于 傳，張少文，朱海銘

(1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心，安徽 合肥 230022；2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051；3.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引言

電能是當(dāng)今社會(huì)最重要、也最便捷的能源，但隨著傳統(tǒng)能源危機(jī)的不斷增加，越來越迫切地需要尋找其替代品。因此，可再生能源的開發(fā)利用受到越來越多的關(guān)注和重視，其中，以光伏發(fā)電為代表的可再生能源的利用在降低環(huán)境污染、解決能源不足、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等方面的作用越來越重要。但光伏發(fā)電具有明顯的出力波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性，這些不確定性因素對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，使光伏發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展與工程應(yīng)用受到一定制約[1]。因此，如何控制光伏電站的輸出功率平滑穩(wěn)定，保證優(yōu)越的實(shí)時(shí)可調(diào)度性和良好的經(jīng)濟(jì)效益是當(dāng)今研究光伏發(fā)電并網(wǎng)的熱點(diǎn)。

針對(duì)光氫儲(chǔ)等多能互補(bǔ)系統(tǒng)，國內(nèi)外很多學(xué)者已進(jìn)行初步探討研究。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)光伏、電解槽制氫、儲(chǔ)氫罐與氫燃料電池組成的多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電模塊、儲(chǔ)能模塊和負(fù)載部分的能量平衡，并且該文使用一種MPC算法實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化過程中的最大效益。文獻(xiàn)[3]基于可再生能源的利用，提出了一種雙源離網(wǎng)混合發(fā)電系統(tǒng)能量管理策略，但不涉及電網(wǎng)連接條件下的功率協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)[4]采用光伏陣列與電解槽直接耦合的形式，由相同數(shù)量的光伏陣列與電解槽串并聯(lián)進(jìn)行組合排列，使光伏陣列的最優(yōu)I-U曲線與電解槽的I-U曲線基本相似，保證兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)最優(yōu)運(yùn)行。并通過仿真驗(yàn)證了這種組合的可行性與經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[5]以系統(tǒng)年運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)，將窮盡搜索法應(yīng)用于由光伏陣列、蓄電池、電解槽和氫燃料電池組成的混合自治系統(tǒng)中，使各單元配置最優(yōu)。以上研究均未考慮儲(chǔ)能的需求容量，且儲(chǔ)能形式單一，其經(jīng)濟(jì)性與平抑光伏波動(dòng)的效果較差。

為減少儲(chǔ)能投資成本、優(yōu)化平抑光伏波動(dòng)所需的儲(chǔ)能容量，本文從儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)補(bǔ)償和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，在多能互補(bǔ)的混合能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，提出了一種用于多能互補(bǔ)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的能量平衡控制策略，可以根據(jù)光伏發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)互補(bǔ)的方法進(jìn)行合理分配功率。另外，給出了本文控制策略與傳統(tǒng)控制策略的經(jīng)濟(jì)效益比較分析，驗(yàn)證了本文所提方法可實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化。

1 多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量平衡控制策略

多能互補(bǔ)系統(tǒng)功率平衡控制策略對(duì)系統(tǒng)的充放電管理，對(duì)儲(chǔ)能單元的壽命及電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。在直流母線并網(wǎng)的過程中，直流母線的微電網(wǎng)經(jīng)三相逆變?yōu)殡娋W(wǎng)提供所需的有功功率和無功功率。

光伏陣列工作在MPPT控制模式下時(shí)，其設(shè)計(jì)方案如下：以PPV表示光伏輸出功率、用Psto_ref表示多能互補(bǔ)儲(chǔ)能部分輸出的功率。電壓跟隨型控制的主要特點(diǎn)是通過三相逆變器控制系統(tǒng)直流母線電壓；電網(wǎng)側(cè)所需的有功功率Pref主要由光伏發(fā)電單元、蓄電池和氫燃料電池單元輸出，其數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下：

Psto-ref=Pref-PPV

(1)

為了維持直流母線電壓的穩(wěn)定，三相逆變器的運(yùn)行采用由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制策略，從而間接地通過吸收從發(fā)電側(cè)發(fā)出的功率維持直流母線電壓的恒定。其中用于提供給直流母線電壓及直流負(fù)載所需的功率用Pdc_ref表示，因此三相逆變器側(cè)需逆變的功率值可以表示為：

Pinv_ref=Psource-Pdu_ref

(2)

由式(1)和(2)可以得出基于電壓跟隨型策略的多能互補(bǔ)存儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制的功率分配，如圖1所示。在多能互補(bǔ)存儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制功率分配型中，最大特點(diǎn)為直流母線端電壓的穩(wěn)定是由發(fā)電系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)單元協(xié)同控制的。

圖1 多能互補(bǔ)存儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制功率值的分配圖

2 經(jīng)濟(jì)效益最大化

2.1 儲(chǔ)能裝置容量成本的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

從“中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)”得到是蓄電池存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和市場(chǎng)成本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，蓄電池電池裝置的投資成本和儲(chǔ)能的最大容量成正比，通過對(duì)儲(chǔ)能最大需求容量進(jìn)行對(duì)比，來得到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化程度。在參考文獻(xiàn)[6]中得到的平抑波動(dòng)的儲(chǔ)能需求容量Eneed的公式為:

(3)

經(jīng)過Matlab數(shù)據(jù)處理得到兩種策略的Eneed的分布情況如圖2所示，從仿真結(jié)果可以直觀地看出本文提出的多能互補(bǔ)控制策略對(duì)儲(chǔ)能的容量需求遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)或者常規(guī)的控制策略。

圖2 蓄電池最大需求容量經(jīng)濟(jì)效益分布情況

2.2 蓄電池循環(huán)充放電次數(shù)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

傳統(tǒng)的蓄電池在進(jìn)行充放電的過程中，會(huì)在電極板上產(chǎn)生硫酸鉛晶體，從而減少了蓄電池的壽命。蓄電池的使用壽命與電池循環(huán)充放電次數(shù)成反比，即每天充電和放電的循環(huán)次數(shù)越少，電池的使用壽命就越長(zhǎng)。根據(jù)“中國蓄電池行業(yè)協(xié)會(huì)”的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合電腦曲線分析得到多能互補(bǔ)系統(tǒng)和常規(guī)調(diào)控策略下蓄電池電池循環(huán)充放電次數(shù)指標(biāo)N，兩種策略下蓄電池每天的循環(huán)充放電次數(shù)分布情況如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能電池循環(huán)充放電次數(shù)分布情況

通過分析比較、評(píng)估儲(chǔ)能電池的壽命來反映系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化程度，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

從仿真數(shù)據(jù)折線圖結(jié)果可直觀地看出多能互補(bǔ)系統(tǒng)所提策略能顯著降低儲(chǔ)能電池的充放電次數(shù)，蓄電池的使用頻率遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)控制策略，通過延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，從而間接的提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合效益最大化。

2.3 光伏發(fā)電棄光量經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中或多或少地存在光伏發(fā)電損失的現(xiàn)象，光伏損失的部分影響著相當(dāng)比例的成本效益。根據(jù)“中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)”所提供的數(shù)據(jù)得到仿真結(jié)果，多能互補(bǔ)控制策略中光伏陣列發(fā)電每天損失的發(fā)電量Eloss的分布情況如圖4所示，Eloss的平均值為98.4 kW·h/天，電價(jià)按照0.9元/kW·h計(jì)算可得全年的發(fā)電損失費(fèi)用約為3.232萬元。

圖4 多能互補(bǔ)控制策略下光伏發(fā)電損失量分布情況

3 經(jīng)濟(jì)性綜合對(duì)比分析

對(duì)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行匯總，如表1所示。經(jīng)多能互補(bǔ)的協(xié)調(diào)策略控制后的光伏并網(wǎng)在功率波動(dòng)性上比常規(guī)的控制策略平均減少了15.29%，具有更好的波動(dòng)平抑性；在儲(chǔ)能容量的需求上比常規(guī)的策略平均減少了41.59%；在每天對(duì)電池的循環(huán)充放電次數(shù)比常規(guī)的策略減少了41.33%，從而間接地延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命，減少了成本投入；光伏發(fā)電損失量減少了33.56%。

表1 經(jīng)濟(jì)性綜合對(duì)比

綜上所述本文提出的控制策略具有可觀的綜合經(jīng)濟(jì)效益和顯著的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

本文提出了基于電壓跟隨型策略的多能互補(bǔ)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略，通過仿真驗(yàn)證了光伏陣列、蓄電池、超級(jí)電容器、電解槽與氫燃料電池等組成的混合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行。此控制策略不僅使得該混合系統(tǒng)出力是可控的，并且大大提高了太陽能利用率和氫能利用率，使得清潔能源得到了完全的利用，將可再生能源效益最大化，優(yōu)化各存儲(chǔ)單元的運(yùn)行。相比于常規(guī)的控制方法，采用光儲(chǔ)協(xié)調(diào)互補(bǔ)的方法需要更少的投資運(yùn)行成本從而獲得更顯著的經(jīng)濟(jì)效益。