呼鵬飛，萬萌萌，余海天，孔佳文，丁彥如，陳佳輝

（南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211167）

引言

為達成“雙碳”目標，大力發(fā)展可再生能源已成為能源發(fā)展趨勢。風能具有清潔環(huán)保等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速。然而風電所具有的反調(diào)峰特性，使電能品質(zhì)差、不利于大規(guī)模并網(wǎng)，同時由于電能不易儲存，生產(chǎn)實踐中風電消納問題突出，棄風限電現(xiàn)象嚴重[1]。因此，建立可以彌補反調(diào)峰特性儲能系統(tǒng)的需求刻不容緩。

目前，國內(nèi)外學者對使用儲能技術(shù)解決風電消納問題進行了一系列研究。代兵琪等學者采用抽水蓄能方式，最優(yōu)分配各時段蓄能裝置功率，使風電場效益最大化[2]。姬聯(lián)濤等學者利用飛輪儲能裝置，提出動量補償控制方式，平抑風電場輸出功率波動[3]。劉春陽等學者利用蓄電池儲能裝置，采用分組優(yōu)化分層調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)收益最大化[4]。顏湘武等學者采用超級電容器儲能裝置，提出基于變功率點追蹤的一次調(diào)頻策略，優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟性和運行安全性[5]。當前，風氫儲能技術(shù)是研究熱點，搭建風氫儲系統(tǒng)并合理配置儲能單元容量，是消納風電，提升系統(tǒng)經(jīng)濟性的有效方法。

學者對風氫儲系統(tǒng)各單元容量配置的研究已取得一定進展。于淼等學者通過建立雙層規(guī)劃模型，使用遺傳算法求解給出容量配置，有效降低風電波動率[6]。朱顯輝等學者基于動態(tài)電價，通過能量管理算法和容量優(yōu)化算法給出各單元優(yōu)化配置，實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性的提升[7]。

上述研究多以系統(tǒng)成本最小為目標，少有考慮政策效益等因素的影響，缺乏對風氫儲系統(tǒng)整體效率和效益的研究?；谏鲜鲅芯?，本文通過量化售氫收益、環(huán)保減排收益、棄風懲罰成本，給出了儲能單元容量配置的數(shù)學模型，結(jié)合平抑風電波動率等前提給出約束條件，基于華東某地風電出力及負荷四季典型日曲線，采用改進粒子群算法，計算出各單元容量配置，得到系統(tǒng)最優(yōu)整體收益，并定量分析儲氣罐容量變化對系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響。

1 儲能系統(tǒng)主要部件介紹

風氫儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含風力發(fā)電機、電解槽、儲氫裝置、燃料電池及壓縮輸送管道等設備。本文風氫儲系統(tǒng)采用堿性電解槽，高壓壓縮氣態(tài)儲氫裝置以及質(zhì)子交換膜式燃料電池，系統(tǒng)關(guān)鍵裝置電解槽及氫燃料電池簡介如下。

1.1 電解槽

電解水制氫環(huán)保高效，電解槽被隔膜分為陽極室和陰極室，當直流電通過時，水分子在與電極界面處發(fā)生電化學反應，陰極上還原反應產(chǎn)生氫氣。當前堿性電解槽工業(yè)應用多，以其為例，輸出功率可表示為：

1.2 氫燃料電池

氫燃料電池利用電化學反應直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。目前質(zhì)子交換膜式燃料電池工業(yè)應用多。以其為例，輸出功率可表示為：

式中Pi為輸入燃料電池功率，Nhc為 儲氫設備效率，Nes為燃料電池效率，本文依次取95%和55%。

2 目標函數(shù)

2.1 效益目標函數(shù)

綜合考慮風氫儲系統(tǒng)項目年收益與項目年成本，建立目標函數(shù)如公式(3)所示[8]：

式中，Xt為風氫儲系統(tǒng)項目年收益，Yt為風氫儲儲能系統(tǒng)項目年成本。

（1） 項目年收益，如公式(4)所示：

式中，X1為年直接上網(wǎng)售電收益、X2為儲能系統(tǒng)售電年收益、X3為年售氫收益、X4為環(huán)保補貼年收益。

（2） 年直接上網(wǎng)售電收益，如公式（5）、（6）所示：

式中，ves為經(jīng)風儲系統(tǒng)燃料電池發(fā)售電上網(wǎng)電價，Ees為氫氧燃料電池年上網(wǎng)電量，Pes,t為第t 小時燃料電池發(fā)電上網(wǎng)平均功率。

（4） 年售氫收益，如公式（9）、（10）所示：

（5） 年環(huán)保補貼收益，如公式（11）、（12）所示：

2.2 成本目標函數(shù)

（1） 項目年成本，如公式（13）所示：

式中，Ddj為電解槽年等值成本，Dys為壓縮機年等值成本，Dcq為儲氫裝置等年值成本，Ddc為燃料電池等年值成本，F(xiàn)dj為電解槽容量，F(xiàn)ys為壓縮機設備容量，F(xiàn)cq為儲氫設備容量，F(xiàn)dc為燃料電池容量，adj為電解槽設備單位容量成本，ays為壓縮機單位容量成本，acq為儲氫設備單位容量成本，adc為燃料電池單位容量成本，i 為設備折現(xiàn)率，n 為設備壽命。

（3） 設備年運維成本，如公式（19）至（23）所示：

（4） 年棄風處罰成本，如公式（24）和（25）所示：

3 本文算法介紹

3.1 標準粒子群算法簡介

3.2 引入線性權(quán)重及變異環(huán)節(jié)

由于基本粒子群算法在迭代后期會出現(xiàn)全局搜索能力不足而陷入局部最優(yōu)解的缺點，本文通過引入線性權(quán)重和變異環(huán)節(jié)予以改善。線性權(quán)重即增加一個新的學習因子，讓粒子群加速度隨迭代而變化。變異環(huán)節(jié)即強行改變某些粒子的位置屬性，淘汰缺乏活力的粒子而擴大搜索范圍以尋求全局最優(yōu)解。改進后速度更新公式為：

本文算法流程見圖1。

4 算例分析

4.1 算例參數(shù)設置

本文以華東某地總裝機容量為10 MW 的風電場系統(tǒng)為例，該風電場風況受季節(jié)更替影響變化大，具有鮮明季節(jié)特性，呈現(xiàn)春夏小秋冬大的特點。該風電場各季節(jié)典型日出力情況見圖2。

假設風儲系統(tǒng)初始風儲為0，儲氫裝置初始容量為額度容量，系統(tǒng)制取所得氫氣銷售穩(wěn)定，并依據(jù)實際經(jīng)驗及預實驗結(jié)果，將風儲系統(tǒng)各部件容量區(qū)間保守設置為[0.1,20]（MW）。參數(shù)設置見表1。

表1 算例具體參數(shù)設置

4.2 算例結(jié)果描述

本文設置該地某城鎮(zhèn)工業(yè)產(chǎn)業(yè)區(qū)和某鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民種植區(qū)兩個場景，兩場景風電處理年負荷穩(wěn)定，無明顯季節(jié)性浮動且具地區(qū)參考性，兩場景典型日負荷曲線見圖3，電力缺額波動曲線見圖4。

算例計算結(jié)果表明，通過加裝風氫儲系統(tǒng)，可以有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。兩場景下分別加裝風氫儲系統(tǒng)后，系統(tǒng)實現(xiàn)增收及裝置容量最佳配置見表2。

表2 風氫儲系統(tǒng)各單元容量最佳配置及系統(tǒng)營收

4.3 算例定性分析

將由粒子群算法解得的各裝置容量最佳配置數(shù)據(jù)代入模型后得到的系統(tǒng)棄風量對比見圖5，圖6。

分析圖中曲線，由虛線可知，未加裝風儲系統(tǒng)前棄風波動大，由實線可知，加裝風儲系統(tǒng)后棄風波動減小，這表明風氫儲系統(tǒng)可以較好吸納風電，提升風電利用率，從而更平穩(wěn)的向負荷供電。

將算法求解所得到的最佳容量配置中，分析風氫儲系統(tǒng)關(guān)鍵組成單元儲氫裝置容量大小對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響，以城鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)為例計算結(jié)果見圖7。

由圖示可知儲氫裝置容量對系統(tǒng)經(jīng)濟性影響大，儲氫裝置存在一個最佳容量范圍，容量過小時，不易消納風電，系統(tǒng)經(jīng)濟性低；容量過大時，投資成本大且負荷率低，系統(tǒng)經(jīng)濟性也低。

5 結(jié)論

本研究基于經(jīng)濟性指標搭建風氫儲系統(tǒng)模型，以系統(tǒng)最大收益為目標，利用改進粒子群算法計算出不同場景下風氫儲系統(tǒng)各單元最佳容量配置。分析算例可知，通過加入風氫儲系統(tǒng)可有效減小棄風量，并可結(jié)合售氫等途徑提高系統(tǒng)整體效益。在雙碳目標時代背景下，本文為未來風氫儲系統(tǒng)搭建和電網(wǎng)規(guī)劃提供了參考。