電氫混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)容量配置優(yōu)化的研究綜述

王一凡，王 輝*，李旭陽(yáng)，方 航，王寶全，金子蓉

(1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002)

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，能源危機(jī)日益嚴(yán)峻，石油、煤炭等傳統(tǒng)的化石能源儲(chǔ)量日益減少，其引起的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。此外，由于傳統(tǒng)的集中式發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一、供電靈活性較差，已經(jīng)不能滿足用戶對(duì)供電可靠性、安全性的要求，因此，以風(fēng)電、光伏等為代表的分布式能源發(fā)電受到國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家的重視，在以國(guó)家能源戰(zhàn)略布局為主導(dǎo)的影響下，大規(guī)模清潔型能源將逐漸替代傳統(tǒng)發(fā)電形式接入到電力系統(tǒng)中。分布式電源之間相互獨(dú)立運(yùn)行，不會(huì)發(fā)生大規(guī)模集中停電故障，因此相比于傳統(tǒng)集中發(fā)電，分布式電源具有更高的可靠性。但風(fēng)、光等資源會(huì)受到地理環(huán)境、溫度等客觀因素影響，具有較強(qiáng)的不確定性，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)、光發(fā)電機(jī)組出力不穩(wěn)定，此時(shí)將新能源并網(wǎng)必然導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性大幅下降，并造成棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象的出現(xiàn)。當(dāng)分布式電源滲透率超過(guò)一定上限后，其靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)將無(wú)法得到充分發(fā)揮，甚至?xí)档碗娏ο到y(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，增加電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行的復(fù)雜度及不確定性。微電網(wǎng)是目前新能源多能互補(bǔ)優(yōu)化和良好接入大電網(wǎng)的一種有效手段，而作為電能儲(chǔ)存裝置的儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分彌補(bǔ)了風(fēng)、光發(fā)電機(jī)組出力的不穩(wěn)定性與不可控性，對(duì)改善微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量、負(fù)荷持續(xù)供電具有重要作用。包含儲(chǔ)能裝置在內(nèi)的微電網(wǎng)可以作為小型供用電系統(tǒng)，工作模式分為并網(wǎng)和孤島，其基本可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電力能量平衡。

國(guó)家發(fā)改委等五部委2017年發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》明確指出：“十三五”期間任務(wù)為推動(dòng)儲(chǔ)能電站示范工程建設(shè)，加強(qiáng)多種電源和儲(chǔ)能設(shè)施集體互補(bǔ)；“十四五”期間全面掌握具有國(guó)際領(lǐng)先水平的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)，形成較為完善的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系。2020年10月29日中國(guó)共產(chǎn)黨十九屆五中全會(huì)通過(guò)的“十四五”規(guī)劃與2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)建議都提出，要加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展，降低碳排放強(qiáng)度，支持有條件的地方率先達(dá)到碳排放峰值，制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案。2020年12月召開(kāi)的中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中碳達(dá)峰、碳中和被作為2021年要做好的八項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之一，并明確二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?？梢钥闯觯跐M足經(jīng)濟(jì)性、可靠性指標(biāo)的同時(shí)，環(huán)保問(wèn)題也是重中之重。

對(duì)于微電網(wǎng)，在過(guò)去的研究里，電源側(cè)一般包括光伏、風(fēng)力、微型燃?xì)廨啓C(jī)等，而儲(chǔ)能側(cè)由單一類(lèi)型儲(chǔ)能或由單一類(lèi)型儲(chǔ)能發(fā)展為多種類(lèi)型儲(chǔ)能共同協(xié)調(diào)工作，例如蓄電池搭配超級(jí)電容器、蓄電池搭配抽水蓄能等混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。而近些年來(lái)，包括氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能進(jìn)入公眾視野，氫儲(chǔ)能具有清潔、高效、能量密度大、容量大等優(yōu)點(diǎn)，而蓄電池價(jià)格較低，響應(yīng)較快，壽命較低，但存在一定的環(huán)境污染問(wèn)題，兩者具有一定程度的互補(bǔ)特性，合理配置后在提高微電網(wǎng)存在的經(jīng)濟(jì)性和可靠性同時(shí)，還可大幅度提升微電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力。同時(shí)氫儲(chǔ)能在綜合能源系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)等方面也有廣泛應(yīng)用，因此合理規(guī)劃包含蓄電池和氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能容量配置具有十分重要的意義。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的包含氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中分布式電源包括光伏陣列、風(fēng)電機(jī)組，混合儲(chǔ)能包括蓄電池和氫儲(chǔ)能，氫儲(chǔ)能由電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池組成，各個(gè)系統(tǒng)通過(guò)變換器與交流母線連接。

圖1 含氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure diagram of hybrid energy storage microgrid containing hydrogen energy storage

如圖1所示，其中的箭頭表明功率流向，分布式電源部分負(fù)責(zé)輸出功率，負(fù)荷部分為輸入功率，電網(wǎng)部分功率流動(dòng)方向視微網(wǎng)功率缺額情況而定，儲(chǔ)能部分功率為雙向，既可輸入功率也可輸出功率。

2 微電網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 電源側(cè)數(shù)學(xué)模型

2.1.1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是利用光生伏特效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，組成部分主要為太陽(yáng)電池板、控制器和逆變器，由電子元器件構(gòu)成，工作原理為半導(dǎo)體中的PN結(jié)通過(guò)太陽(yáng)輻照產(chǎn)生光伏效應(yīng)[1]。裝置中的電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)、封裝保護(hù)等一系列操作后形成太陽(yáng)電池組件，再搭配功率控制器等部件就是完整的光伏發(fā)電裝置。無(wú)論從儲(chǔ)備還是發(fā)展前途來(lái)看，常規(guī)能源在中國(guó)乃至世界都是很有限的。在中國(guó)，一次性能源的儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，大約只有世界總儲(chǔ)量的10%。而太陽(yáng)能作為可再生能源，是人類(lèi)取之不盡用之不竭的財(cái)富，它具有充分的清潔性良好、安全性高、廣泛性、壽命長(zhǎng)、免維護(hù)性、資源充足及經(jīng)濟(jì)性等一系列優(yōu)點(diǎn)，中國(guó)領(lǐng)土廣大，光伏可充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中具有重要地位。不過(guò)太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)卻伴隨著高污染、高能耗的缺點(diǎn)；據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)一塊1.0 m×1.5 m太陽(yáng)能板必須燃燒超過(guò)40 kg煤，同時(shí)光伏出力會(huì)受到天氣、溫度、地理?xiàng)l件等外界因素的影響。

文獻(xiàn)[2]從復(fù)雜光照條件下的光伏組件的輸出特性出發(fā)，建立了獨(dú)立組件的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)最后的仿真結(jié)果總結(jié)了在復(fù)雜光照條件下光伏組件輸出特性的規(guī)律；文獻(xiàn)[3]提出一種基于高斯混合模型的光伏發(fā)電功率概率區(qū)間預(yù)測(cè)方法;文獻(xiàn)[4]從光伏發(fā)電板方面考慮各種角度因素，包括維度、傾斜程度、太陽(yáng)光的入射角等，將這些影響因素囊括進(jìn)光伏陣列數(shù)學(xué)模型。

在大部分研究中，光伏發(fā)電PV(photovoltaic)的輸出功率會(huì)考慮受到不同光照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度變化帶來(lái)的影響[4-5]，其表達(dá)式可表示為

(1)

式中：PSTC為光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)條件下的額定輸出功率；GSTC為標(biāo)準(zhǔn)條件下的太陽(yáng)輻照度；GC(t)為t時(shí)刻工作點(diǎn)實(shí)際的太陽(yáng)輻照度；K為功率溫度系數(shù)；TC(t)為在t時(shí)刻的工作點(diǎn)溫度；TSTC為在標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度；NPV為光伏陣列單元數(shù)量。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電

作為一種清潔性高的可再生能源，風(fēng)能近些年越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視[5]，其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能雖然只占百分之一，但比全球可供開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要多10倍，高達(dá)2×107MW。由于中國(guó)具有地理?xiàng)l件優(yōu)勢(shì)，所以風(fēng)能的儲(chǔ)量大且分布面廣，僅是陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就接近2.53×105MW。風(fēng)力發(fā)電主要依賴(lài)于風(fēng)機(jī)，利用風(fēng)力來(lái)帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再依靠增速機(jī)將葉片旋轉(zhuǎn)的速度提升，促使發(fā)電機(jī)運(yùn)行工作，即先把自然界中風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，這就是風(fēng)力發(fā)電[6]。由于風(fēng)力發(fā)電具有無(wú)需燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或者空氣污染等優(yōu)勢(shì)，所以研究和應(yīng)用正在世界上形成一股前所未有的熱潮。但與光伏發(fā)電類(lèi)似，風(fēng)能通常也會(huì)受到氣候和地理環(huán)境的影響，因此具有隨機(jī)性和間歇性，可以看出對(duì)于風(fēng)速的預(yù)測(cè)是不可忽視的研究重點(diǎn)。對(duì)于風(fēng)電的數(shù)學(xué)模型，大多數(shù)采用2種，一種是自回歸滑動(dòng)平均模型(ARMA)[7-8],其將過(guò)去的風(fēng)速數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)刻相關(guān)聯(lián)，以此對(duì)未來(lái)的風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)；另一種是基于韋布爾參數(shù)分布來(lái)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)的輸出功率模型[9]，它是通過(guò)概率函數(shù)來(lái)對(duì)風(fēng)速分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此獲得相應(yīng)的風(fēng)速，最后對(duì)風(fēng)機(jī)出力進(jìn)行計(jì)算。

傳統(tǒng)研究中通常把風(fēng)力發(fā)電機(jī)WT(wind turbine)的輸出功率和風(fēng)速之間的關(guān)系近似地表示為：

(2)

式中：Pr為風(fēng)機(jī)額定功率；v為實(shí)際情況下的風(fēng)速；vin為切入風(fēng)速；vout為切出風(fēng)速；vr為額定風(fēng)速。

2.2 儲(chǔ)能側(cè)數(shù)學(xué)模型

2.2.1 儲(chǔ)能類(lèi)型

目前儲(chǔ)能系統(tǒng)大致上可以分為5大類(lèi)：機(jī)械儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能以及化學(xué)儲(chǔ)能，如表1所示。各種儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)如表2所示。

表1 儲(chǔ)能系統(tǒng)分類(lèi)Tab. 1 Classification of energy storage systems

表2 不同儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)Tab. 2 Characteristics of different energy storage devices

根據(jù)表1和表2，從功能方面來(lái)看儲(chǔ)能大致可以分為能量型和功率型2種類(lèi)別[10]，能量型儲(chǔ)能的能量密度較高且容量大，但它的放電時(shí)間較長(zhǎng)，循環(huán)壽命較短，可作為長(zhǎng)期儲(chǔ)能設(shè)備[11]；功率型儲(chǔ)能的功率密度較高且響應(yīng)速度更快，循環(huán)壽命長(zhǎng)，但與能量型儲(chǔ)能不同的是它無(wú)法大容量?jī)?chǔ)存，只能作為短期儲(chǔ)存設(shè)備[12-13]。

儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于微電網(wǎng)有著不可忽視的影響，其作用不僅體現(xiàn)在微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性方面，還體現(xiàn)在微電網(wǎng)的可靠性方面。文獻(xiàn)[14]從風(fēng)電功率的隨機(jī)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的影響考慮，采用滑動(dòng)平均法來(lái)平滑風(fēng)電功率波動(dòng)，以此達(dá)到降低對(duì)電網(wǎng)造成影響的目的，在不同置信水平和容量下，以波動(dòng)量的各個(gè)參量為指標(biāo)，分析了該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的平抑效果。文獻(xiàn)[15]從可再生能源微電網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的作用、分類(lèi)、設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和應(yīng)用情況進(jìn)行綜述，綜合評(píng)估能量密度、功率密度、響應(yīng)時(shí)間以及額定功率。文獻(xiàn)[16-17]分析了3個(gè)不同場(chǎng)景下的儲(chǔ)能應(yīng)用規(guī)劃以及相關(guān)效益評(píng)估，分別列舉了其優(yōu)缺點(diǎn)，闡述儲(chǔ)能規(guī)劃中有待進(jìn)一步考慮的問(wèn)題和未來(lái)應(yīng)用推廣過(guò)程中應(yīng)予以關(guān)注的方面。

2.2.2 氫儲(chǔ)能模型

近年來(lái)，氫儲(chǔ)能作為新型儲(chǔ)能逐漸進(jìn)入人們的視野，它所具備的能量密度大、容量大、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)也在研究中逐漸被發(fā)掘出來(lái)。氫儲(chǔ)能具有的清潔性能使其可以在“雙碳”戰(zhàn)略下作為未來(lái)大力開(kāi)發(fā)和利用的能源系統(tǒng)，可以在微電網(wǎng)中作為長(zhǎng)期儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低碳可靠運(yùn)行[18-21]。

與傳統(tǒng)的石油、天然氣相比較，氫氣具有更高的效率特性：研究發(fā)現(xiàn)在單位產(chǎn)品質(zhì)量下氫氣燃燒放出的熱量大約是汽油的2.5倍，是甲烷的3倍，更重要的是氫氣燃燒后產(chǎn)生的是水，這意味著氫燃料不僅不會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題，而且還能被有效進(jìn)行循環(huán)利用，因此其被認(rèn)為是人類(lèi)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的理想新能源[22]。

目前成熟的制氫技術(shù)路線主要有3種：第1種是以煤和天然氣等一次能源重整制氫；第2種是氯堿和焦?fàn)t煤氣等工業(yè)副產(chǎn)品制氫；第3種是通過(guò)水電解制氫。除了這3種主要制氫技術(shù)，還有生物質(zhì)制氫以及太陽(yáng)能光催化制氫等技術(shù)。其中，最為突出的電解水制氫技術(shù)主要有3種：固體氧化物電解(SOEC)、質(zhì)子交換膜電解(proton exchange membrane electrolyse cells，PEMEC)以及堿性電解(AEC)。從能源效率角度考慮，固體氧化物電解技術(shù)優(yōu)勢(shì)較大，從成本壽命考慮，則是堿性電解技術(shù)較優(yōu)，其投資成本低，典型商業(yè)化規(guī)模最大，而目前運(yùn)用較多的為質(zhì)子交換膜電解技術(shù)。質(zhì)子交換膜電解水技術(shù)(PEMWE)是依靠電化學(xué)反應(yīng)，依靠氫氧燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為水和電能，整個(gè)過(guò)程不排放二氧化碳和氮氧化物，具有獨(dú)特的清潔特性[23]。質(zhì)子交換膜電解池以透薄的質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，將純水電解，裝置簡(jiǎn)易巧妙，相比于其他制氫方式其制備的氫氣純度較高，且安全性高，不會(huì)產(chǎn)生有害雜質(zhì)，具有環(huán)保性。對(duì)于儲(chǔ)氫部分，市面上比較常見(jiàn)的儲(chǔ)氫方式分為2種：一種是物理儲(chǔ)氫，其包括液氫儲(chǔ)存、高壓氫氣儲(chǔ)存、碳纖維和碳納米管儲(chǔ)存等；另一種則是化學(xué)儲(chǔ)氫，包括金屬氫化物儲(chǔ)氫、有機(jī)液氫化物儲(chǔ)氫、無(wú)機(jī)物儲(chǔ)氫等[24]。

本文主要講述質(zhì)子交換膜電解技術(shù)，其儲(chǔ)能裝置主要包括3部分：電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池，其中燃料電池為整個(gè)裝置的核心[25]，其工作原理如圖2所示，即在光伏、風(fēng)力等可再生能源充足的條件下，電解槽將系統(tǒng)多余的電能用于電解水制氫，并將制得的氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐中；當(dāng)系統(tǒng)出力無(wú)法滿足負(fù)荷需求時(shí)，燃料電池將儲(chǔ)氫罐中儲(chǔ)存的氫氣作為燃料進(jìn)行發(fā)電，以此滿足電負(fù)荷缺額功率，形成以電解槽負(fù)責(zé)電解制氫、儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存氫、燃料電池燃?xì)洚a(chǎn)電3個(gè)環(huán)節(jié)循環(huán)的系統(tǒng)。

圖2 氫儲(chǔ)能工作原理Fig. 2 Working principle of hydrogen energy storage

目前，應(yīng)用于微電網(wǎng)的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)多數(shù)用于儲(chǔ)能的規(guī)劃問(wèn)題上。文獻(xiàn)[26]構(gòu)建了考慮氫儲(chǔ)能系統(tǒng)間歇工作模式下熱平衡的系統(tǒng)模型，并考慮了風(fēng)電場(chǎng)功率的不確定性以及氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本問(wèn)題，提出了風(fēng)-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方案，最后采用分布式魯棒進(jìn)行求解；文獻(xiàn)[27]以多目標(biāo)建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型，在此模型的基礎(chǔ)上采用改進(jìn)的差分進(jìn)化鯨魚(yú)算法求解得到最優(yōu)配置；文獻(xiàn)[28]分析氫儲(chǔ)能系統(tǒng)具有的清潔無(wú)污染、提高光伏發(fā)電利用率、平抑直流母線電壓波動(dòng)等特性，采用粒子群優(yōu)化算法求解，得到經(jīng)濟(jì)性與供電可靠性綜合最優(yōu)的容量配置結(jié)果。

在其他研究方面，氫儲(chǔ)能也是十分重要的一部分。文獻(xiàn)[29]提出一種新的氫儲(chǔ)能耦合天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行分析，計(jì)算穩(wěn)態(tài)工況下此系統(tǒng)效率，分析電流密度對(duì)產(chǎn)氫的影響和燃料中氫氣的比例對(duì)系統(tǒng)效率影響，結(jié)果表明該系統(tǒng)能更好利用新能源發(fā)電的多余電能；為更好地平衡系統(tǒng)能量，同時(shí)滿足運(yùn)營(yíng)商的收益需求，結(jié)合包含氫儲(chǔ)能的多能聯(lián)供聯(lián)儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[30]設(shè)計(jì)了一種運(yùn)營(yíng)商結(jié)合氫儲(chǔ)能的工業(yè)園區(qū)基本架構(gòu)，并考慮到價(jià)格與能量之間的博弈模式，構(gòu)建新型氫儲(chǔ)綜合能源系統(tǒng)以及各個(gè)參與主體的博弈模型，在此基礎(chǔ)上提出三階段主從博弈框架，對(duì)新型綜合能源系統(tǒng)有一定參考意義；文獻(xiàn)[31]通過(guò)考慮需求側(cè)響應(yīng)，建立了以系統(tǒng)運(yùn)行總成本最小為目標(biāo)函數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型，利用禁忌搜索和粒子群2種算法相結(jié)合的改進(jìn)算法進(jìn)行求解，最后發(fā)現(xiàn)該方法增強(qiáng)了綜合能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性，并且提高了新能源的消納能力；文獻(xiàn)[32]根據(jù)氫儲(chǔ)能、系統(tǒng)能流結(jié)構(gòu)和冷熱負(fù)荷的特性，設(shè)計(jì)了燃料電池出力與系統(tǒng)能量流動(dòng)的耦合方式以及冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行模式，并以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的運(yùn)行模式能使燃料電池滿足冷、熱等多種負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，改善了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；文獻(xiàn)[33]以提高區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的多能耦合利用效率為目的，提出含電轉(zhuǎn)氣的變效率熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度模型，并在電解水制氫環(huán)節(jié)引入儲(chǔ)氫，以包含購(gòu)能成本、運(yùn)維成本以及能量損耗成本在內(nèi)的系統(tǒng)總成本為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相比，該調(diào)度模型促進(jìn)了能源的多級(jí)利用，有效提高了能源利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

目前大部分對(duì)于氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究所采用的數(shù)學(xué)模型為：

1)電解槽。

電解槽通過(guò)將水電解為氫氣和氧氣實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)，輸出功率可表示為

Pe-out=ηe·Pe-in。

(3)

式中：ηe為電解槽的電解效率，一般取60%；Pe-in為電解槽的輸入功率。

2)儲(chǔ)氫罐。

作為雙向裝置的儲(chǔ)氫罐可以儲(chǔ)存電解槽電解水產(chǎn)生的氫氣，同時(shí)又可以為燃料電池提供產(chǎn)電的氫氣，提高系統(tǒng)的靈活性，其儲(chǔ)能的數(shù)學(xué)模型可表示為

(4)

式中:Estore(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存的能量；ηe_DC-DC為電解槽的轉(zhuǎn)換器工作效率，ηf_DC-DC是燃料電池轉(zhuǎn)換器的工作效率，一般分別可取90%；而ηstore是儲(chǔ)氫罐的工作效率，一般取50%。

3)燃料電池。

燃料電池模型為質(zhì)子膜交換燃料電池(PEMFC)，該技術(shù)以氫氣和氧氣作為燃料，將其燃料內(nèi)部的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來(lái)，其輸出功率為

Pf=Pstore-f·ηf。

(5)

式中：Pstore-f為儲(chǔ)氫罐輸送至燃料電池的功率；ηf為燃料電池的工作效率。

電解槽的最大輸入功率和燃料電池的最大輸出功率會(huì)受到它們自身容量以及儲(chǔ)氫罐剩余容量的限制，其限制可以表示為：

(6)

(7)

式中：Ce和Cf分別為電解槽和燃料電池的容量；Estore_max和Estore_min為儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)能容量的上下限，一般取Estore_max=0.85Cstore，Estore_min=0.15Cstore；Cstore為儲(chǔ)氫罐的容量。

2.2.3 蓄電池模型

電池，又可稱(chēng)為化學(xué)電池，是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能的裝置。在充電時(shí)將內(nèi)部活性物質(zhì)再生，即把電能儲(chǔ)存為化學(xué)能；在放電時(shí)再采取逆反應(yīng)思維把化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能。這類(lèi)電池被統(tǒng)稱(chēng)為蓄電池(storage battery)，也可以稱(chēng)為二次電池或是鉛酸蓄電瓶[15,34]。蓄電池是儲(chǔ)存化學(xué)能并在需要時(shí)提供電能的一種雙向電氣化學(xué)設(shè)備[35-36]。蓄電池模型建立方面的研究早在20世紀(jì)就開(kāi)始了，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在很多相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究并已經(jīng)取得了大量成果，不少科研機(jī)構(gòu)已開(kāi)發(fā)出不同種類(lèi)的蓄電池仿真軟件和相關(guān)運(yùn)行程序，比如美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的ADVISOR、芝加哥大學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的PSATC等。目前蓄電池種類(lèi)比較多且結(jié)構(gòu)相異，所以只用單一模型對(duì)它的特性進(jìn)行描述顯然不夠充分。從研究目的來(lái)看，蓄電池的模型可以分為機(jī)理模型、外特性參數(shù)模型、等效電路模型[37]。

當(dāng)前，蓄電池在微電網(wǎng)中已經(jīng)有大量研究和應(yīng)用，多數(shù)是針對(duì)微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)以及風(fēng)光消納、平抑功率波動(dòng)的研究。文獻(xiàn)[38]考慮到充放電深度對(duì)電池壽命產(chǎn)生的影響，提出一種基于荷電狀態(tài)的儲(chǔ)能電池有效容量估算方法，并根據(jù)電池的健康狀態(tài)來(lái)設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)安全裕度，結(jié)果表明該方案延長(zhǎng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，降低了配置成本；文獻(xiàn)[39]考慮到蓄電池的最大循環(huán)使用壽命和充放電深度之間存在的關(guān)系，采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃將輸出功率波動(dòng)抑制于一定置信水平下，同時(shí)又可以提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性；文獻(xiàn)[40]根據(jù)調(diào)度指令來(lái)確定電池組中充、放電個(gè)數(shù)，將電池的健康狀態(tài)和充放電優(yōu)先級(jí)排序規(guī)則結(jié)合到一起，采用數(shù)學(xué)規(guī)劃算法對(duì)功率在各電池組之間的分配進(jìn)行求解，驗(yàn)證了此方案具有可行性，能夠延長(zhǎng)電池組的使用壽命，但沒(méi)有考慮到多電池之間健康狀態(tài)存在的誤差；文獻(xiàn)[41]提出一種考慮電池荷電狀態(tài)的能量管理策略，分析微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合光伏可供能量和負(fù)荷需求功率，建立容量配置雙層優(yōu)化模型，以某地實(shí)際數(shù)據(jù)為例求解；文獻(xiàn)[42]針對(duì)風(fēng)電輸出功率具有波動(dòng)性這一特征，采用滑動(dòng)平均法濾除波動(dòng)功率，達(dá)到平滑風(fēng)電輸出功率的目的；文獻(xiàn)[43]為提升園區(qū)綜合能源系統(tǒng)(PIES)規(guī)劃-運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，從儲(chǔ)能的角度出發(fā)，提出考慮電池使用壽命及損耗的PIES電、熱混合儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法，在其中構(gòu)建隸屬該園區(qū)的電池壽命損耗模型來(lái)量化評(píng)估電池壽命損耗情況，通過(guò)最后結(jié)果對(duì)比了傳統(tǒng)的單一儲(chǔ)能對(duì)系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行及電池壽命的影響。

當(dāng)前研究中采用的蓄電池模型會(huì)考慮到充放電狀態(tài)，充放電時(shí)蓄電池儲(chǔ)存能量的變化。當(dāng)蓄電池充電時(shí)儲(chǔ)存能量為

Ebat(t)=Ebat(t-1)(1-δ)+Pbat_ch(t-1)·ηch·ηbat_DC-DC·Δt。

(8)

當(dāng)蓄電池放電時(shí)儲(chǔ)存能量為

(9)

式中：δ為蓄電池自放電率；Pbat_ch和Pbat_dh為蓄電池的充、放電效率；ηbat_DC-DC為與蓄電池相連的變換器轉(zhuǎn)換效率；t為時(shí)間步長(zhǎng)。

2.2.4 電氫混合儲(chǔ)能

近些年關(guān)于儲(chǔ)能規(guī)劃問(wèn)題已經(jīng)不限于單一儲(chǔ)能。單一儲(chǔ)能存在價(jià)格昂貴、容量較小、壽命過(guò)短、平抑效果不佳等各種問(wèn)題，因此在儲(chǔ)能容量配置的研究上一般采取混合儲(chǔ)能。為了實(shí)現(xiàn)“降本增效、節(jié)能減排”，文獻(xiàn)[44]提出一種超級(jí)電容器搭配蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將系統(tǒng)的不平衡功率進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，以此得到高頻、低頻功率分量，充分發(fā)揮超級(jí)電容器和蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，將高頻功率分量歸于超級(jí)電容器負(fù)責(zé)，低頻功率分量歸于蓄電池承擔(dān)；文獻(xiàn)[45]在超級(jí)電容器-飛輪-蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用模態(tài)分解把光伏與負(fù)荷之間的不平衡功率分解為高、中、低頻段，將3部分頻段作為3種儲(chǔ)能的參考功率；針對(duì)風(fēng)力發(fā)電給電力系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊，同時(shí)也為了提高風(fēng)電滲透率，文獻(xiàn)[46]建立了抽水蓄能-電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出常規(guī)和特殊場(chǎng)景下的風(fēng)電出力，考慮約束條件，充分發(fā)揮混合儲(chǔ)能的各自運(yùn)行特性以及優(yōu)勢(shì)，結(jié)果表明所建立模型的有效性，保證了經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高了風(fēng)電滲透率。

選擇基于氫儲(chǔ)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，既可以降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行總成本和能源成本，又可以提高可再生能源利用率，同時(shí)在環(huán)保性方面也能有所保證[47]。文獻(xiàn)[48]引入氫儲(chǔ)能解決傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式無(wú)法應(yīng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)中電能的長(zhǎng)期存儲(chǔ)問(wèn)題，以改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)風(fēng)電功率和實(shí)際負(fù)荷功率，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)相比，此方案的成本和負(fù)荷缺電率都有所下降；文獻(xiàn)[49]考慮涉及風(fēng)光和負(fù)荷的不確定性因素對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置的影響，以西北某地區(qū)微電網(wǎng)作為研究對(duì)象，分析負(fù)荷類(lèi)型和分布式電源的運(yùn)行特性，設(shè)置不同的源-儲(chǔ)組合類(lèi)型，采用HOMER Pro軟件進(jìn)行求解，最后結(jié)果表明該方案有效。

3 電氫儲(chǔ)能的容量?jī)?yōu)化問(wèn)題

3.1 容量規(guī)劃

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，能源的不斷消耗以及環(huán)境治理所帶來(lái)的壓力不斷增加，人們對(duì)新能源系統(tǒng)的需求也在不斷更新[50-51]。2019年5月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《國(guó)家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)(海南)實(shí)施方案》，方案中明確指出：海南要建設(shè)“清潔能源島”[52]，大幅提高清潔能源比重，提升能源利用效率，構(gòu)建安全、綠色、集約、高效的清潔能源供應(yīng)體系[53]。2020年中國(guó)政府在聯(lián)合國(guó)大會(huì)提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)。這不僅說(shuō)明在控制系統(tǒng)成本、替換老化的系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、提高電力系統(tǒng)的靈活性和可靠性的同時(shí)，控制二氧化碳的對(duì)外排放，改善大氣環(huán)境變化[15]，以及為環(huán)境較為惡劣的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供可靠的電力支持也成為人們?nèi)蘸笠?，能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型已然成為了能源革命的關(guān)鍵[54-55]。

影響儲(chǔ)能容量配置的因素有很多，例如儲(chǔ)能不同的功能定位、典型負(fù)荷曲線與風(fēng)電出力曲線的選取等問(wèn)題都會(huì)影響到儲(chǔ)能的配置結(jié)果。從發(fā)電側(cè)考慮，光伏系統(tǒng)受光照強(qiáng)度和溫度等條件影響，從而會(huì)決定儲(chǔ)能的容量配置大小，同樣，自然界的風(fēng)速具有的不確定性會(huì)影響風(fēng)機(jī)出力。文獻(xiàn)[56]針對(duì)風(fēng)電不確定性等問(wèn)題建立多參數(shù)儲(chǔ)能配置模型來(lái)研究?jī)?chǔ)能不同功能定位下的配置情況。

儲(chǔ)能裝置具有能量?jī)?chǔ)存和釋放的雙向功能，可以有效提升微電網(wǎng)中的風(fēng)光消納、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本、運(yùn)行靈活性[57-60]。因此，合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量規(guī)劃尤為關(guān)鍵。圖3是微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置技術(shù)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 微電網(wǎng)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置技術(shù)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Technical structure of optimal allocation of energy storage capacity of microgrid

文獻(xiàn)[61]以降低風(fēng)光發(fā)電棄電率及提高上網(wǎng)風(fēng)光電品質(zhì)為目標(biāo)，將能量管理以及容量最優(yōu)化作為求解算法，納入動(dòng)態(tài)電價(jià)這一影響因素，優(yōu)化儲(chǔ)能容量配置，最后將計(jì)算結(jié)果的成本與煤氣化制氫成本比較，并分析該方案的可行性；文獻(xiàn)[23]提出風(fēng)電制氫可能存在電解槽間歇式運(yùn)行這一問(wèn)題，分析電解槽的制氫效率特性，評(píng)估其最優(yōu)工作區(qū)間，采取電網(wǎng)輔助購(gòu)電策略來(lái)維持運(yùn)行，聯(lián)合輸電工程進(jìn)行系統(tǒng)容量配置優(yōu)化；文獻(xiàn)[62]分析系統(tǒng)存在經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)電質(zhì)量不能兼得的問(wèn)題，建立雙層規(guī)劃模型，將氫能交易所帶來(lái)的利潤(rùn)算入成本之中，用改進(jìn)中值濾波算法進(jìn)行信號(hào)采樣，用改進(jìn)的遺傳算法求解，結(jié)果表明改進(jìn)的算法具有一定優(yōu)勢(shì)，且風(fēng)電波動(dòng)率和儲(chǔ)氫容量都有所下降；文獻(xiàn)[63]針對(duì)風(fēng)電對(duì)大規(guī)模并網(wǎng)的一些不利特點(diǎn)，在風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中安裝包含制氫系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率進(jìn)行削峰填谷；文獻(xiàn)[64]基于混合算法把天氣和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)光伏和風(fēng)電的預(yù)測(cè)，評(píng)估系統(tǒng)可靠性，結(jié)果表明此算法在系統(tǒng)中具有優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[65]根據(jù)偏遠(yuǎn)地區(qū)的一些不利條件提出一種層次分析法，構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)模型，提出一種基于Surrogate的預(yù)裝式儲(chǔ)能電站布局優(yōu)化方案，結(jié)果表明含有氫儲(chǔ)能的該方案在各方面都具有優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[47]為典型的微電網(wǎng)電氫儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化，考慮了微電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益，以總凈現(xiàn)值成本作為目標(biāo)函數(shù)，將可再生能源利用率以及負(fù)荷缺失率作為系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)建立優(yōu)化模型，并采取4種方案進(jìn)行分析對(duì)比。

方案1：以單一的蓄電池作為儲(chǔ)能裝置；方案2：以蓄電池和氫儲(chǔ)能作為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；方案3：以單一的鋰電池作為儲(chǔ)能裝置；方案4：以單一的液流電池作為儲(chǔ)能部分。

通過(guò)模擬微電網(wǎng)一年之內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，搭建仿真結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)過(guò)算例求解后以方案1、3、4的結(jié)果與方案2進(jìn)行對(duì)比分析。表3和表4為分布式電源成本和容量配置結(jié)果，表5為4種方案的結(jié)果對(duì)比，其中包含了總凈現(xiàn)值成本(TNPC)、經(jīng)營(yíng)成本(OPC)、平均化能源成本(LCOE)、電力浪費(fèi)(PW)以及可再生能源利用率(REU)和負(fù)荷缺失率(LOR)。

表3 分布式電源成本Tab. 3 Cost of the distributed power system

表4 容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果Tab. 4 Capacities of distributed generations

表5 方案優(yōu)化結(jié)果對(duì)比Tab. 5 Comparison of optimization result among schemes

通過(guò)表5的結(jié)果對(duì)比可以看出方案1與方案2的經(jīng)濟(jì)性相近，相比之下方案3、4的經(jīng)濟(jì)性就明顯不足，因此，可以主要對(duì)方案1和方案2進(jìn)行詳細(xì)分析。方案2與方案1對(duì)比，其總凈現(xiàn)值成本下降了6.9%，經(jīng)營(yíng)成本下降47.5%，而平均化能源成本下降6.69%，另外可再生能源利用率也降低了大約1.41%；在方案1中由于蓄電池的長(zhǎng)期深度放電，導(dǎo)致壽命下降，從而使得替換成本以及運(yùn)行維護(hù)成本較高；同時(shí)，蓄電池具有的自放電特性不利于長(zhǎng)期儲(chǔ)能。因此可以得出方案1中的電力浪費(fèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案2，并且方案2的負(fù)荷缺失率比方案1降低了大約16.4%，可以得出含氫儲(chǔ)能的微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有傳統(tǒng)儲(chǔ)能所不具備的優(yōu)勢(shì)，其在滿足系統(tǒng)供電可靠性的同時(shí)又提高了微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

由此可知，利用氫儲(chǔ)能提升風(fēng)光等新能源的利用率、降低系統(tǒng)成本來(lái)達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)容量最優(yōu)是相關(guān)研究的重點(diǎn)。

3.2 運(yùn)行策略

運(yùn)行策略是決定容量配置的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[66]依靠風(fēng)光互補(bǔ)以及柴油發(fā)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，但儲(chǔ)能部分僅采用蓄電池，依靠蓄電池進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)功率缺額的補(bǔ)償，并未考慮蓄電池充放電壽命會(huì)影響整體經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行；文獻(xiàn)[67]采用蓄電池結(jié)合超級(jí)電容器作為混合儲(chǔ)能裝置，在模型建立后，采用分界頻率來(lái)計(jì)算濾波時(shí)間常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池和超級(jí)電容器的功率分配；在計(jì)算儲(chǔ)能容量后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，不同于單一儲(chǔ)能，該混合儲(chǔ)能運(yùn)行策略有效減少蓄電池充放電次數(shù)，提高儲(chǔ)能設(shè)備壽命，但并未考慮到環(huán)境問(wèn)題以及污染排放約束。

儲(chǔ)能的運(yùn)行策略不僅會(huì)影響設(shè)備的性能、出力效果和壽命，而且會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及環(huán)境問(wèn)題等方面，其對(duì)于風(fēng)、光等可再生能源的利用也有影響。在本文的蓄-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，蓄電池具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，而氫儲(chǔ)能其容量較大，因此可以看出前者適合作為短期儲(chǔ)能，后者適合長(zhǎng)期儲(chǔ)能，前者可優(yōu)先運(yùn)行工作，兩部分儲(chǔ)能分級(jí)運(yùn)行。運(yùn)行策略流程如圖4所示。

1表示風(fēng)、光出力在滿足負(fù)荷需求功率之后，系統(tǒng)將剩余的功率全部輸送給蓄電池進(jìn)行充電；2表示在滿足負(fù)荷需求功率后，風(fēng)、光輸出功率的剩余部分先輸送給蓄電池進(jìn)行充電，剩余部分再輸送給電解槽進(jìn)行電解水轉(zhuǎn)換為氫氣，再通過(guò)儲(chǔ)氫罐儲(chǔ)存起來(lái)；3表示若風(fēng)、光出力在滿足負(fù)荷需求功率后，對(duì)蓄電池充電達(dá)到飽和，剩余部分再為電解槽提供充足能量直至儲(chǔ)氫罐容量達(dá)到上限，過(guò)剩功率記為系統(tǒng)過(guò)剩功率，此部分可與大電網(wǎng)進(jìn)行交易；4表示此情況下系統(tǒng)的缺額功率由蓄電池提供；5表示若蓄電池完全放電后為仍無(wú)法滿足系統(tǒng)缺額功率，則剩余部分由燃料電池燃燒儲(chǔ)氫罐中的氫氣來(lái)發(fā)電作為補(bǔ)充；6表示待蓄電池和燃料電池完全出力后系統(tǒng)仍剩部分功率無(wú)法補(bǔ)充，剩余這部分記為系統(tǒng)的缺額功率，這時(shí)可向大電網(wǎng)購(gòu)電來(lái)滿足這部分需求。圖4 運(yùn)行策略流程Fig. 4 Operation strategy diagram

儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)主要由微電網(wǎng)系統(tǒng)功率缺額情況來(lái)決定。以t時(shí)刻風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)對(duì)外輸出功率與負(fù)荷所需功率的差值作為微電網(wǎng)系統(tǒng)功率缺額ΔP(t)。

ΔP(t)=PDG(t)-PL(t)，

(10)

式中：PDG(t)為t時(shí)刻的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)對(duì)外輸出功率；PL(t)為t時(shí)刻負(fù)荷所需要的功率。系統(tǒng)的功率缺額存在2種情況：

1)當(dāng)功率缺額大于0時(shí)，系統(tǒng)多余電量會(huì)先輸送并作為化學(xué)能儲(chǔ)存于蓄電池中，作為備用能源，蓄電池工作為充電狀態(tài)，若蓄電池充至上限，剩余的部分再輸送給氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，電解槽將這部分能量用于電解水，利用質(zhì)子膜交換電解技術(shù)產(chǎn)生的氫氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐當(dāng)中[68]，如果儲(chǔ)氫罐容量達(dá)到上限，剩余電量可銷(xiāo)售給大電網(wǎng)。

2)當(dāng)功率缺額小于等于0時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于放電狀態(tài)：由蓄電池優(yōu)先放電直至荷電狀態(tài)達(dá)到下限時(shí)停止工作，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為氫儲(chǔ)能系統(tǒng)中的燃料電池，燃燒儲(chǔ)存在儲(chǔ)氫罐中的氫氣來(lái)發(fā)電，若儲(chǔ)氫罐中的氫氣儲(chǔ)備量達(dá)到下限時(shí)仍無(wú)法滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求，則轉(zhuǎn)向大電網(wǎng)購(gòu)買(mǎi)電能來(lái)滿足系統(tǒng)功率缺額部分。圖4展示了為相關(guān)的詳細(xì)運(yùn)行策略流程，其中Pcbat_max為蓄電池的最大充電功率；Pdbat_max為蓄電池的最大放電功率；Pe_max為電解槽的最大輸入功率；Pf_max為燃料電池的最大輸出功率。

3.3 優(yōu)化配置目標(biāo)

在過(guò)去的研究中，優(yōu)化配置大多數(shù)只考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性這單一目標(biāo)。如果僅僅采取單一目標(biāo)，可能會(huì)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新能源互補(bǔ)的差異，使得最后產(chǎn)生的優(yōu)化結(jié)果不盡人意。例如只考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，可能在能源波動(dòng)方面就無(wú)法達(dá)到很好的抑制效果。因此采用多目標(biāo)優(yōu)化配置，達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)最優(yōu)是目前的首選[65，69-71]。優(yōu)化配置目標(biāo)如圖5所示。

圖5 優(yōu)化配置目標(biāo)Fig. 5 Optimize configuration objectives

3.3.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)于微電網(wǎng)儲(chǔ)能優(yōu)化方面的研究，選取的目標(biāo)函數(shù)大多數(shù)從其系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行可靠性出發(fā)，在經(jīng)濟(jì)性方面，一般以成本結(jié)合效益的方法來(lái)分析，成本減去效益來(lái)判斷是否符合經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)，表達(dá)式為

(11)

式中：ITNPC為系統(tǒng)總凈現(xiàn)值；E(m)為系統(tǒng)第m年收入；C(m)為系統(tǒng)第m年成本[66]，m為運(yùn)行年限，r0為貼現(xiàn)率，具體效益項(xiàng)目如表6所示。

表6 系統(tǒng)效益項(xiàng)目Tab. 6 System benefit project

對(duì)于可靠性，一般以風(fēng)、光功率波動(dòng)平抑[14]、負(fù)載失電率、能量過(guò)剩率等來(lái)分析。而對(duì)于多個(gè)可靠性指標(biāo)，可將其賦予相同權(quán)重轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可靠性指標(biāo)[72]。

3.3.2 約束條件

針對(duì)不同系統(tǒng)所建立的目標(biāo)，一般會(huì)有一定約束，大多數(shù)從電源側(cè)和儲(chǔ)能系統(tǒng)方面來(lái)考慮，基本包括微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡約束、各裝置(蓄、氫等儲(chǔ)能設(shè)備)容量約束電池的充放電深度約束等[73]。文獻(xiàn)[74]根據(jù)不同儲(chǔ)能的特質(zhì)，考慮一種基于充放電功率分配的能量協(xié)調(diào)控制策略，以儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、負(fù)荷缺電率、自主運(yùn)行能力對(duì)其加以約束；文獻(xiàn)[75]確定目標(biāo)以及運(yùn)行控制策略后，除裝機(jī)數(shù)量約束、充放電功率和深度約束外，對(duì)于系統(tǒng)多余傳送給大電網(wǎng)的功率也進(jìn)行一定約束。

3.3.3 算法求解

對(duì)于儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化問(wèn)題一般采用智能算法進(jìn)行求解，例如粒子群算法[76]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[77]、遺傳算法[78]等。而對(duì)于多目標(biāo)問(wèn)題，常規(guī)的算法可能存在求解過(guò)程中尋優(yōu)收斂速度過(guò)慢、容易陷入局部最優(yōu)解、精確度不夠等問(wèn)題，通過(guò)改進(jìn)后的算法能更好地求取最優(yōu)解[79]，更好地滿足微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性。例如通過(guò)改進(jìn)后的鯨魚(yú)算法[27]、改進(jìn)后的混沌粒子群優(yōu)化算法[80]等。

3.4 目前存在的問(wèn)題以及研究重點(diǎn)

作為未來(lái)的新型綠色能源載體，氫能與傳統(tǒng)電能結(jié)合形成的氫儲(chǔ)能系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域[22]。當(dāng)前氫儲(chǔ)能的發(fā)展會(huì)受到技術(shù)和材料的限制，所以還存在效率較低和成本過(guò)高的問(wèn)題。往后的重點(diǎn)應(yīng)該集中在電解槽和燃料電池的技術(shù)研發(fā)、儲(chǔ)氫材料的研究以及氫儲(chǔ)能性能的綜合評(píng)估上。

此外，對(duì)于雙碳背景下電-氫結(jié)構(gòu)的新型儲(chǔ)能系統(tǒng)作用于微電網(wǎng)中時(shí)，合理的容量配置能使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，而氫儲(chǔ)能對(duì)于低碳環(huán)保方面研究還需更加深入，碳排放指標(biāo)可作為日后研究的一項(xiàng)重點(diǎn)[81-83]，因此在今后的研究中應(yīng)圍繞氫儲(chǔ)能的制、儲(chǔ)、運(yùn)、用4個(gè)環(huán)節(jié)，包含蓄電池一起建設(shè)完善的電-氫體混合儲(chǔ)能體系，加大氫能源的微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的互動(dòng)性，從而促進(jìn)我國(guó)的能源轉(zhuǎn)型[84-85]。

4 相關(guān)研究與未來(lái)展望

4.1 包含氫儲(chǔ)能的多微電網(wǎng)系統(tǒng)電價(jià)交易研究

目前，在儲(chǔ)能規(guī)劃問(wèn)題上，關(guān)于含氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)之間的交易研究較少，而在一些研究里，并沒(méi)有考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法滿足負(fù)荷功率缺額時(shí)的情況。針對(duì)某地區(qū)的風(fēng)、光預(yù)測(cè)以及微電網(wǎng)系統(tǒng)一年內(nèi)的功率變化配置滿足經(jīng)濟(jì)性和可靠性的電氫混合儲(chǔ)能容量，而在實(shí)際情況中，風(fēng)、光具有的不確定性使得在風(fēng)、光、儲(chǔ)出力后負(fù)荷需求仍不能被滿足的情況偶有發(fā)生，可考慮通過(guò)電力交易機(jī)構(gòu)向大電網(wǎng)購(gòu)電，若購(gòu)買(mǎi)電量滿足負(fù)荷缺額部分，可將此部分通過(guò)電解水產(chǎn)氫并儲(chǔ)存于儲(chǔ)氫罐中；相反，若風(fēng)、光出力已經(jīng)可以滿足負(fù)荷功率需求，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)存量又達(dá)到上限，這時(shí)可以將系統(tǒng)多余電量售賣(mài)給大電網(wǎng)，這樣，在儲(chǔ)能容量配置優(yōu)化能滿足微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)和可靠的指標(biāo)、負(fù)荷需求時(shí)，又可合理消納多余電量。目前電解水制氫成本較高，系統(tǒng)需要考慮降低整體成本問(wèn)題，因此可深度考慮研究含有氫儲(chǔ)的微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的電價(jià)交易。圖6為含氫儲(chǔ)能的微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交易結(jié)構(gòu)。

圖6 含氫儲(chǔ)能的微電網(wǎng)與大電網(wǎng)交易結(jié)構(gòu)Fig. 6 Transaction structure diagram of microgrid and power grid containing hydrogen energy storage

4.2 基于博弈論的氫蓄儲(chǔ)能微電網(wǎng)的研究

近些年來(lái)逐漸掀起微電網(wǎng)研究的熱潮，可見(jiàn)，微電網(wǎng)的大面積發(fā)展勢(shì)必會(huì)形成一定規(guī)模的微網(wǎng)群。而在用戶側(cè)的需求響應(yīng)下，大電網(wǎng)的電價(jià)會(huì)受到來(lái)自微網(wǎng)群總需求的一定影響，含氫儲(chǔ)能的微網(wǎng)群中其各個(gè)微網(wǎng)的儲(chǔ)能配置規(guī)模會(huì)影響到從大電網(wǎng)購(gòu)電的數(shù)量?？梢钥闯?，單個(gè)微電網(wǎng)的電氫儲(chǔ)能優(yōu)化配置不僅與其自身分布式電源的發(fā)電量、負(fù)荷需求有關(guān)，并且還和其他微網(wǎng)從大電網(wǎng)購(gòu)電量有一定關(guān)系。因此可以以非合作博弈作為理論基礎(chǔ)，對(duì)微網(wǎng)群中各個(gè)微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化配置展開(kāi)相關(guān)分析，以各微網(wǎng)的日運(yùn)行費(fèi)用最小作為目標(biāo)來(lái)建立非合作博弈模型。優(yōu)化策略可為微網(wǎng)各時(shí)段從大電網(wǎng)的購(gòu)電策略以及電氫儲(chǔ)能容量配置策略[86]?；诜呛献鞑┺牡奈㈦娋W(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置模型如圖7所示。

圖7 基于非合作博弈的微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置模型Fig. 7 Optimal configuration model of microgrid system based on non cooperative game

為了降低微網(wǎng)日能耗費(fèi)用，一方面要對(duì)微網(wǎng)負(fù)荷需求進(jìn)行用能優(yōu)化，另一方面要對(duì)電氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量進(jìn)行合理優(yōu)化，從而有效降低微網(wǎng)費(fèi)用。

目前，對(duì)于微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能博弈方面的研究還不夠深入，未來(lái)可以將氫儲(chǔ)能納入，考慮多目標(biāo)，即經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及氫儲(chǔ)能所具有的環(huán)保性等指標(biāo)之間的博弈。

4.3 包含氫儲(chǔ)能裝置的綜合發(fā)電廠

國(guó)內(nèi)氫能經(jīng)濟(jì)的發(fā)展在中長(zhǎng)期有著無(wú)限可能性。在參觀600 MW的Uckermark互聯(lián)可再生能源發(fā)電廠時(shí)，代表團(tuán)了解了該廠生產(chǎn)電力和綠色氫氣的商業(yè)量。烏克馬克公司表示，由Enertrag作為創(chuàng)始成員的H2Global基金會(huì)以及由此產(chǎn)生的機(jī)會(huì)也是一個(gè)重要的討論話題。

基于氫儲(chǔ)能的綜合發(fā)電廠如圖8所示，其工作原理為：3臺(tái)2 MW的風(fēng)機(jī)正常工作發(fā)電，其產(chǎn)生的大部分電力直接并入電網(wǎng)，一小部分電力用于電解水來(lái)制氫，所產(chǎn)生的氫氣可以就地加壓儲(chǔ)存。另一方面利用附近啤酒廠的生產(chǎn)肥料制造沼氣(即生物質(zhì)能)，將沼氣與氫氣作為燃料進(jìn)行混合發(fā)電，熱電聯(lián)產(chǎn)，產(chǎn)生的電力可以配合風(fēng)力發(fā)電平穩(wěn)地輸入電網(wǎng)，產(chǎn)生的熱能又可以給電廠附近區(qū)域供暖。電解水制氫儲(chǔ)存起來(lái)的氫氣在富余時(shí)還可以輸送到當(dāng)?shù)氐募託湔?，用?lái)給燃料電池汽車(chē)加氫。下一階段將會(huì)繼續(xù)建設(shè)3座電站，投入更多示范設(shè)備并將制備的氫氣并網(wǎng)到天然氣輸送管道中去[22]，這對(duì)于我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電集中開(kāi)發(fā)具有舉足輕重的意義。其中，氫儲(chǔ)能的容量配置十分重要。根據(jù)地區(qū)風(fēng)電年數(shù)據(jù)以及負(fù)荷需求，合理的氫儲(chǔ)能容量配置不僅能滿足發(fā)電廠需求，且氫儲(chǔ)能的能量密度高、運(yùn)行維護(hù)的成本較低，可以作為長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能，不僅如此，其工作過(guò)程無(wú)污染，這對(duì)于當(dāng)前國(guó)際環(huán)境要求以及國(guó)家的雙碳戰(zhàn)略具有重要意義。

圖8 基于氫儲(chǔ)能的綜合發(fā)電廠Fig. 8 Integrated power plant based on hydrogen energy storage

4.4 考慮電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)充電的含氫儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)

耦合可再生能源發(fā)電和氫儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)發(fā)展?jié)摿薮?，是?shí)現(xiàn)能源消費(fèi)清潔低碳的有效途徑。以天然氣-風(fēng)-光-氫綜合能源系統(tǒng)為規(guī)劃對(duì)象，考慮系統(tǒng)輻射區(qū)域的電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)充電需求，文獻(xiàn)[87]表明，與傳統(tǒng)分供系統(tǒng)和聯(lián)網(wǎng)型方案相比，該系統(tǒng)得益于風(fēng)光發(fā)電與氫儲(chǔ)能的協(xié)同，表現(xiàn)出可觀的環(huán)境效益。該系統(tǒng)提供充電服務(wù)是經(jīng)濟(jì)可行的，并且電動(dòng)汽車(chē)在系統(tǒng)內(nèi)充電能夠顯著降低間接碳排放。

基于能源樞紐概念，天然氣-風(fēng)-光-氫IES的基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。該用戶級(jí)的園區(qū)IES主要由4個(gè)部分構(gòu)成：REPG系統(tǒng)、氫儲(chǔ)能系統(tǒng)、CCHP系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備。能量流包括天然氣、氫氣、電力、熱功率和冷功率流。其中，光伏陣列和風(fēng)機(jī)是REPG系統(tǒng)的主要設(shè)備；而電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池是HESS的核心設(shè)備；燃?xì)廨啓C(jī)、吸收式制冷機(jī)和余熱鍋爐則是CCHP系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備；輔助設(shè)備主要包括電制冷機(jī)和燃?xì)忮仩t[87]。

圖9 包含電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)充電的含氫儲(chǔ)能的綜合能源系統(tǒng)Fig. 9 Integrated energy system containing hydrogen energy storage including random charging of electric vehicles

氫儲(chǔ)能的高成本仍是其應(yīng)用的關(guān)鍵障礙之一，因此，在滿足其他資源和布局環(huán)境要求的前提下，可優(yōu)先考慮在有氫氣負(fù)荷的工業(yè)園區(qū)布局以及氫儲(chǔ)能容量裝置的優(yōu)化。園區(qū)用電負(fù)荷由光伏、風(fēng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行供應(yīng)，并且系統(tǒng)要滿足電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)充電的需求；熱負(fù)荷則由余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t來(lái)供應(yīng)；冷負(fù)荷由吸收式制冷機(jī)和電制冷機(jī)供應(yīng)。氫氣負(fù)荷的供給來(lái)自2種情況：1)當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)電力供應(yīng)過(guò)剩時(shí)，富余的電力用于電解水制氫；2)外購(gòu)的氫氣采用長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸。燃料電池向系統(tǒng)放電時(shí)，燃料來(lái)自電解水制取的氫氣或外購(gòu)氫氣，這將取決于整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境表現(xiàn)的優(yōu)化，此時(shí)氫儲(chǔ)能裝置的容量配置就十分重要了，合理的容量配置會(huì)直接影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境表現(xiàn)?；谏鲜黾軜?gòu)，對(duì)構(gòu)建的IES進(jìn)行容量?jī)?yōu)化配置。

4.5 氫儲(chǔ)能耦合天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)

除了作為微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能部分外，氫能在電力系統(tǒng)也有許多新的應(yīng)用，例如氫燃料電池。在燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)的研究方面，氫能燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)模式、氫燃料化學(xué)鏈燃燒燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)、氫氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)、氫氣燃?xì)饣旌衔⑿腿細(xì)廨啓C(jī)燃燒工況的CFD數(shù)值模擬等在近些年來(lái)都有不斷的研究。盡管許多學(xué)者對(duì)氫氣燃?xì)獾娜紵匦院蜌錃庹羝?lián)合循環(huán)做了詳細(xì)研究，但考慮氫儲(chǔ)能和氫氣天然氣混合氣體的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的研究較少，對(duì)此系統(tǒng)也未進(jìn)行能效分析。

針對(duì)以上問(wèn)題，提出一種新的氫儲(chǔ)能耦合天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)(HGSCC)，并對(duì)其進(jìn)行能量分析和其他分析。建立氫儲(chǔ)能耦合天然氣燃?xì)庹羝?lián)產(chǎn)循環(huán)系統(tǒng)的能量分析和分析模型，通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)的能量效率和效率進(jìn)行計(jì)算，分析整個(gè)系統(tǒng)的性能，得出最優(yōu)參數(shù)。

氫儲(chǔ)能耦合天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)如圖10所示，該系統(tǒng)的組成部分包括電解池、壓縮氫氣儲(chǔ)室、燃燒室、燃?xì)廨啓C(jī)以及余熱鍋爐。系統(tǒng)輸出能量為電能和熱能，依靠混合氣體在燃燒室燃燒，從而產(chǎn)生高溫高壓氣體來(lái)推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)作產(chǎn)生電能，待燃?xì)廨啓C(jī)做功后的氣體進(jìn)入余熱鍋爐，余熱鍋爐直接利用燃?xì)廨啓C(jī)的熱量，將一部分用于加熱給水，然后產(chǎn)生高溫高壓蒸汽在蒸汽輪機(jī)做工，而另一部分則用于加熱質(zhì)子交換膜(PEM)電解槽給水。主要包括電解水制氫、地下儲(chǔ)氫、氫氣天然氣混燃、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)4個(gè)過(guò)程[29]。但目前對(duì)于氫儲(chǔ)能在天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的規(guī)模配置優(yōu)化還未像微電網(wǎng)電氫混合儲(chǔ)能那樣根據(jù)氫儲(chǔ)能各個(gè)特性來(lái)進(jìn)一步挖掘，未來(lái)可作深入研究。

圖10 氫儲(chǔ)能耦合天然氣燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)Fig. 10 Hydrogen energy storage coupled natural gas gas steam combined cycle system

5 結(jié)語(yǔ)

氫能源是未來(lái)可以同時(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的綠色能源，是未來(lái)能源的發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)風(fēng)光等可再生能源電解水制氫儲(chǔ)能可以極大地提高電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，且?guī)缀鯚o(wú)污染排放，是一種應(yīng)用前景廣闊的儲(chǔ)能形式。本文根據(jù)氫儲(chǔ)能的特點(diǎn)，結(jié)合蓄電池，形成電-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，分析氫儲(chǔ)能制氫、產(chǎn)電原理，并對(duì)該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)容量?jī)?yōu)化配置問(wèn)題中的建模、求解、運(yùn)行策略進(jìn)行詳細(xì)闡述。最后，對(duì)氫儲(chǔ)能在電價(jià)交易、綜合電廠和綜合能源系統(tǒng)等方面進(jìn)行一定延伸?；谝陨戏治?，提出以下建議：

1)我國(guó)應(yīng)積極布局可再生能源發(fā)電與電-氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，加大風(fēng)電、光伏等可再生能源制氫裝置研究，從底層優(yōu)化制氫效率；

2)明確氫能發(fā)展定位，給予氫能產(chǎn)業(yè)完善的政策支持，促進(jìn)氫能在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展，加速推進(jìn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和工作；

3)大力發(fā)展電解水制氫技術(shù)，利用棄風(fēng)、棄光、棄水資源制取“綠氫”，解決電解水制氫經(jīng)濟(jì)性難題及能源浪費(fèi)問(wèn)題；

4)完善氫儲(chǔ)能微電網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的電價(jià)交易市場(chǎng)；

5)除微電網(wǎng)外，可探索電-氫儲(chǔ)能在綜合能源系統(tǒng)等其他方向的應(yīng)用。