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        基于改進(jìn)粒子群算法的風(fēng)氫儲系統(tǒng)容量優(yōu)化配置

        2022-12-07 07:52:40呼鵬飛萬萌萌余海天孔佳文丁彥如陳佳輝
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年34期
        關(guān)鍵詞:儲氫電解槽燃料電池

        呼鵬飛,萬萌萌,余海天,孔佳文,丁彥如,陳佳輝

        (南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167)

        引言

        為達(dá)成“雙碳”目標(biāo),大力發(fā)展可再生能源已成為能源發(fā)展趨勢。風(fēng)能具有清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),近年來發(fā)展迅速。然而風(fēng)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(shí)由于電能不易儲存,生產(chǎn)實(shí)踐中風(fēng)電消納問題突出,棄風(fēng)限電現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。因此,建立可以彌補(bǔ)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(xué)者對使用儲能技術(shù)解決風(fēng)電消納問題進(jìn)行了一系列研究。代兵琪等學(xué)者采用抽水蓄能方式,最優(yōu)分配各時(shí)段蓄能裝置功率,使風(fēng)電場效益最大化[2]。姬聯(lián)濤等學(xué)者利用飛輪儲能裝置,提出動量補(bǔ)償控制方式,平抑風(fēng)電場輸出功率波動[3]。劉春陽等學(xué)者利用蓄電池儲能裝置,采用分組優(yōu)化分層調(diào)度,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)收益最大化[4]。顏湘武等學(xué)者采用超級電容器儲能裝置,提出基于變功率點(diǎn)追蹤的一次調(diào)頻策略,優(yōu)化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行安全性[5]。當(dāng)前,風(fēng)氫儲能技術(shù)是研究熱點(diǎn),搭建風(fēng)氫儲系統(tǒng)并合理配置儲能單元容量,是消納風(fēng)電,提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的有效方法。

        學(xué)者對風(fēng)氫儲系統(tǒng)各單元容量配置的研究已取得一定進(jìn)展。于淼等學(xué)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(fēng)電波動率[6]。朱顯輝等學(xué)者基于動態(tài)電價(jià),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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提升[7]。

        上述研究多以系統(tǒng)成本最小為目標(biāo),少有考慮政策效益等因素的影響,缺乏對風(fēng)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(fēng)懲罰成本,給出了儲能單元容量配置的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合平抑風(fēng)電波動率等前提給出約束條件,基于華東某地風(fēng)電出力及負(fù)荷四季典型日曲線,采用改進(jìn)粒子群算法,計(jì)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(jì)性的影響。

        1 儲能系統(tǒng)主要部件介紹

        風(fēng)氫儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含風(fēng)力發(fā)電機(jī)、電解槽、儲氫裝置、燃料電池及壓縮輸送管道等設(shè)備。本文風(fēng)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(dāng)直流電通過時(shí),水分子在與電極界面處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),陰極上還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。當(dāng)前堿性電解槽工業(yè)應(yīng)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(xué)反應(yīng)直接將化學(xué)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(yīng)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(shè)備效率,Nes為燃料電池效率,本文依次取95%和55%。

        2 目標(biāo)函數(shù)

        2.1 效益目標(biāo)函數(shù)

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

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

        (1) 項(xiàng)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(bǔ)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(fēng)儲系統(tǒng)燃料電池發(fā)售電上網(wǎng)電價(jià),Ees為氫氧燃料電池年上網(wǎng)電量,Pes,t為第t 小時(shí)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(bǔ)貼收益,如公式(11)、(12)所示:

        2.2 成本目標(biāo)函數(shù)

        (1) 項(xiàng)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(jī)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(jī)設(shè)備容量,F(xiàn)cq為儲氫設(shè)備容量,F(xiàn)dc為燃料電池容量,adj為電解槽設(shè)備單位容量成本,ays為壓縮機(jī)單位容量成本,acq為儲氫設(shè)備單位容量成本,adc為燃料電池單位容量成本,i 為設(shè)備折現(xiàn)率,n 為設(shè)備壽命。

        (3) 設(shè)備年運(yùn)維成本,如公式(19)至(23)所示:

        (4) 年棄風(fēng)處罰成本,如公式(24)和(25)所示:

        3 本文算法介紹

        3.1 標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn),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(gè)新的學(xué)習(xí)因子,讓粒子群加速度隨迭代而變化。變異環(huán)節(jié)即強(qiáng)行改變某些粒子的位置屬性,淘汰缺乏活力的粒子而擴(kuò)大搜索范圍以尋求全局最優(yōu)解。改進(jìn)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(shè)置

        本文以華東某地總裝機(jī)容量為10 MW 的風(fēng)電場系統(tǒng)為例,該風(fēng)電場風(fēng)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(diǎn)。該風(fēng)電場各季節(jié)典型日出力情況見圖2。

        假設(shè)風(fēng)儲系統(tǒng)初始風(fēng)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)及預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,將風(fēng)儲系統(tǒng)各部件容量區(qū)間保守設(shè)置為[0.1,20](MW)。參數(shù)設(shè)置見表1。

        表1 算例具體參數(shù)設(shè)置

        4.2 算例結(jié)果描述

        本文設(shè)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(gè)場景,兩場景風(fēng)電處理年負(fù)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(fù)荷曲線見圖3,電力缺額波動曲線見圖4。

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

        表2 風(fēng)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(fēng)量對比見圖5,圖6。

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

        將算法求解所得到的最佳容量配置中,分析風(fēng)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(jì)性影響,以城鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)為例計(jì)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(jì)性影響大,儲氫裝置存在一個(gè)最佳容量范圍,容量過小時(shí),不易消納風(fēng)電,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性低;容量過大時(shí),投資成本大且負(fù)荷率低,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性也低。

        5 結(jié)論

        本研究基于經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)搭建風(fēng)氫儲系統(tǒng)模型,以系統(tǒng)最大收益為目標(biāo),利用改進(jìn)粒子群算法計(jì)算出不同場景下風(fēng)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(fēng)氫儲系統(tǒng)可有效減小棄風(fēng)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(biāo)時(shí)代背景下,本文為未來風(fēng)氫儲系統(tǒng)搭建和電網(wǎng)規(guī)劃提供了參考。

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