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如何在考慮儲能狀態平衡的情況下實現電-氫混合儲能微電網的經濟運行?

鉅大LARGE  |  點擊量:1535次  |  2019年03月29日  

1)研究背景。

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,氫能是一種理想的二次能源,可作為能量媒介可以通過電解水與燃料電池技術實現高效率的互相轉換,具備成比例放大到電網規模應用的潛力。然而,現有的制氫設備難以快速關閉或啟動,制氫的速度也難以快速調節,其無法單獨與具有快速波動性的分布式能源進行配合,因此,對電-氫混合儲能系統的控制、及經濟運行進行研究,將儲能系統的快速響應特點與氫能系統的優勢相結合,提高微電網系統的運行可靠性和和減小系統的運行成本。

2)孤島直流微電網系統結構及建模。

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。

3)微電網能量管理方法。

由于系統僅由可再生能源供電,其輸出功率主要受環境影響。因此,對于當前的負載需求及光伏輸出功率,能量管理系統的目的是確定存儲設備的最佳運行方式,以便使整個微電網的使用成本最低。與此同時,在孤島系統中,將蓄電池Soc以及儲氫罐Sohc控制在理想范圍內也是維持系統穩定運行的關鍵,使得儲能系統既能夠在光伏電池輸出盈余功率時提供足夠的儲存容量,同時也能夠有效防止在母線功率缺額時由儲能不足所導致的系統崩潰等嚴重問題。

本文將直流微電網系統劃分為兩層,底層為物理層,由各微源及直流變流器組成,該層將采集到的負載信號及各微源狀態傳遞至上一層。頂層為管理層,通過對底層各微源信息的接收及分析,根據具體的能量管理策略,對各個變流器分別發出指令,控制其工作狀態,能量管理系統控制圖如下圖所示。

其中等效氫耗最小策略是以單位控制周期內的系統氫能消耗最小化為目標的瞬時優化策略,該策略將蓄電池消耗電能計量為氫能,從而以整個系統氫能使用最少為目標,求解出蓄電池最優輸出功率。將等效氫耗最小算法所計算得到的最優功率進行處理,得到關于蓄電池使用成本的權重系數λ,從而使得系統Soc更加可控,同樣地,加入基于儲氫罐氫儲量的成本權重系數f,該系數用于氫儲能使用成本公式中,以限制氫能系統Sohc的變化程度及范圍。頂層能量管理流程圖如圖3所示。

4)實驗驗證及結論。

本文以含有光伏陣列、燃料電池、蓄電池、電解槽及儲氫罐的孤島直流微電網作為研究對象,提出一種基于使用成本最小及穩定儲能狀態的直流微電網控制能量管理方法。該方法通過儲能系統最小算法降低儲能系統成本,同時加入等效氫耗最小算法維持儲能系統的儲能水平,在光伏陣列產生盈余功率及功率缺額情況下對電-氫儲能系統的功率進行合理分配,實現系統使用成本及儲能水平的優化控制。通過RT-LAB在線運行對本文提出的能量管理方法在成本及其他指標上進行了驗證,結果表明系統使用成本相較于傳統能量管理方法大幅減少,且儲能系統狀態更加穩定,儲量始終保證在正常水平,氫儲能系統利用率高,增加了系統可靠性。對直流微電網系統經濟、穩定運行具有重要意義。

創新點

1)以電-氫混合儲能孤島直流微電網作為研究對象,結合等效氫耗最小理論,提出一種基于使用成本最小及穩定儲能狀態的直流微電網能量管理方法。該方法降低了儲能系統使用成本,維持了儲能系統的儲能狀態,對各微源功率進行合理分配,實現系統使用成本及儲能水平的優化控制。

2)該方法通過合理的電儲能及氫儲能系統能量交互,提升了氫能系統效率,提高了光伏產能的利用率,實現了系統的經濟運行,并通過半實物仿真驗證了方法的有效性。

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