首次提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)使用成本計(jì)算公式,并使用遺傳算法進(jìn)行了離線優(yōu)化。但是,上述文章大多采用基于Soc的在線能量管理方法,該類方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)多種不同類型儲(chǔ)能單元功率分配的優(yōu)化;此外,在線的能量管理方法大多未計(jì)及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。而離線的優(yōu)化算法如文獻(xiàn)[24]使用了遺傳算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo),但如何靈活地在不確定性較高的微電網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)運(yùn)行尚未得到解決。雖然電-氫微電網(wǎng)的電效率低于僅含有電儲(chǔ)能的微電網(wǎng),但電儲(chǔ)能系統(tǒng)更適用于短期的電能儲(chǔ)存,當(dāng)時(shí)間尺度較大時(shí),由于電儲(chǔ)能系統(tǒng)受限于其規(guī)模及可靠性,氫儲(chǔ)能系統(tǒng)在使用成本上的優(yōu)勢(shì)便被體現(xiàn)了出來(lái)[23]。

本文提出了一種新型實(shí)時(shí)能量管理方法來(lái)控制由光伏陣列驅(qū)動(dòng)的孤島直流微電網(wǎng),且該微電網(wǎng)同時(shí)配備電、氫2種不同類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)。與基于蓄電池Soc的傳統(tǒng)狀態(tài)機(jī)控制方法不同,本文所提出的能量管理方法考慮到實(shí)際情況下可再生能源輸出特性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型,通過控制各儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的使用成本最小化,并將儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能狀態(tài)維持在合理水平,從而達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的。將昆士蘭大學(xué)光伏電站記錄的三日氣候狀況及一種典型用戶需求工況用于驗(yàn)證管理方法的可行性,通過RT-LAB半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真平臺(tái),將獲得的結(jié)果與基于荷電狀態(tài)的傳統(tǒng)能量管理方法、基于等效氫耗最小的能量管理方法以及僅含有電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方法進(jìn)行比較。結(jié)果顯示該管理方法在使用成本及儲(chǔ)能系統(tǒng)效率上明顯優(yōu)于前2種能量管理方法,在使用成本及可靠性上明顯優(yōu)于僅含有電儲(chǔ)能系統(tǒng)的方法。

1 孤島直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,為本文所搭建的基于電-氫儲(chǔ)能的孤島直流微電網(wǎng)。其中,光伏陣列、電解槽與燃料電池均通過單向DC/DC與直流母線連接,蓄電池通過雙向DC/DC與母線連接。對(duì)于該孤島系統(tǒng),光伏陣列作為主要的分布式能源,為蓄電池、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)(燃料電池/儲(chǔ)氫罐/電解槽)以及負(fù)載提供能量,當(dāng)光伏輸出不足時(shí),則由蓄電池及氫能系統(tǒng)補(bǔ)齊母線功率缺額,保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖1 孤島直流微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of island DC microgrid

1.2 光伏電池模型

本文所搭建光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型為實(shí)用工程模型,該模型數(shù)學(xué)表達(dá)式[25]為

I=Isc{1−C1[exp(UC2Uoc)−1]}I=Isc{1−C1[exp⁡(U/C₂Uoc)−1]}(1)

式中：I、U分別為光伏電池輸出電流、電壓,Isc為短路電流;Uoc為開路電壓;C1、C2為與電池峰值電壓、電流相關(guān)的函數(shù);當(dāng)光照強(qiáng)度S和環(huán)境溫度T發(fā)生變化時(shí),就需要重新計(jì)算峰值電壓、電流。

1.3 燃料電池模型

本文采用的燃料電池類型為質(zhì)子膜交換燃料電池,其單電池Ucell的輸出電壓[26]為

Ucell=ENernst−Uact−Uohmic−Ucon(2)

式中：ENernst為熱力學(xué)電動(dòng)勢(shì);Uact為活化過電壓;Uohmic為歐姆過電壓;Ucon為濃差過電壓。

1.4 蓄電池模型

本文采用RINT模型[27]作為蓄電池的數(shù)學(xué)模型,RINT模型中各項(xiàng)參數(shù)受蓄電池荷電狀態(tài)、充放電電流影響,其模型公式為

Ubat=Ut−RIUbat=Ut−RI(3)

式中：Ubat為蓄電池工作電壓;Ut為開路電壓;R為內(nèi)阻;I為充放電電流;Rchg、Rdis分別為充、放電電阻;Soc0為上一時(shí)刻荷電狀態(tài)值;ηη為充放電效率;Q為容量。

1.5 電解槽模型

電解槽將水電解為氫氣和氧氣,氫氣的產(chǎn)生速度與電解電路中電流的大小成正比[18]：

nel=ηFnciel/(2F)(6)

式中ηF為法拉第效率。法拉第效率表示為

ηF=96.5exp(0.09/iel−75.5/i2el)(7)

式中：nel為氫氣產(chǎn)生速率;nc為電解槽串聯(lián)數(shù);iel為電解槽電流;F為法拉第常數(shù)。

1.6 儲(chǔ)氫罐模型

根據(jù)范德華實(shí)際氣體狀態(tài)方程,儲(chǔ)氫罐內(nèi)壓強(qiáng)Psto的表達(dá)式[28]為

式中：Rc為阿伏伽德羅常數(shù);K為開氏溫度;Vsto為儲(chǔ)氫罐體積;a、b為常數(shù);nsto為儲(chǔ)氫罐氫儲(chǔ)量;nfc為燃料電池耗氫速率;nre為儲(chǔ)氫罐初始?xì)鋬?chǔ)量。

為了便于反映儲(chǔ)氫罐的存儲(chǔ)狀態(tài)且易于進(jìn)行能量管理,本文定義了儲(chǔ)氫罐的等效荷電狀態(tài)Sohc(State of hydrogen ge),即

Sohc=Psto/PNSohc=Psto/PN(9)

式中PN為儲(chǔ)氫罐最大容許壓強(qiáng)。