北(běi)極星智能電網在線訊:随著(zhe)微電網技術的(de)日漸發展,微電網中儲能系統逐漸多(duō)元化(huà),電儲能及氫儲能與微電網的(de)運行控制産生緊密聯系,如何經濟地運行不同種類儲能系統成爲學者關注的(de)焦點。提出一種基于最小使用(yòng)成本及儲能狀态平衡的(de)電-氫混合儲能孤島直流微電網能量管理(lǐ)方法,該方法在滿足微電網基礎指标即電壓穩定、功率平衡的(de)基礎上,結合使用(yòng)成本最小算(suàn)法及等效氫耗最小算(suàn)法,對(duì)使用(yòng)電-氫混合儲能消納光(guāng)伏産生的(de)多(duō)餘電能以及釋放能量用(yòng)于功率缺額等情景進行最小化(huà)儲能系統使用(yòng)成本及維持儲能系統儲能狀态穩定的(de)優化(huà)控制,通(tōng)過對(duì)各系統的(de)直-直變換器層控制以及頂層的(de)協調控制确定各儲能系統的(de)工作狀态,從而完成系統的(de)能量管理(lǐ)。通(tōng)過RT-LAB半實物(wù)系統開展實時(shí)仿真,在實際工況下(xià)進行72h運行,驗證所提方法的(de)有效性,保證系統在實際工作中的(de)經濟型及穩定性。
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計及最小使用(yòng)成本及儲能狀态平衡的(de)電-氫混合儲能孤島直流微電網能量管理(lǐ)
蒲雨(yǔ)辰, 李奇, 陳維榮, 黃(huáng)文強, 胡斌彬, 韓瑩, 王璇
西南(nán)交通(tōng)大(dà)學 電氣工程學院,四川省 成都市 610031
0 引言
随著(zhe)全球電力需求的(de)不斷增加以及環境問題的(de)日益嚴重,建設含多(duō)種微源的(de)直流微電網系統成爲解決問題的(de)方案之一[1-3],多(duō)種針對(duì)微源及負荷特性的(de)能量管理(lǐ)優化(huà)方法應運而生[4]。爲了(le)充分(fēn)地利用(yòng)可(kě)再生能源,必須考慮到其不确定性,因此含儲能系統的(de)直流微電網已被廣泛研究[5-7],并在電網的(de)智能化(huà)進程中扮演著(zhe)重要角色。如今,含電儲能(蓄電池、超級電容)以及電轉氣儲能(電解槽)等多(duō)種儲能方式的(de)微電網系統[8-9]逐漸進入學者的(de)視野,建設含有多(duō)種儲能方式的(de)直流微電網系統成爲提高(gāo)發電量、降低使用(yòng)成本的(de)極具吸引力的(de)解決方案。
目前對(duì)于含儲能系統的(de)微電網,已有多(duō)種方法對(duì)其進行有效的(de)容量優化(huà)配置[10-11]。同時(shí),針對(duì)含不同儲能方式的(de)微電網系統,也(yě)出現了(le)多(duō)種能量管理(lǐ)方法對(duì)其進行功率分(fēn)配和(hé)系統穩定性控制。文獻[12]提出一種基于蓄電池荷電狀态(State of ge,Soc)的(de)直流微電網控制方法,該方法基于Soc對(duì)蓄電池運行狀态進行了(le)多(duō)段劃分(fēn),從而避免了(le)蓄電池的(de)深度充放電,優化(huà)了(le)儲能系統的(de)運行壽命。文獻[13]基于神經網絡算(suàn)法對(duì)風機出力進行約束,而後基于狀态機進行了(le)實時(shí)能量管理(lǐ)。文獻[14]根據微電網運行狀态及蓄電池自身因素,通(tōng)過對(duì)蓄電池當前及曆史的(de)狀态的(de)評估,進一步優化(huà)了(le)含電儲能系統微電網系統的(de)運行。在氫儲能方面,蔡國偉、孔令國等提出的(de)含風、光(guāng)、氫儲能的(de)主動型直流微電網系統,提高(gāo)了(le)風、光(guāng)可(kě)再生能源的(de)利用(yòng)率,實現了(le)高(gāo)滲透并網運行[15-16],最後根據氫儲能及電儲能系統狀态進行基于狀态機的(de)能量管理(lǐ)[17]。國外相關學者對(duì)該領域也(yě)進行了(le)一定研究,文獻[18]提出了(le)電-氫儲能直流微電網的(de)狀态機控制方法。Nasri S等人(rén)提出了(le)一種基于狀态機的(de)光(guāng)伏、燃料電池及多(duō)種儲能系統的(de)能量管理(lǐ)方法[19],該方式引入了(le)城(chéng)市負載的(de)典型工況,對(duì)管理(lǐ)方法的(de)可(kě)行性進行了(le)有力說明(míng),同時(shí)在已有模型基礎上,将蓄電池替換爲超級電容,進行了(le)進一步的(de)實驗驗證[20]。在經濟型方面,文獻[21]采用(yòng)基于成本的(de)下(xià)垂控制方法,對(duì)微電網儲能單元進行控制;文獻[22]根據相鄰微電網的(de)互聯運行,提出一種分(fēn)時(shí)優化(huà)的(de)微電網經濟調度方法;文獻[23]利用(yòng)貝加爾湖實地情況進行了(le)含氫儲能的(de)微電網的(de)容量配置,并與僅含有電儲能設施的(de)系統進行了(le)經濟性比較;文獻[24]首次提出了(le)儲能系統使用(yòng)成本計算(suàn)公式,并使用(yòng)遺傳算(suàn)法進行了(le)離線優化(huà)。但是,上述文章(zhāng)大(dà)多(duō)采用(yòng)基于Soc的(de)在線能量管理(lǐ)方法,該類方法難以實現對(duì)系統内多(duō)種不同類型儲能單元功率分(fēn)配的(de)優化(huà);此外,在線的(de)能量管理(lǐ)方法大(dà)多(duō)未計及系統的(de)經濟性。而離線的(de)優化(huà)算(suàn)法如文獻[24]使用(yòng)了(le)遺傳算(suàn)法能夠有效地實現優化(huà)目标,但如何靈活地在不确定性較高(gāo)的(de)微電網系統中實時(shí)運行尚未得(de)到解決。雖然電-氫微電網的(de)電效率低于僅含有電儲能的(de)微電網,但電儲能系統更适用(yòng)于短期的(de)電能儲存,當時(shí)間尺度較大(dà)時(shí),由于電儲能系統受限于其規模及可(kě)靠性,氫儲能系統在使用(yòng)成本上的(de)優勢便被體現了(le)出來(lái)[23]。
本文提出了(le)一種新型實時(shí)能量管理(lǐ)方法來(lái)控制由光(guāng)伏陣列驅動的(de)孤島直流微電網,且該微電網同時(shí)配備電、氫2種不同類型的(de)儲能系統。與基于蓄電池Soc的(de)傳統狀态機控制方法不同,本文所提出的(de)能量管理(lǐ)方法考慮到實際情況下(xià)可(kě)再生能源輸出特性以及系統的(de)經濟型,通(tōng)過控制各儲能系統的(de)工作狀态來(lái)實現能量儲存設備的(de)使用(yòng)成本最小化(huà),并将儲能系統的(de)儲能狀态維持在合理(lǐ)水(shuǐ)平,從而達到系統穩定運行的(de)目的(de)。将昆士蘭大(dà)學光(guāng)伏電站記錄的(de)三日氣候狀況及一種典型用(yòng)戶需求工況用(yòng)于驗證管理(lǐ)方法的(de)可(kě)行性,通(tōng)過RT-LAB半實物(wù)實時(shí)仿真平台,将獲得(de)的(de)結果與基于荷電狀态的(de)傳統能量管理(lǐ)方法、基于等效氫耗最小的(de)能量管理(lǐ)方法以及僅含有電儲能系統的(de)能量管理(lǐ)方法進行比較。結果顯示該管理(lǐ)方法在使用(yòng)成本及儲能系統效率上明(míng)顯優于前2種能量管理(lǐ)方法,在使用(yòng)成本及可(kě)靠性上明(míng)顯優于僅含有電儲能系統的(de)方法。
1 孤島直流微電網系統結構及模型
1.1 系統結構
如圖1所示,爲本文所搭建的(de)基于電-氫儲能的(de)孤島直流微電網。其中,光(guāng)伏陣列、電解槽與燃料電池均通(tōng)過單向DC/DC與直流母線連接,蓄電池通(tōng)過雙向DC/DC與母線連接。對(duì)于該孤島系統,光(guāng)伏陣列作爲主要的(de)分(fēn)布式能源,爲蓄電池、氫儲能系統(燃料電池/儲氫罐/電解槽)以及負載提供能量,當光(guāng)伏輸出不足時(shí),則由蓄電池及氫能系統補齊母線功率缺額,保證系統的(de)正常運行。
圖1 孤島直流微電網系統結構Fig. 1 Structure of island DC microgrid
1.2 光(guāng)伏電池模型
本文所搭建光(guāng)伏電池數學模型爲實用(yòng)工程模型,該模型數學表達式[25]爲
I=Isc{1−C1[exp(UC2Uoc)−1]}I=Isc{1−C1[exp(U/C2Uoc)−1]}(1)
式中：I、U分(fēn)别爲光(guāng)伏電池輸出電流、電壓,Isc爲短路電流;Uoc爲開路電壓;C1、C2爲與電池峰值電壓、電流相關的(de)函數;當光(guāng)照(zhào)強度S和(hé)環境溫度T發生變化(huà)時(shí),就需要重新計算(suàn)峰值電壓、電流。
1.3 燃料電池模型
本文采用(yòng)的(de)燃料電池類型爲質子膜交換燃料電池,其單電池Ucell的(de)輸出電壓[26]爲
Ucell=ENernst−Uact−Uohmic−Ucon(2)
式中：ENernst爲熱(rè)力學電動勢;Uact爲活化(huà)過電壓;Uohmic爲歐姆過電壓;Ucon爲濃差過電壓。
1.4 蓄電池模型
本文采用(yòng)RINT模型[27]作爲蓄電池的(de)數學模型,RINT模型中各項參數受蓄電池荷電狀态、充放電電流影(yǐng)響,其模型公式爲
Ubat=Ut−RIUbat=Ut−RI(3)
式中：Ubat爲蓄電池工作電壓;Ut爲開路電壓;R爲内阻;I爲充放電電流;Rchg、Rdis分(fēn)别爲充、放電電阻;Soc0爲上一時(shí)刻荷電狀态值;ηη爲充放電效率;Q爲容量。
1.5 電解槽模型
電解槽将水(shuǐ)電解爲氫氣和(hé)氧氣,氫氣的(de)産生速度與電解電路中電流的(de)大(dà)小成正比[18]：
nel=ηFnciel/(2F)(6)
式中ηF爲法拉第效率。法拉第效率表示爲
ηF=96.5exp(0.09/iel−75.5/i2el)(7)
式中：nel爲氫氣産生速率;nc爲電解槽串聯數;iel爲電解槽電流;F爲法拉第常數。
1.6 儲氫罐模型
根據範德華實際氣體狀态方程,儲氫罐内壓強Psto的(de)表達式[28]爲
式中：Rc爲阿伏伽德羅常數;K爲開氏溫度;Vsto爲儲氫罐體積;a、b爲常數;nsto爲儲氫罐氫儲量;nfc爲燃料電池耗氫速率;nre爲儲氫罐初始氫儲量。
爲了(le)便于反映儲氫罐的(de)存儲狀态且易于進行能量管理(lǐ),本文定義了(le)儲氫罐的(de)等效荷電狀态Sohc(State of hydrogen ge),即
Sohc=Psto/PNSohc=Psto/PN(9)
式中PN爲儲氫罐最大(dà)容許壓強。
