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

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，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)，同時由于電能不易儲存，生產(chǎn)實踐中風(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，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，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(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，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)項目年收益與項目年成本，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)項目年收益，Yt為風(fēng)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(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，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(bǔ)貼收益，如公式（11）、（12）所示：

2.2 成本目標(biāo)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(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，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(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。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)實際經(jīng)驗及預(yù)實驗結(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，儲氫裝置存在一個最佳容量范圍，容量過小時，不易消納風(fēng)電，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性低；容量過大時，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。