風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置

江全元，石慶均，李興鵬，陳躍輝，張文磊，宋軍英

（1.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.重慶市電力公司 長(zhǎng)壽供電局，重慶 401220；3.湖南省電力公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

因地制宜地發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)于解決山區(qū)、牧場(chǎng)、邊防、海島等邊遠(yuǎn)地區(qū)人群的用電問(wèn)題具有重要意義[1-4]。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能的間歇性和隨機(jī)性，單獨(dú)使用風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電都存在供電不穩(wěn)定的缺陷，為提高其供電可靠性，通常需配置大量?jī)?chǔ)能裝置以動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的功率偏差。而風(fēng)能和太陽(yáng)能在時(shí)間及地域上有互補(bǔ)性，白天光照最強(qiáng)時(shí)風(fēng)很小，太陽(yáng)落山后光照很弱，但由于地表溫差變化大而風(fēng)能加強(qiáng)，夏季太陽(yáng)光照強(qiáng)度大而風(fēng)小，冬季太陽(yáng)光照強(qiáng)度弱而風(fēng)大。相對(duì)于單獨(dú)使用風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電，采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電形式能獲得較穩(wěn)定的電能，并能在滿足相同的供電可靠性的前提下減少儲(chǔ)能容量配置需求[4-5]。因此，采用風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電方案是實(shí)現(xiàn)獨(dú)立供電系統(tǒng)的合理選擇，也是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)用電問(wèn)題的有效途徑。

電源的優(yōu)化配置是風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要內(nèi)容，其對(duì)于減小系統(tǒng)投資成本、提高資源利用率、保證系統(tǒng)供電可靠性等方面具有重要意義。本文在建立基本元件模型的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)等年值投資費(fèi)用最低為目標(biāo)，考慮系統(tǒng)運(yùn)行約束條件，構(gòu)建了風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的電源優(yōu)化配置模型，并提出基于粒子群優(yōu)化算法的數(shù)值求解方法。

1 風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的電源模型

1.1 風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。系統(tǒng)中供選擇的可再生能源子系統(tǒng)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)（風(fēng)機(jī)）和光伏發(fā)電系統(tǒng)（光伏），供選擇的儲(chǔ)能設(shè)備有蓄電池組和電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)際系統(tǒng)只能選用一種儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行配置，各電源均直接與直流（DC）母線相連，并通過(guò)DC／AC逆變器與交流（AC）母線相連，系統(tǒng)中包含直流負(fù)荷和交流負(fù)荷。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of standalone wind-solar-storage power supply system

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率隨風(fēng)速變化而變化，而風(fēng)速隨高度的增加而變化，氣象局提供的風(fēng)特性數(shù)據(jù)一般都在9 m高度附近測(cè)得。使用時(shí)，必須折算成風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸高度處的風(fēng)速，可用指數(shù)公式折算[6]：

其中，v、v0分別為 H、H0高度處的風(fēng)速（m／s）；修正指數(shù)n與地面平整程度（粗糙度）、大氣穩(wěn)定度等因素有關(guān)，取 1／8～1／2，開(kāi)闊、平坦、穩(wěn)定度正常地區(qū)取 1／7。

風(fēng)速具有高度的隨機(jī)性，可通過(guò)風(fēng)速的概率分布來(lái)描述其統(tǒng)計(jì)特征。雙參數(shù)威布爾（Weibull）分布被普遍認(rèn)為是最適用于風(fēng)速統(tǒng)計(jì)描述的概率密度函數(shù)，其概率密度函數(shù)表達(dá)式為[7]：

其中，v為風(fēng)速；k和c為Weibull分布的2個(gè)參數(shù)，k稱為形狀參數(shù)，k＞0，c稱為尺度參數(shù)，c＞1。k和 c可以由平均風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)差σv近似算出：

其中，Γ（·）為 Gamma函數(shù)。

當(dāng)已知風(fēng)速的分布之后，就可以通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速間的特性曲線得到風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的平均輸出功率：

其中，NWG為風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)；Pw（v）為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率與風(fēng)速之間近似關(guān)系（已考慮DC／DC變換器的損耗），可用式（5）所示模型進(jìn)行描述[8]。

其中，PN為風(fēng)電機(jī)組的額定功率；vc為切入風(fēng)速；vN為額定風(fēng)速；vF為切出風(fēng)速。

1.3 光伏陣列輸出功率模型

光伏陣列的輸出功率與環(huán)境溫度及光照強(qiáng)度相關(guān)，由于光照強(qiáng)度有隨機(jī)性，因此輸出功率也隨機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一定時(shí)段內(nèi)（如1個(gè)或幾個(gè)小時(shí)）太陽(yáng)光照強(qiáng)度可近似看成Beta分布，其概率密度函數(shù)如下[9]：

其中，G、Gmax分別為一定時(shí)間段內(nèi)的實(shí)際光照強(qiáng)度和最大光照強(qiáng)度（W／m2），0≤G≤Gmax；α、β 為 Beta 分布的形狀參數(shù)，可由一段時(shí)間內(nèi)的光照強(qiáng)度平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σG得到。

光伏陣列由若干光伏模塊經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)組成，單件光伏模塊的輸出功率可表示為[10]：

其中，PSTC為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下的最大測(cè)試功率；l為功率溫度系數(shù)；ta為環(huán)境溫度，tNOC為元件額定工作溫度（℃）。

在得到光強(qiáng)的分布和光伏模塊的輸出功率函數(shù)后，就可計(jì)算光伏陣列平均輸出功率：

考慮到光伏陣列表面積塵、最大功率點(diǎn)跟蹤控制效率以及DC／DC變換器效率的影響，將光伏發(fā)電系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)的平均輸出功率表示為：

其中，ηdust為因表面積塵引起的光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出效率；ηmppt為最大功率點(diǎn)跟蹤控制效率；ηloss為DC／DC變換器效率。

1.4 蓄電池

蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，通過(guò)儲(chǔ)能控制器可快速地控制其充放電以跟隨負(fù)荷的變化，在可再生能源充足時(shí)，蓄電池充電以儲(chǔ)備多余的能量，減少能源浪費(fèi)，而在可再生能源匱乏時(shí)，蓄電池放電為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能輸出，保障系統(tǒng)正常安全運(yùn)行。荷電狀態(tài)、端電壓以及壽命周期是蓄電池管理的幾個(gè)重要參數(shù)。

1.4.1 荷電狀態(tài)

蓄電池荷電狀態(tài) SOC可表示為[11]：

其中，σsdr為自放電率；Ibat，t為蓄電池充放電電流，充電時(shí)為正，放電時(shí)為負(fù)；Δt為仿真時(shí)間間隔；Cbat為蓄電池安時(shí)容量（A·h）；Pbat，t為蓄電池的充放電功率，充電時(shí)為正，放電時(shí)為負(fù)；Nbat為蓄電池塊數(shù)；Ubat，t為蓄電池端電壓；ηt為充放電效率，放電時(shí)（Ibat，t＜0）其值為 1，充電時(shí)（Ibat，t＞0）與 SOC和充電電流相關(guān)，可表示為式（13）[12]。

1.4.2 端電壓模型

蓄電池端電壓可由其開(kāi)路電壓和內(nèi)阻壓降表示為[13]：

其中，Eoc，t為蓄電池的開(kāi)路電壓；Ibat，t為蓄電池充放電電流（大于0表示充電，小于0表示放電）；Rbat，t為蓄電池內(nèi)阻，包括電解質(zhì)電阻Relectrode，t和電解液電阻Relectrolyte，t兩部分；UF為蓄電池滿充電壓；b、r1、r2、r3、r4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，在充電和放電模式下具有不同的值。

1.4.3 壽命模型

蓄電池的實(shí)際使用壽命與蓄電池的充放電循環(huán)周期時(shí)間及放電深度有關(guān)。本文假設(shè)在不同循環(huán)周期下，蓄電池的壽命是充放電周期時(shí)間內(nèi)充放電深度的函數(shù)。蓄電池壽命的預(yù)測(cè)是基于圖2所示的蓄電池失效循環(huán)次數(shù)與放電深度的關(guān)系曲線。

圖2 蓄電池失效循環(huán)次數(shù)曲線Fig.2 Curve of battery failure cycle times

基于圖2中的原始數(shù)據(jù)，蓄電池失效循環(huán)次數(shù)可由下式擬合[14]：

其中，CF為蓄電池失效循環(huán)次數(shù)；DOD為放電深度；a1、a2、a3、a4、a5為擬合系數(shù)。

蓄電池壽命損壞期表示為：

其中，Ybat為蓄電池的壽命損壞期（a）；Δt為仿真時(shí)間間隔；nT為仿真總時(shí)段數(shù)；SOC1，t、SOC2，t分別為第 t個(gè)仿真時(shí)段初和時(shí)段末的蓄電池荷電狀態(tài)；Sbat，t為在第t個(gè)仿真時(shí)段蓄電池的充放電狀態(tài)，充電時(shí)值為0，放電時(shí)值為1；DOD，t為在第t個(gè)仿真時(shí)段末蓄電池的放電深度，DOD，t=1-SOC2，t。

蓄電池的重置周期為：

其中，Ybat為蓄電池的壽命損壞期，Yfloat為蓄電池浮充壽命，由廠家提供。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中蓄電池將經(jīng)歷充電與放電過(guò)程，受其荷電狀態(tài)允許范圍（SOCmin≤SOC≤SOCmax）限制與蓄電池本身技術(shù)限制的約束，其最大充放電功率為：

其中，Pmaxch，t、Pmaxdh，t分別為在第 t個(gè)仿真時(shí)段內(nèi)蓄電池的最大可充電功率和最大可放電功率；SOCmax、SOCmin分別為蓄電池荷電狀態(tài)的上、下限；Cbat為蓄電池容量；Ubat，t為蓄電池端電壓；Δt為仿真時(shí)間間隔；Imaxch、Imaxdh分別為蓄電池允許的最大充電電流和最大放電電流，單位時(shí)間內(nèi)最大充放電電流為蓄電池額定安時(shí)容量的 20%[15]，如式（24）所示。

1.5 電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)

電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)在風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)中的作用與蓄電池儲(chǔ)能相同：在可再生能源充足的時(shí)候，電解槽利用多余的電能電解水，并將電解產(chǎn)生的氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐中；而在可再生能源不足時(shí)，燃料電池以儲(chǔ)氫罐中儲(chǔ)存的氫氣作為燃料進(jìn)行發(fā)電，以滿足系統(tǒng)負(fù)荷的需求[16]。

電解槽是一種通過(guò)電解水產(chǎn)生氫氣的裝置，其輸出功率可表示為：

其中，Pele-tank為電解槽的輸出氫氣功率；Pele為輸入電解槽的電功率；ηele為電解槽的效率，本文取為75%。

燃料電池以氫氣作為燃料進(jìn)行發(fā)電，其輸出電功率可表示為：

其中，PFC為燃料電池的輸出電功率；Ptank-FC為從儲(chǔ)氫罐輸入到燃料電池的氫氣功率；ηFC為燃料電池的轉(zhuǎn)換效率，本文取50%。

儲(chǔ)氫罐中的儲(chǔ)能量可表示為：

其中，ηstor為儲(chǔ)氫罐的存儲(chǔ)效率，本文取95%。

電解槽的最大輸出功率受其自身額定功率PNele及儲(chǔ)氫罐的剩余儲(chǔ)能容量限制：

燃料電池的最大輸出功率受其自身額定功率PNFC及儲(chǔ)氫罐的剩余儲(chǔ)能量限制：

其中，Emaxtank、Emintank分別為儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)能容量的上、下限，取Emaxtank=ENtank，Emintank=0.2ENtank；Etank，t為第 t個(gè)仿真時(shí)段初始儲(chǔ)氫罐剩余容量。

2 風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本文建立了含有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏陣列、蓄電池儲(chǔ)能裝置及電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)的獨(dú)立供電系統(tǒng)的電源優(yōu)化配置模型，取獨(dú)立供電系統(tǒng)中光伏電池模塊安裝塊數(shù)NPV、風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝臺(tái)數(shù)NWG、風(fēng)機(jī)塔架高度H、蓄電池塊數(shù)Nbat、電解槽額定功率PNele、燃料電池額定功率PNFC以及儲(chǔ)氫罐的容量Emaxtank為優(yōu)化變量，主要將設(shè)備投資費(fèi)用、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、設(shè)備重置費(fèi)用3個(gè)部分計(jì)入目標(biāo)函數(shù)，使系統(tǒng)等年值投資費(fèi)用ACS（Annualized Cost of System）最低，同時(shí)滿足用戶要求的供電可靠性。獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置模型描述如下：

其中，CACS為系統(tǒng)等年值投資費(fèi)用；x為優(yōu)化變量集合，x=[NPV，NWG，H，Nbat，PNele，PNFC，EtNank]T；CCP為安裝成本年平均費(fèi)用；COM為年運(yùn)行維護(hù)成本；CREP為年均重置成本，對(duì)于壽命周期時(shí)間小于整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)年限的元件需要考慮重置成本。

風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)各元件安裝成本年平均費(fèi)用與元件壽命周期年限相關(guān)[13-14]：

其中，CTCP為安裝成本；Yproj為元件壽命周期年限；μCRF為資金回收系數(shù) CRF（Capital Recovery Factor），其表達(dá)式如式（32）所示。

其中，h為實(shí)際利率，與名義利率h′和全年通脹率f有關(guān)，其關(guān)系滿足式（33）。

在項(xiàng)目年限內(nèi)，若系統(tǒng)元件達(dá)到其壽命終止年限，則需要對(duì)元件進(jìn)行重置替換，元件的年均重置成本費(fèi)用計(jì)算公式如下：

其中，CTREP為重置成本；YREP為元件重置周期壽命；μSFF為償債基金因子，其關(guān)系滿足式（35）。

2.2 約束條件

其中，RLPSP為負(fù)載失電率，為全年運(yùn)行的系統(tǒng)供電可靠性指標(biāo)；RL，max為設(shè)置的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)；REXC為能量過(guò)剩倍率；RE，max為設(shè)置的能量過(guò)剩倍率限制；Hmax、Hmin分別為風(fēng)塔設(shè)計(jì)高度的上、下限；N為非負(fù)整數(shù)集合；R為實(shí)數(shù)集合。下文介紹RLPSP及REXC的計(jì)算方法。

2.3 儲(chǔ)能裝置控制策略

因?yàn)轱L(fēng)能、太陽(yáng)能資源具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，全年獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)供電小于負(fù)荷的情況，這時(shí)需要儲(chǔ)能裝置放電以補(bǔ)充不足電力，另外也會(huì)出現(xiàn)供電大于負(fù)荷的情況，此時(shí)通過(guò)儲(chǔ)能裝置將多余的電能存儲(chǔ)起來(lái)，以提高可再生能源的利用效率。

本文計(jì)算系統(tǒng)1 a的負(fù)載缺電概率作為供電可靠性指標(biāo)。將1 a劃分為8760 h，每小時(shí)計(jì)算一次，在每小時(shí)內(nèi)計(jì)算系統(tǒng)各元件的平均功率。

其中，Pnet，t為第 t小時(shí)內(nèi)系統(tǒng)凈負(fù)荷功率；Pload，t為總負(fù)荷功率；PDCload，t為總直流負(fù)荷；PACload，t為總交流負(fù)荷；ηinv為逆變器效率；Pren，t為可再生能源總發(fā)電功率。

系統(tǒng)采用蓄電池或電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)作為儲(chǔ)能裝置時(shí)的控制策略分別如下。

a.如果系統(tǒng)采用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，則當(dāng)?shù)趖小時(shí) Pnet，t＞0時(shí)，蓄電池放電，蓄電池功率為：

當(dāng)?shù)?t小時(shí) Pnet，t＜0 時(shí)，蓄電池充電，蓄電池功率為：

b.如果系統(tǒng)采用電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)作為儲(chǔ)能設(shè)備，則當(dāng)?shù)?t小時(shí) Pnet，t＞0 時(shí)，燃料電池發(fā)電：

此時(shí)若 PFC，t＜Pnet，t，表明第 t小時(shí)內(nèi)不能完全滿足所有負(fù)荷，第t小時(shí)的缺電功率為：

當(dāng)?shù)趖小時(shí)Pnet，t＜0時(shí)，電解槽將多余電能轉(zhuǎn)化為氫氣以存儲(chǔ)：

在計(jì)算全年各小時(shí)內(nèi)各元件的功率之后，進(jìn)一步可計(jì)算全年缺電概率[13-14]：

其中，SLPSP，t為系統(tǒng)缺電標(biāo)記符，Punm，t＞0 時(shí) SLPSP，t=1，Punm，t=0 時(shí) SLPSP，t=0。

能量過(guò)剩倍率定義為在系統(tǒng)全年運(yùn)行期內(nèi)過(guò)剩的能量除以系統(tǒng)負(fù)荷總需求能量，即：

3 基于粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)化配置

上述獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置是一個(gè)多約束條件的混合整數(shù)非線性規(guī)劃問(wèn)題，尤其是其約束條件中的RLPSP、REXC與優(yōu)化變量之間難以表示為解析表達(dá)式，因此從設(shè)計(jì)方案尋優(yōu)的算法上而言只能采用有約束的直接搜索法。本文采用粒子群優(yōu)化PSO（P article S warm O ptimization）算法求解優(yōu)化配置模型。PSO算法本質(zhì)上屬于迭代的隨機(jī)搜索算法，具有并行處理、魯棒性好等特點(diǎn)，能以較大概率找到問(wèn)題的全局最優(yōu)解，且計(jì)算效率比傳統(tǒng)隨機(jī)方法高，其最大的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、依賴的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)較少[17]。

系統(tǒng)優(yōu)化配置模型的優(yōu)化變量集合為x，每個(gè)優(yōu)化變量對(duì)應(yīng)粒子的一個(gè)維度，即。對(duì)于式（36）、（37）體現(xiàn)為相應(yīng)的優(yōu)化變量即粒子位置的限制，粒子位置越限時(shí)，取其限值。式（40）表明 NPV、NWG、Nbat為整數(shù)變量，式（41）表明 H、PNele、PNFC、ENtank為連續(xù)變量。對(duì)于式（38）、（39）表示的約束，以罰函數(shù)形式將其計(jì)入目標(biāo)函數(shù)中，即：

其中，σ為懲罰因子。

獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置模型同時(shí)包含連續(xù)變量和整數(shù)變量。對(duì)于各粒子的連續(xù)變量，其PSO進(jìn)化方程為：

其中，vid為粒子的速度；xid為粒子的位置；ω為慣性加權(quán)；c1、c2為大于零的認(rèn)知參數(shù)和社會(huì)參數(shù)；r1、r2為（0，1）均勻分布的隨機(jī)數(shù)；pid為粒子自身經(jīng)歷的最好位置；pgd為微粒群中所有粒子經(jīng)歷的全局最好位置。

對(duì)于各粒子的整數(shù)變量，其PSO算法可形式化描述為[18]：

其中，φ1?[a1，b1]等概率分布的整數(shù)，φ2?[a2，b2]等概率分布的整數(shù)，并且滿足式（60）。

針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的電源優(yōu)化配置問(wèn)題，本文采用PSO算法求得優(yōu)化配置結(jié)果的流程，如圖3所示。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

圖3 求解系統(tǒng)電源優(yōu)化配置問(wèn)題的PSO流程圖Fig.3 Flowchart of PSO for optimal DG configuration model

應(yīng)用本文方法對(duì)獨(dú)立供電系統(tǒng)的電源進(jìn)行優(yōu)化配置，備選的分布式電源類型有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏模塊、蓄電池、電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池。風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)：PN=30 kW，vc=3 m／s，vN=11 m／s，vF=25 m／s。光伏電池參數(shù)：PSTC=100 W，tNOC=44.2℃，k=-0.4%，ηdust=94%，ηmppt=96%，ηloss=96%。蓄電池參數(shù)：Cbat=100 A·h，額定電壓為12 V，允許放電深度DOD=80%，失效循環(huán)次數(shù)為560，浮充壽命為8 a。風(fēng)機(jī)塔架高度的上、下限分別設(shè)為15 m、8 m，各種電源及系統(tǒng)其他元件的成本參數(shù)如表1所示，項(xiàng)目設(shè)計(jì)年限定為20 a。以上基本數(shù)據(jù)綜合取自文獻(xiàn)[11-14]，算例中暫按美元與人民幣匯率1∶6.38折算后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。由表1可見(jiàn)，各系統(tǒng)元件中只有燃料電池的壽命低于項(xiàng)目設(shè)計(jì)年限，蓄電池的壽命與系統(tǒng)配置和全年實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，其壽命可能低于項(xiàng)目設(shè)計(jì)年限，因此燃料電池和蓄電池涉及重置費(fèi)用。

獨(dú)立供電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置還需工程所在實(shí)地的典型年氣象數(shù)據(jù)和負(fù)荷數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)包括小時(shí)平均風(fēng)速、風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差、小時(shí)平均光照強(qiáng)度、光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)差、小時(shí)最大光強(qiáng)及小時(shí)平均環(huán)境溫度，負(fù)荷數(shù)據(jù)包括小時(shí)平均直流負(fù)荷和小時(shí)平均交流負(fù)荷。設(shè)計(jì)2個(gè)算例，其中算例1所用氣象、負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示，算例2所用氣象、負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

針對(duì)每一算例計(jì)算2種方案：

a.方案1，備選電源只考慮風(fēng)機(jī)、光伏陣列、蓄電池，即風(fēng)／光／蓄電池獨(dú)立供電系統(tǒng)；

b.方案2，備選電源只考慮風(fēng)機(jī)、光伏陣列、電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)，即風(fēng)／光／循環(huán)儲(chǔ)能設(shè)備的獨(dú)立供電系統(tǒng)。

2種方案均考慮風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)的最大允許缺電概率RL，max分別設(shè)置為0%、1%、2%的情況，RE，max均設(shè)為 100%。

表1 獨(dú)立供電系統(tǒng)元件參數(shù)Tab.1 Component parameters of standalone power supply system

圖4 算例1中獨(dú)立供電系統(tǒng)所在地的氣象數(shù)據(jù)Fig.4 Meteorological data for standalone power supply system of case 1

圖5 算例1中獨(dú)立供電系統(tǒng)所在地的全年負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig.5 Annual load data for standalone power supply system of case 1

圖6 算例2中獨(dú)立供電系統(tǒng)所在地的氣象數(shù)據(jù)Fig.6 Meteorological data for standalone power supply system of case 2

圖7 算例2中獨(dú)立供電系統(tǒng)所在地的全年負(fù)荷數(shù)據(jù)Fig.7 Annual load data for standalone power supply system of case 2

4.2 結(jié)果分析

采用提出的獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置方法，得到電源優(yōu)化配置結(jié)果如表2和表3所示。

對(duì)比分析兩算例中方案1和方案2下的優(yōu)化配置結(jié)果易知，顯然采用方案1更經(jīng)濟(jì)，原因分析如下：方案2采用電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)作為儲(chǔ)能裝置，其儲(chǔ)電和發(fā)電是通過(guò)不同元件實(shí)現(xiàn)的，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)投資成本，相對(duì)于方案1采用單一元件的能量可雙向流動(dòng)的蓄電池儲(chǔ)能形式，循環(huán)系統(tǒng)儲(chǔ)能形式的單位儲(chǔ)能量對(duì)應(yīng)的投資成本要高得多。因此，在滿足相同供電可靠性的前提下，方案1比方案2的最優(yōu)配置更經(jīng)濟(jì)。將電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)僅作為獨(dú)立供電系統(tǒng)中的電儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置是不經(jīng)濟(jì)的，但是燃料電池系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)（冷）熱電聯(lián)供，提高燃?xì)饽芰哭D(zhuǎn)換效率，在同時(shí)有電負(fù)荷和熱（冷）負(fù)荷需求的地區(qū)，才能體現(xiàn)方案2的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

表2 算例1中獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置結(jié)果Tab.2 Result of configuration optimization for standalone power supply system of case 1

表3 算例2中獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置結(jié)果Tab.6 Result of configuration optimization for standalone power supply system of case 2

由于算例2中的年風(fēng)速水平和年光照強(qiáng)度水平均偏低，而負(fù)荷水平更高，因此算例2中系統(tǒng)優(yōu)化配置下的等年值投資費(fèi)用更高。

從方案1和方案2的優(yōu)化配置結(jié)果能得到一個(gè)共同的結(jié)論：可靠性指標(biāo)設(shè)置得越高（即RL，max設(shè)置得越?。?，則獨(dú)立供電系統(tǒng)的年投資費(fèi)用越高，高供電可靠性會(huì)帶來(lái)高經(jīng)濟(jì)性代價(jià)。因此，合理地評(píng)估停電損失和設(shè)置可靠性指標(biāo)是降低系統(tǒng)電源冗余投資的有效手段之一。

5 結(jié)論

a.在僅有電負(fù)荷需求的邊遠(yuǎn)地區(qū)，由風(fēng)／光／蓄電池構(gòu)成的獨(dú)立供電系統(tǒng)比由風(fēng)／光／燃料電池循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成的獨(dú)立供電系統(tǒng)的優(yōu)化配置更為經(jīng)濟(jì)；

b.合理地評(píng)估停電損失和設(shè)置可靠性指標(biāo)可有效降低風(fēng)光儲(chǔ)獨(dú)立供電系統(tǒng)冗余投資；

c.燃料電池系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)（冷）熱電聯(lián)供，提高燃?xì)饽芰烤C合轉(zhuǎn)換效率，對(duì)于同時(shí)有電負(fù)荷和熱（冷）負(fù)荷需求的地區(qū)，分別采用電解槽-儲(chǔ)氫罐-燃料電池循環(huán)系統(tǒng)與蓄電池作為儲(chǔ)能形式時(shí)的經(jīng)濟(jì)性配置有待進(jìn)一步研究。