隨著微電網技術的日漸發展,微電網中儲能系統逐漸多元化,電儲能及氫儲能與微電網的運行控制產生緊密聯系,如何經濟地運行不同種類儲能系統成為學者關注的焦點。提出一種基于最小使用成本及儲能狀態平衡的電-氫混合儲能孤島直流微電網能量管理方法,該方法在滿足微電網基礎指標即電壓穩定、功率平衡的基礎上,結合使用成本最小算法及等效氫耗最小算法,對使用電-氫混合儲能消納光伏產生的多余電能以及釋放能量用于功率缺額等情景進行最小化儲能系統使用成本及維持儲能系統儲能狀態穩定的優化控制,通過對各系統的直-直變換器層控制以及頂層的協調控制確定各儲能系統的工作狀態,從而完成系統的能量管理。通過RT-LAB半實物系統開展實時仿真,在實際工況下進行72h運行,驗證所提方法的有效性,保證系統在實際工作中的經濟型及穩定性。

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計及最小使用成本及儲能狀態平衡的電-氫混合儲能孤島直流微電網能量管理

蒲雨辰, 李奇, 陳維榮, 黃文強, 胡斌彬, 韓瑩, 王璇

西南交通大學 電氣工程學院,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境問題的日益嚴重,建設含多種微源的直流微電網系統成為解決問題的方案之一[1-3],多種針對微源及負荷特性的能量管理優化方法應運而生[4]。為了充分地利用可再生能源,必須考慮到其不確定性,因此含儲能系統的直流微電網已被廣泛研究[5-7],并在電網的智能化進程中扮演著重要角色。如今,含電儲能(蓄電池、超級電容)以及電轉氣儲能(電解槽)等多種儲能方式的微電網系統[8-9]逐漸進入學者的視野,建設含有多種儲能方式的直流微電網系統成為提高發電量、降低使用成本的極具吸引力的解決方案。

目前對于含儲能系統的微電網,已有多種方法對其進行有效的容量優化配置[10-11]。同時,針對含不同儲能方式的微電網系統,也出現了多種能量管理方法對其進行功率分配和系統穩定性控制。文獻[12]提出一種基于蓄電池荷電狀態(State of ge,Soc)的直流微電網控制方法,該方法基于Soc對蓄電池運行狀態進行了多段劃分,從而避免了蓄電池的深度充放電,優化了儲能系統的運行壽命。文獻[13]基于神經網絡算法對風機出力進行約束,而后基于狀態機進行了實時能量管理。文獻[14]根據微電網運行狀態及蓄電池自身因素,通過對蓄電池當前及歷史的狀態的評估,進一步優化了含電儲能系統微電網系統的運行。在氫儲能方面,蔡國偉、孔令國等提出的含風、光、氫儲能的主動型直流微電網系統,提高了風、光可再生能源的利用率,實現了高滲透并網運行[15-16],最后根據氫儲能及電儲能系統狀態進行基于狀態機的能量管理[17]。國外相關學者對該領域也進行了一定研究,文獻[18]提出了電-氫儲能直流微電網的狀態機控制方法。Nasri S等人提出了一種基于狀態機的光伏、燃料電池及多種儲能系統的能量管理方法[19],該方式引入了城市負載的典型工況,對管理方法的可行性進行了有力說明,同時在已有模型基礎上,將蓄電池替換為超級電容,進行了進一步的實驗驗證[20]。在經濟型方面,文獻[21]采用基于成本的下垂控制方法,對微電網儲能單元進行控制;文獻[22]根據相鄰微電網的互聯運行,提出一種分時優化的微電網經濟調度方法;文獻[23]利用貝加爾湖實地情況進行了含氫儲能的微電網的容量配置,并與僅含有電儲能設施的系統進行了經濟性比較;文獻[24]首次提出了儲能系統使用成本計算公式,并使用遺傳算法進行了離線優化。但是,上述文章大多采用基于Soc的在線能量管理方法,該類方法難以實現對系統內多種不同類型儲能單元功率分配的優化;此外,在線的能量管理方法大多未計及系統的經濟性。而離線的優化算法如文獻[24]使用了遺傳算法能夠有效地實現優化目標,但如何靈活地在不確定性較高的微電網系統中實時運行尚未得到解決。雖然電-氫微電網的電效率低于僅含有電儲能的微電網,但電儲能系統更適用于短期的電能儲存,當時間尺度較大時,由于電儲能系統受限于其規模及可靠性,氫儲能系統在使用成本上的優勢便被體現了出來[23]。

本文提出了一種新型實時能量管理方法來控制由光伏陣列驅動的孤島直流微電網,且該微電網同時配備電、氫2種不同類型的儲能系統。與基于蓄電池Soc的傳統狀態機控制方法不同,本文所提出的能量管理方法考慮到實際情況下可再生能源輸出特性以及系統的經濟型,通過控制各儲能系統的工作狀態來實現能量儲存設備的使用成本最小化,并將儲能系統的儲能狀態維持在合理水平,從而達到系統穩定運行的目的。將昆士蘭大學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證管理方法的可行性,通過RT-LAB半實物實時仿真平臺,將獲得的結果與基于荷電狀態的傳統能量管理方法、基于等效氫耗最小的能量管理方法以及僅含有電儲能系統的能量管理方法進行比較。結果顯示該管理方法在使用成本及儲能系統效率上明顯優于前2種能量管理方法,在使用成本及可靠性上明顯優于僅含有電儲能系統的方法。

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,為本文所搭建的基于電-氫儲能的孤島直流微電網。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。對于該孤島系統,光伏陣列作為主要的分布式能源,為蓄電池、氫儲能系統(燃料電池/儲氫罐/電解槽)以及負載提供能量,當光伏輸出不足時,則由蓄電池及氫能系統補齊母線功率缺額,保證系統的正常運行。

圖1 孤島直流微電網系統結構Fig. 1 Structure of island DC microgrid

1.2 光伏電池模型

本文所搭建光伏電池數學模型為實用工程模型,該模型數學表達式[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、電流相關的函數;當光照強度S和環境溫度T發生變化時,就需要重新計算峰值電壓、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為熱力學電動勢;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]作為蓄電池的數學模型,RINT模型中各項參數受蓄電池荷電狀態、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為內阻;I為充放電電流;Rchg、Rdis分別為充、放電電阻;Soc0為上一時刻荷電狀態值;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為氫氣產生速率;nc為電解槽串聯數;iel為電解槽電流;F為法拉第常數。

1.6 儲氫罐模型

根據范德華實際氣體狀態方程,儲氫罐內壓強Psto的表達式[28]為

式中：Rc為阿伏伽德羅常數;K為開氏溫度;Vsto為儲氫罐體積;a、b為常數;nsto為儲氫罐氫儲量;nfc為燃料電池耗氫速率;nre為儲氫罐初始氫儲量。

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

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

式中PN為儲氫罐最大容許壓強。