年珩,陳磊磊,趙建勇,馬潤(rùn)生,趙文強(qiáng),王克榮

(1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,杭州 310027; 2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院,西寧 810003)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以天氣為主導(dǎo),不確定性強(qiáng),部分地區(qū)存在棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象,造成電能資源浪費(fèi)。氫能具備無(wú)污染特性,相較于傳統(tǒng)化石能源對(duì)環(huán)境更加友好。風(fēng)光制氫系統(tǒng)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)出的多余電量制氫,即可實(shí)現(xiàn)氫能的綠色制取,也可實(shí)現(xiàn)電能的充分利用,是風(fēng)光消納、綠色制氫的主要手段之一。風(fēng)光制氫系統(tǒng)中電解水技術(shù)包括堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽制氫[1],其中堿性電解槽是當(dāng)前唯一滿足大規(guī)模制氫的電解水制氫設(shè)備[2]。

能量管理是制氫系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一,目前針對(duì)風(fēng)光制氫系統(tǒng)能量管理的研究有一些研究成果,文獻(xiàn)[3-7]針對(duì)不同決策因素提出了多種能量管理策略,優(yōu)化制氫系統(tǒng)功率分配。文獻(xiàn)[8-9]針對(duì)不同運(yùn)行模式提出能量管理策略,實(shí)現(xiàn)各單元之間的功率協(xié)調(diào)優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]針對(duì)低碳化需求問(wèn)題,該文提出基于模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control,MPC)的離網(wǎng)電氫耦合系統(tǒng)功率調(diào)控方法。針對(duì)包含堿性電解槽的系統(tǒng)能量管理研究也有一些研究成果,文獻(xiàn)[11-14]針對(duì)電解槽特性提出了優(yōu)化模型,可有效提高系統(tǒng)產(chǎn)氫量。文獻(xiàn)[15]提出堿性電解槽陣列輪值協(xié)調(diào)控制策略,可有效提升電解槽陣列壽命和運(yùn)行安全性并降低投資。文獻(xiàn)[16-17]研究混合儲(chǔ)能供電系統(tǒng)對(duì)電解槽運(yùn)行的影響。

目前針對(duì)包含堿性電解槽的系統(tǒng)能量管理研究不包含冷、熱備用狀態(tài)識(shí)別,在實(shí)際生產(chǎn)、使用過(guò)程中通常采用熱備用,長(zhǎng)時(shí)間熱備用會(huì)造成制氫系統(tǒng)內(nèi)電能浪費(fèi),影響系統(tǒng)產(chǎn)氫量和經(jīng)濟(jì)效益。文中提出一種基于堿性電解槽狀態(tài)識(shí)別的風(fēng)光制氫系統(tǒng)能量管理優(yōu)化策略,進(jìn)行電解槽備用狀態(tài)的精準(zhǔn)判斷。首先風(fēng)光制氫系統(tǒng)各模塊建模,其次確定系統(tǒng)目標(biāo)、約束條件、智能算法,之后確定系統(tǒng)能量管理策略,最后通過(guò)算例驗(yàn)證方法的有效性。

1 風(fēng)光制氫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

風(fēng)光制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括風(fēng)力發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊、儲(chǔ)能電池模塊、堿性電解槽模塊,其中電解槽模塊包括多組設(shè)備,如圖1所示。

圖1 風(fēng)光制氫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

風(fēng)力、光伏發(fā)電模塊為系統(tǒng)發(fā)電單元,儲(chǔ)能電池模塊具備儲(chǔ)存、釋放電量功能,堿性電解槽模塊為用電單元。風(fēng)光制氫系統(tǒng)采用孤島運(yùn)行模式,能量管理以儲(chǔ)能電池、堿性電解槽為對(duì)象,涉及制氫量最大、發(fā)電消納率最高等目標(biāo),解決電解槽常熱備用資源浪費(fèi)問(wèn)題。

1.2 光伏發(fā)電模塊

光伏發(fā)電將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能為系統(tǒng)供電,模塊計(jì)算公式如下[18]:

(1)

Pph=UI

(2)

式中Um、IM分別為當(dāng)取得最大功率時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓和電流;IS為二極管飽和電流;Voc為端電壓;Pph為光伏出力,單位為kW。

1.3 風(fēng)力發(fā)電模塊

風(fēng)力發(fā)電將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能為系統(tǒng)供電,模塊計(jì)算公式如下[19]:

(3)

(4)

式中θ為槳矩角;λ為葉尖速比;Pwi為風(fēng)電出力,單位為kW;ρ為所處環(huán)境的空氣密度;R為風(fēng)葉的半徑;v為輸入地的實(shí)際風(fēng)速。

1.4 儲(chǔ)能電池模塊

儲(chǔ)能電池具備充、放電能力,系統(tǒng)能量管理以儲(chǔ)能電池充放電功率為對(duì)象。電池充放電狀態(tài)受荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)影響,過(guò)充、過(guò)放均影響儲(chǔ)能電池使用壽命。文中取過(guò)充狀態(tài)為荷電大于80%,過(guò)放狀態(tài)為荷電低于20%,將過(guò)充、過(guò)放作為系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)之一,荷電狀態(tài)計(jì)算公式如下[20]:

(5)

式中Pba為充放電功率;Cba表示儲(chǔ)能電池容量;Vba為充放電電壓。

1.5 堿性電解槽模塊

堿性電解槽運(yùn)行狀態(tài)可分為工作狀態(tài)、備用狀態(tài),其中備用狀態(tài)包括冷備用狀態(tài)、熱備用狀態(tài)[11]。系統(tǒng)能量管理以堿性電解槽制氫功率為對(duì)象,涉及電解槽工作狀態(tài)識(shí)別問(wèn)題。電解槽制氫量為風(fēng)光制氫系統(tǒng)重要影響因子,影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、能量利用率。電解槽制氫功率存在安全下限,通常為額定功率的10%[21],10%～100%額定功率與制氫量的關(guān)系如下[22]:

Vhp=-11.24Php2+232.7Php+8.89

(6)

式中Vhp為制氫量,單位為Nm3;Php為制氫裝置運(yùn)行功率,單位為MW。

當(dāng)電解槽低于功率下限時(shí),電解槽不制氫處于備用狀態(tài)。冷備用狀態(tài)消耗較低功率,維持控制單元、防凍系統(tǒng)部件用電,需要大約20 min轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)[23]。熱備用狀態(tài)消耗較高功率,不僅需要維持控制單元、防凍系統(tǒng)部件用電,還需維持槽溫和壓力,但幾乎可以直接轉(zhuǎn)換至工作狀態(tài),轉(zhuǎn)換時(shí)間可忽略不計(jì)。

2 能量管理模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

風(fēng)光制氫系統(tǒng)中提高風(fēng)光發(fā)電消納、售氫收益均是系統(tǒng)重要目標(biāo),提高風(fēng)光發(fā)電消納是研究風(fēng)光制氫主要原因之一,提高售氫收益有利于避免資源浪費(fèi),提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)收益。

(1)風(fēng)光消納率

風(fēng)光消納率是系統(tǒng)消耗風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電功率占總發(fā)電功率的比例,計(jì)算公式如下:

(7)

式中C為風(fēng)光消納率,單位為%;Pba為蓄電池充放電功率,正值充電負(fù)值放電,單位為kW;Pwi為風(fēng)電出力,單位為kW;Ppv為光伏出力,單位為kW。

(2)售氫收益比

售氫收益是制氫系統(tǒng)售氫量乘以售氫價(jià)格,售氫收益比為系統(tǒng)收益占最大收益比例,計(jì)算公式如下:

(8)

式中E為售氫收益比,單位為%;Ch為售氫單價(jià),單位為元/Nm3。

2.2 約束條件

(1)系統(tǒng)功率平衡約束

系統(tǒng)功率依據(jù)實(shí)際運(yùn)行,堿性電解槽功率、儲(chǔ)能電池充放電功率總和不超過(guò)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電總和,即[24]:

(9)

(2)光伏發(fā)電約束

光伏發(fā)電模塊依據(jù)系統(tǒng)配置存在出力上限,即:

(10)

式中P為光伏最大出力,單位為kW。

(3)風(fēng)力發(fā)電約束

風(fēng)力發(fā)電模塊依據(jù)系統(tǒng)配置存在出力上限,即:

(11)

(4)儲(chǔ)能電池功率約束

儲(chǔ)能電池依據(jù)系統(tǒng)配置充放電均存在功率上下限,即:

(12)

(5)堿性電解槽功率約束

堿性電解槽依據(jù)運(yùn)行特性存在安全功率限制,即[25]:

(13)

式中P為電解槽最大出力,單位為kW。

2.3 SPEA2+GA算法

風(fēng)光制氫系統(tǒng)能量管理采用強(qiáng)度帕雷托進(jìn)化算法2(Improving the Strength Pareto Evolutionary Algorithm,SPEA2)與遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)結(jié)合求解最優(yōu)功率分配。SPEA2算法可以同時(shí)計(jì)算多個(gè)決策變量、目標(biāo)變量,為多目標(biāo)優(yōu)化算法。風(fēng)光制氫系統(tǒng)中孤島模式下通常包含風(fēng)光消納率、經(jīng)濟(jì)收益等多個(gè)目標(biāo),包含蓄電池功率、多組電解槽功率多個(gè)決策變量,系統(tǒng)可利用SPEA2算法結(jié)合模塊模型、目標(biāo)函數(shù)求解系統(tǒng)各模塊功率分配最優(yōu)值。算法步驟包括[26]:(1)程序初始化。確定最大迭代次數(shù)M、種群個(gè)數(shù)、檔案大小,定義初始種群P0,外部檔案A0;(2)適應(yīng)度計(jì)算。依據(jù)風(fēng)光消納率、系統(tǒng)收益比,計(jì)算種群Pm對(duì)應(yīng)目標(biāo),計(jì)算出每組解的適應(yīng)度;(3)適應(yīng)度排序。依據(jù)適應(yīng)度從小到大對(duì)解集Am進(jìn)行排序,若Am的長(zhǎng)度超過(guò)檔案大小,則利用近鄰估算密度刪減相近的值;(4)更新種群。對(duì)外部檔案Am采用二元錦標(biāo)賽方法選擇個(gè)體進(jìn)入種群,對(duì)更新后的種群進(jìn)行交叉、變異。若迭代次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)跳出循環(huán);(5)尋找最優(yōu)解。依據(jù)風(fēng)光制氫系統(tǒng)期望在最優(yōu)解集中選出最優(yōu)解。

GA算法是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法,已被人們廣泛使用。風(fēng)光制氫系統(tǒng)可利用GA算法,基于堿性電解槽制氫曲線實(shí)現(xiàn)總功率的最優(yōu)分配,達(dá)到制氫量最大目標(biāo)。具體內(nèi)容如下[27-33]:(1)算法初始化。確定最大進(jìn)化迭代次數(shù)G,計(jì)算染色體長(zhǎng)度,隨機(jī)生成染色體R0;(2)適應(yīng)度計(jì)算。依據(jù)目標(biāo)計(jì)算Rt中染色體適應(yīng)度,依據(jù)計(jì)算結(jié)果從小到大排序;(3)選擇運(yùn)算。將選擇算子作用于染色體,根據(jù)適應(yīng)度選擇一些優(yōu)良基因遺傳到下一代群體;(4)交叉運(yùn)算。將交叉算子作用于染色體,對(duì)選中的成對(duì)染色體以某一概率交換它們之間的部分基因,產(chǎn)生新的染色體;(5)變異運(yùn)算。將變異算子作用于染色體,對(duì)選中的個(gè)體以某一概率改變某一個(gè)或一些基因值;(6)循環(huán)操作。染色體Rt經(jīng)過(guò)選擇、交叉和變異運(yùn)算之后得到下一代群體Rt+1,若達(dá)到最大迭代次數(shù)則跳出循環(huán),取最大適應(yīng)度的染色體作為最優(yōu)解輸出。

SPEA2+GA算法流程框圖如圖2所示。

圖2 SPEA2+GA算法流程框圖

3 能量管理策略

風(fēng)電制氫系統(tǒng)中光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能電池模塊、堿性電解槽均服從能量管理調(diào)度,系統(tǒng)能量管理結(jié)構(gòu)如圖3所示。除儲(chǔ)能電池外,其余模塊功率均為單向流動(dòng)。

圖3 風(fēng)電制氫系統(tǒng)能量管理結(jié)構(gòu)

堿性電解槽冷、熱備用狀態(tài)需要依據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)、約束條件、天氣數(shù)據(jù)、荷電狀態(tài)、制氫公式作為輸入量,采用GA、SPEA2算法計(jì)算確定。能量管理框圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)光制氫系統(tǒng)能量管理框圖

堿性電解槽冷、熱備用狀態(tài)確定具體流程如圖5所示,在建立模塊模型、約束條件、管理目標(biāo)基礎(chǔ)上,首先采用SPEA2算法求解T2時(shí)刻多臺(tái)電解槽總功率,依據(jù)售氫收益比最高目標(biāo)采用GA算法分配功率至單臺(tái)電解槽,以GA算法分配結(jié)果為參考再次采用SPEA2算法計(jì)算T1時(shí)刻各模塊功率。若電解槽連續(xù)處于備用狀態(tài),則T1時(shí)刻為冷備用狀態(tài),否則T1時(shí)刻為熱備用狀態(tài)或工作狀態(tài)。

圖5 風(fēng)光制氫系統(tǒng)能量管理流程圖

4 算例分析

風(fēng)光制氫系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電模塊1組,額定功率25 MW;光伏發(fā)電模塊1組,額定功率10 MW;儲(chǔ)能電池模塊1組,初始SOC為20%;堿性電解槽模塊4組,額定功率為2.5 MW,安全功率范圍10%～100%。GA算法迭代次數(shù)為200,種群數(shù)量為200。SPEA2算法迭代次數(shù)為400,種群數(shù)量為200,檔案數(shù)量為200。風(fēng)電、光伏模塊輸入量以某地區(qū)典型天氣數(shù)據(jù)為例,白天光照充足、晚上風(fēng)力充足。

依據(jù)圖6所示,光伏出力在白天9點(diǎn)～17點(diǎn),風(fēng)電出力在晚上21點(diǎn)～24點(diǎn),呈風(fēng)光互補(bǔ)特性。光伏出力較風(fēng)電出力發(fā)電時(shí)間長(zhǎng),穩(wěn)定性相對(duì)較好。

圖6 光伏、風(fēng)電出力

堿性電解槽制氫功率曲線與制氫量曲線圖形一致,其中常熱備用策略與冷熱狀態(tài)識(shí)別策略的制氫功率分配曲線存在交叉,主要是因?yàn)橄到y(tǒng)為孤島狀態(tài)受儲(chǔ)能電池影響功率分配不同,如圖7所示。系統(tǒng)制氫曲線與系統(tǒng)光伏、風(fēng)電出力曲線圖形大致相同,在無(wú)出力時(shí)候以儲(chǔ)能電池滿足電解槽待機(jī)功率。制氫裝置最大功率為10 MW,每小時(shí)可制取氫氣最大2 103 Nm3。

圖7 系統(tǒng)制氫功率、制氫量曲線

儲(chǔ)能電池為堿性電解槽待機(jī)狀態(tài)主要供電電源,常熱備用策略比冷熱狀態(tài)識(shí)別策略在待機(jī)時(shí)段的輸出功率更高,如圖8所示。冷熱狀態(tài)識(shí)別策略的SOC曲線相較于常熱備用策略更加平穩(wěn),主要是因?yàn)橹卫鋫溆脿顟B(tài)消耗的功率更小。

圖8 系統(tǒng)儲(chǔ)能電池充放電功率、SOC曲線

冷熱狀態(tài)識(shí)別策略的1號(hào)～4號(hào)電解槽功率均相近,與常熱備用策略相比功率分配相差較大,如圖9、圖10所示,主要是因?yàn)轱L(fēng)光制氫系統(tǒng)為孤島狀態(tài),系統(tǒng)總功率一定,0～8時(shí)刻功率分配不同會(huì)造成曲線整體存在較大差異。其中0～8時(shí)刻在電解槽備用時(shí)段,冷熱狀態(tài)識(shí)別策略的備用功率更低,采用的是冷備用狀態(tài)。

圖9 1號(hào)、2號(hào)電解槽制氫功率

圖10 3號(hào)、4號(hào)電解槽制氫功率

風(fēng)光制氫系統(tǒng)采用常熱備用狀態(tài)、冷熱狀態(tài)識(shí)別策略新能源消納率均接近100%,在23時(shí)系統(tǒng)因?yàn)楣聧u模式,發(fā)電功率超過(guò)儲(chǔ)能電池及堿性電解槽額定容量和,系統(tǒng)無(wú)法消納全部電能,如圖11所示。冷熱狀態(tài)識(shí)別策略較常熱備用狀態(tài)系統(tǒng)售氫效益提升16.55%,主要是將連續(xù)熱備用狀態(tài)維持改為冷備用狀態(tài),節(jié)約電能用于制氫,冷熱狀態(tài)識(shí)別策略效果更優(yōu),系統(tǒng)功率分配更合理,如圖12、表1所示。其中圖12某些時(shí)刻售氫收益常熱備用策略比冷熱識(shí)別策略更高,如13時(shí)刻,是因?yàn)槔錈嶙R(shí)別策略在此時(shí)刻將一部分電能充入儲(chǔ)能電池,充入電池電能會(huì)在下一時(shí)刻釋放出來(lái),而常熱備用策略將13時(shí)刻所有電能均制氫從而導(dǎo)致制氫收益不同。然而系統(tǒng)電能充入儲(chǔ)能電池或制氫均滿足能量管理要求,所以從單一時(shí)刻并不能反映能量管理成效,從24小時(shí)累積售氫效益可有效反映冷熱識(shí)別策略的優(yōu)勢(shì)。

表1 24小時(shí)售氫收益統(tǒng)計(jì)

圖11 系統(tǒng)風(fēng)光消納率曲線

圖12 系統(tǒng)售氫收益比曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)包含風(fēng)力發(fā)電模塊、光伏發(fā)電模塊、儲(chǔ)能電池模塊、堿性電解槽模塊的風(fēng)光制氫系統(tǒng),堿性電解槽在備用狀態(tài)僅采用熱備用狀態(tài),需要儲(chǔ)能電池提供較高維持功率。在系統(tǒng)總發(fā)電量體一致、儲(chǔ)能電池初始電量一致的情況下,系統(tǒng)消耗更多電能用于維持電解槽熱備用狀態(tài),造成電能浪費(fèi),影響制氫產(chǎn)量,影響經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)儲(chǔ)能電池維持熱備用狀態(tài)較冷備用狀態(tài)功率大,儲(chǔ)能充放電功率波動(dòng)更大影響電池使用壽命。文中提出的基于電解槽狀態(tài)識(shí)別的風(fēng)光制氫系統(tǒng)能量管理優(yōu)化策略,能夠指導(dǎo)電解槽進(jìn)行冷、熱備用狀態(tài)切換,準(zhǔn)確判斷冷備用狀態(tài)運(yùn)行,減少電解槽維持功率,提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)搭建風(fēng)光制氫仿真算例,以風(fēng)光消納率、售氫效益比為目標(biāo),采用SPEA2+GA算法求解驗(yàn)證,算例結(jié)果顯示冷熱狀態(tài)識(shí)別策略效果更優(yōu)。文中優(yōu)化方法同樣適用于聯(lián)網(wǎng)模式,之后也將進(jìn)一步開展電解槽策略狀態(tài)識(shí)別理論及復(fù)雜系統(tǒng)等方面研究,以擴(kuò)展電解槽狀態(tài)識(shí)別策略的研究成果。