吳雅潔，于少娟，閆 碩

(太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

我國的生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不斷提高，對能源消耗的類型及環(huán)保程度有了更高的要求?？勺鳛槎喾N能源生產(chǎn)、消費(fèi)和多種能源間轉(zhuǎn)換方式所組成的智能高效的終端單元——微網(wǎng)(microgrid，MG)，在實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)源儲荷協(xié)調(diào)優(yōu)化的單一可控能源系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用[1-2]?！渡轿魇〈蜈A藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)2020年決戰(zhàn)計(jì)劃》，基本做到“兩斷三清”，建設(shè)清潔低碳能源中心，有效改善我省的空氣質(zhì)量。在微網(wǎng)容量增大、負(fù)荷需求增加的情況下，對多源微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行、縮減成本等方面的要求不斷細(xì)化。常見的傳統(tǒng)電池和電熱儲能在其容量、成本、靈活調(diào)節(jié)等方面存在較大問題，無法滿足微網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)節(jié)，大多要依靠配網(wǎng)支撐[3-4]。多源微網(wǎng)及其儲能的創(chuàng)新與優(yōu)化，促進(jìn)了微網(wǎng)內(nèi)分布式電源消納和多類型能源有效利用，有利于在微網(wǎng)與多能源主干網(wǎng)間進(jìn)行能量的傳輸交換。

國內(nèi)外學(xué)者對于新能源發(fā)電和多源微網(wǎng)運(yùn)行方面展開了大量的研究。文獻(xiàn)[5]對系統(tǒng)的發(fā)電和負(fù)荷用電協(xié)調(diào)，棄風(fēng)棄氫最小策略研究，優(yōu)化多目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]對幾種常見儲氫技術(shù)進(jìn)行了儲氫密度、性價比、安全性等方面的綜合比較，金屬氫化物儲氫技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。文獻(xiàn)[7]以當(dāng)前市場上的雙邊交易為基礎(chǔ)，構(gòu)想了與產(chǎn)消方式相關(guān)的電力市場互聯(lián)微網(wǎng)模型，通過仿真驗(yàn)證得出一種協(xié)調(diào)自治策略。文獻(xiàn)[8]對樓宇微網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，融合虛擬儲能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)用戶一定范圍內(nèi)的室溫，降低傳統(tǒng)儲能在系統(tǒng)所占比重，著重在充放電管理方面對虛擬儲能加強(qiáng)改進(jìn)。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了以氫能作為中間緩沖環(huán)節(jié)的電轉(zhuǎn)氣能源系統(tǒng)模型，形成高效型和能量型的電-氣-電能量閉環(huán)流動圈，提高經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。文獻(xiàn)[10]由聯(lián)供機(jī)組、制冷機(jī)組、燃?xì)忮仩t、熱線圈組成CCHP系統(tǒng)為樓宇供能，并對該系統(tǒng)的容量和運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[11]注重微網(wǎng)的自治調(diào)度運(yùn)行，建立電熱聯(lián)合魯棒調(diào)度模型。文獻(xiàn)[12]針對含CCHP的樓宇供能供熱和儲能系統(tǒng)，采用非線性規(guī)劃方法，在有效降低運(yùn)營成本的基礎(chǔ)上優(yōu)化能量調(diào)度。

基于以上研究成果，結(jié)合實(shí)際需要，本文建立了以光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電制氫設(shè)備以及微型燃?xì)廨啓C(jī)為核心的電氫混合儲能模型(electro hydrogen energy storage system，EHSS)，并提出一種含余熱回收系統(tǒng)和吸收式制冷機(jī)的微網(wǎng)自治多目標(biāo)優(yōu)化策略。以源荷需求為基礎(chǔ)，使該微網(wǎng)保持運(yùn)行成本低、棄風(fēng)棄光電量小、充分利用余熱為HVAC(采暖通風(fēng)與空調(diào))供能。以我省某市一微網(wǎng)進(jìn)行實(shí)例仿真，證明該微網(wǎng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性、可選擇性和靈活性。后續(xù)工作中，將側(cè)重把更多清潔能源發(fā)電加入微網(wǎng)自治運(yùn)行，進(jìn)一步研究電氫儲能裝置系統(tǒng)的高效性，提出更加優(yōu)化先進(jìn)的控制策略，提高系統(tǒng)整體的運(yùn)行效率，且考慮經(jīng)濟(jì)效益。

1 多源微網(wǎng)運(yùn)行模型

圖1 EHSS型微網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 EHSS microgrid structure

1.1 各發(fā)電部分介紹

1.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

我國風(fēng)電總裝機(jī)容量持續(xù)增大，風(fēng)電的占比持續(xù)增長。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率二次出力模型應(yīng)用較多，如式所示：

(1)

式中：vin為切入風(fēng)速；vou為切出風(fēng)速；ve為額定風(fēng)速；Pr為風(fēng)機(jī)的額定功率；α、β、γ為風(fēng)機(jī)的功率特性曲線參數(shù)，由實(shí)際應(yīng)用中的風(fēng)機(jī)參數(shù)通過擬合得到。

1.1.2 光伏電池

光伏電池把光能轉(zhuǎn)換為電能，其輸出功率隨光照強(qiáng)度不斷變化。在某一時段中，太陽光照強(qiáng)度大致呈現(xiàn)Beta分布。

輸出功率表示為：

(2)

式中：λout為光伏發(fā)電實(shí)際功率與其額定功率之比；Pr為額定功率(kW)；L(t)為光照強(qiáng)度；Ls表示標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，取Ls=1 000 W/m2;γp為功率溫度系數(shù)(%/℃)；Ts=25 ℃

1.1.3 微型燃?xì)廨啓C(jī)

與以柴油為燃料的污染較大的微型燃?xì)廨啓C(jī)不同，本文選取新奧能源動力公司生產(chǎn)的300 kW微型燃?xì)廨啓C(jī)，效率較高，且易運(yùn)行和維護(hù)，體積較小。

微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出電功率為：

PMT=Fg×HL×ηMT

(3)

輸出的熱功率為：

(4)

式中：ηMT為發(fā)電效率；ηd為熱量散失系數(shù)；Fg為氣體燃料消耗量；HL為氫氣低熱值。

1.1.4 電解制氫EHU及氫能儲存單元HSU

電解制氫的過程主要為2H2O→2H2+O2，反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和氧氣，生產(chǎn)過程安全高效，氫能的儲存過程不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，該單元成本較低，能量密度高。剩余電能會被EHU轉(zhuǎn)變成氫氣儲存起來。

圖2 電解制氫及電氫儲能Fig.2 EHU and HSU

2 微網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行

微電網(wǎng)在多源發(fā)電、供電配合和自身調(diào)控等方面都有一定的要求，電能、熱能的產(chǎn)生與消耗要盡量做到一致，并考慮經(jīng)濟(jì)成本。優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)主要有：

2.1 目標(biāo)函數(shù)

該微網(wǎng)正常運(yùn)行時的成本目標(biāo)函數(shù)為：

M1=min(m11+m12+m13+m14)

(5)

式中：M1為微電網(wǎng)正常運(yùn)行的總經(jīng)濟(jì)成本；m11為微電網(wǎng)與配電網(wǎng)交互成本；m12為電解制氫與電氫儲能系統(tǒng)成本；m13為光伏發(fā)電正常運(yùn)行成本；m14為風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行成本。

1)微網(wǎng)配網(wǎng)之間交互功率成本

m11=CEP=

(6)

式中：CEP為該微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的交互成本；CEb為微電網(wǎng)從電網(wǎng)買電的價格；CEs為微電網(wǎng)向電網(wǎng)賣電的價格；交互狀態(tài)量a=1或a=0，且買電或賣電單向進(jìn)行；PEP(t)為t時間內(nèi)，該微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的交互功率。

2)電氫混合儲能運(yùn)行成本

m12=min(CEH+CHS+CMT+CTS)

(7)

式中：CEH、CHS為電解制氫、儲氫設(shè)備的成本；CMT為微型燃?xì)廨啓C(jī)成本；CTS為熱能利用成本

2.2 約束條件

2.2.1 等式約束條件

供電平衡

PWT(t)+PSi(t)+PMT(t)+PEP(t)=PZ(t)

(8)

式中：PZ(t)為在t時間內(nèi)的微電網(wǎng)總電負(fù)荷。

2.2.2 不等式約束條件

1)電制氫設(shè)備功率約束

0≤PEH(t)≤PEH，max

(9)

ΔPEH，min≤ΔPEH(t)≤ΔPEH，max

(10)

式中：PEH，max為電解制氫設(shè)備的最大用電功率；PEH(t)為在t時間內(nèi)電解制氫設(shè)備工作時功率的變化量；ΔPEH，min、ΔPEH，max為電解制氫設(shè)備爬坡率的最大值和最小值。

2)光伏電池輸出功率約束

0≤PSi(t)≤Pr，Si

(11)

式中：Pr，Si為光伏電池輸出的額定功率。

3)風(fēng)力發(fā)電輸出功率約束

0≤PWT(t)≤Pr，WT

(12)

式中：Pr，WT為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定輸出電功率。

4)微型燃?xì)廨啓C(jī)功率約束

ΔPMT，min≤ΔPMT(t)≤ΔPMT，max

(13)

式中：ΔPMT，min、ΔPMT，max為微型燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的最小值和最大值。

5)聯(lián)絡(luò)線功率約束

ΔPEP，min≤ΔPEP(t)≤ΔPEP，max

(14)

式中：ΔPEP，min、ΔPEP，max為該微電網(wǎng)和電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的最大功率、最小功率。

3 多源微網(wǎng)自治優(yōu)化策略

3.1 模型自治優(yōu)化運(yùn)行策略

多源微網(wǎng)補(bǔ)充和豐富了傳統(tǒng)電網(wǎng)工作形式。受實(shí)際環(huán)境中光照、風(fēng)速等條件的影響，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的負(fù)荷波動性較大，微網(wǎng)存在的功率缺額還需要由大電網(wǎng)來承擔(dān)，這就需要微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間進(jìn)行合理協(xié)調(diào)的交互運(yùn)行，同時還要考慮符合經(jīng)濟(jì)要求，使微電網(wǎng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，減少“峰上加峰”。多源微網(wǎng)自治運(yùn)行策略如圖3.

圖3 多源微網(wǎng)自治策略圖Fig.3 Autonomous strategy graph of multi-source microgrid

3.2 綜合模型求解

對于本文中所構(gòu)建的微網(wǎng)模型，利用多目標(biāo)差分進(jìn)化算法，其優(yōu)點(diǎn)是對于連續(xù)和離散變量的處理更加方便和優(yōu)化[13]。具體流程如圖4.

圖4 多目標(biāo)差分進(jìn)化算法求解流程Fig.4 Solution flow of multi-objective differential evolution algorithm

3.3 最優(yōu)折中解的選擇

所用的多目標(biāo)進(jìn)化算法能夠使多個目標(biāo)在一定程度上得到優(yōu)化，在多個目標(biāo)之間同時得到折中優(yōu)化解，把每個部分所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)按如下方式進(jìn)行模糊化：

(15)

式中：φξ為第ζ個部分的目標(biāo)函數(shù)值，φξ，min、φξ，max為其最小值與最大值。把被模糊化處理后各部分所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值以目標(biāo)權(quán)重偏向進(jìn)行加權(quán)求和可得：

(16)

式中：ζ為滿意度的大??；N為被優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的個數(shù)。

4 算例仿真

4.1 微網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以山西某實(shí)地微網(wǎng)進(jìn)行算例仿真。對該系統(tǒng)的一天(24 h)進(jìn)行預(yù)測和分析，步長為1 h.該微電網(wǎng)系統(tǒng)中的分布式電源有：一臺裝機(jī)容量為100 kW的風(fēng)電機(jī)組、一座150 kW光伏電站、一臺300 kW(ENN300)的微型燃?xì)廨啓C(jī)、容量為300 kW的電氫儲能設(shè)備。該微網(wǎng)的主要用戶是該地一大型加工廠，其負(fù)荷的日用電情況如表1所示。微網(wǎng)主要微電源參數(shù)及維護(hù)成本如表2所示。本文電價時段為：平時段7：00～8：00、11：00～18：00；峰時段8：00～11：00、18：00～23：00；谷時段23：00～次日7：00，不平衡電價如表3所示。

表1 加工廠各設(shè)備的運(yùn)行功率及時間Tab.1 Operating power and time of each equipment in processing plant

表2 各微電源參數(shù)Tab.2 Parameters of micro power supply

表3 微網(wǎng)不平衡電價Tab.3 Unbalanced electricity price of microgrid

圖5為該微網(wǎng)24 h各發(fā)電部分預(yù)測、電負(fù)荷預(yù)測功率情況。

圖5 光伏出力、風(fēng)電出力、微燃機(jī)出力、負(fù)荷需求預(yù)測值Fig.5 Photovoltaic output，wind power output，micro gas turbine output，load demand forecast value

4.2 微網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果分析

對該微網(wǎng)一天(24 h)發(fā)電用電情況進(jìn)行記錄和分析，圖6中，7～22時段內(nèi)EHSS微網(wǎng)凈負(fù)荷為負(fù)，微網(wǎng)內(nèi)存在富余電量，在電制氫和儲氫設(shè)備的作用下，一部分富余電量被儲存起來直到儲氫系統(tǒng)趨于飽和，根據(jù)該地區(qū)微網(wǎng)不平衡電價，谷時段微網(wǎng)向配網(wǎng)售電的電價為負(fù)，從配網(wǎng)買電的電價最低，出于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的考慮，該時段微網(wǎng)的凈負(fù)荷為正。由于交互功率約束和峰谷電價作用，在峰時段微網(wǎng)發(fā)電滿足負(fù)荷用電后，一部分轉(zhuǎn)變成氫能儲存起來，一部分以峰時段電價向配網(wǎng)售電，相比于普通發(fā)電及傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)，EHSS滿足了微網(wǎng)“削峰填谷”、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。CCHP系統(tǒng)充分利用微燃機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的熱能，為負(fù)荷側(cè)內(nèi)部HVAC提供能量。

圖6 EHSS微網(wǎng)多目標(biāo)自治運(yùn)行電負(fù)荷平衡圖Fig.6 Electric load balance diagram of multi-objective autonomous operation of EHSS microgrid

根據(jù)公式(15)、公式(16)及圖4所示流程圖，交叉概率0.45，變異概率0.5，種群規(guī)模設(shè)定為200，最大迭代次數(shù)為450.由圖7可以看出，棄風(fēng)電量越少，微網(wǎng)的運(yùn)行成本越高，由于風(fēng)力發(fā)電較多時正處于電網(wǎng)谷時段，向配網(wǎng)售電的電價為負(fù)，此時為懲罰成本；棄光電量越少，微網(wǎng)的運(yùn)行成本越低，光伏發(fā)電處于電網(wǎng)的峰時段，此時向配網(wǎng)可以較高價格售電。需要根據(jù)實(shí)際負(fù)荷、電價情況來選取一個最優(yōu)方案。

圖7 多目標(biāo)差分進(jìn)化計(jì)算解集Fig.7 Multi-objective differential evolution algorithm solution set

5 總結(jié)

建立了含電氫儲能的多源微網(wǎng)，實(shí)際應(yīng)用中考慮棄風(fēng)棄光問題和運(yùn)行成本，電網(wǎng)的不平衡電價，并在交互功率的約束下提出了一種微網(wǎng)自治運(yùn)行策略。該微網(wǎng)利用多種可再生清潔能源發(fā)電，充分利用微燃機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的熱能為負(fù)荷側(cè)的溫度調(diào)節(jié)提供能量。該微網(wǎng)兼顧了“削峰填谷”，降低運(yùn)行成本，系統(tǒng)內(nèi)富余電量以氫能形式儲存起來，最大限度實(shí)現(xiàn)自給自足。EHSS型微網(wǎng)符合當(dāng)今社會發(fā)展需求，有較好的靈活性和環(huán)保性，發(fā)展前景廣闊。在今后的工作中，將更注重電氫儲能系統(tǒng)的容量和安全性、靈活性，進(jìn)一步研究將電氫熱冷和多源發(fā)電相結(jié)合，與CCHP及HVAC系統(tǒng)合理協(xié)調(diào)運(yùn)行，能量得到充分利用，優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)發(fā)展。