含氫儲(chǔ)能的公路交通風(fēng)、光自洽微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度策略研究

收稿日期：2022-07-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB2601300；2021YFB1600200）

通信作者：賈利民（1963—），男，博士、教授，主要從事交通控制與安全、智能交通系統(tǒng)、能源與交通融合等方面的研究。jialm@vip.sina.com.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1066 文章編號(hào)：0254-0096（2023）11-0513-09

摘 要：該文構(gòu)建以服務(wù)區(qū)微網(wǎng)凈收益最大化為目標(biāo)，以微網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡為約束，包括蓄電池與氫能兩種儲(chǔ)能單元在內(nèi)的風(fēng)、光發(fā)電服務(wù)區(qū)微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型。采用CPLEX求解器進(jìn)行求解，并對(duì)純蓄電池、純氫儲(chǔ)能、蓄電池與氫儲(chǔ)能混合系統(tǒng)3種不同配置方案下的優(yōu)化策略進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：含氫儲(chǔ)能的方案提升了風(fēng)、光資源利用率的同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)供電可靠性，驗(yàn)證了該方案下優(yōu)化調(diào)度策略的有效性。

關(guān)鍵詞：可再生能源；氫儲(chǔ)能；微電網(wǎng)；電力負(fù)荷調(diào)度；交通與能源融合；公路服務(wù)區(qū)

中圖分類號(hào)：TM919 """""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

資源緊缺、氣候變化、環(huán)境污染給人類帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］，能源與交通作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)體系最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和集大成者特征的科技領(lǐng)域，亟需重大變革以引領(lǐng)和塑造經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式［2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施蘊(yùn)含的風(fēng)、光可再生能源稟賦開(kāi)發(fā)利用開(kāi)展了相關(guān)的可行性研究［3］。文獻(xiàn)［4］提出一種在車輛上安裝小型風(fēng)力渦輪機(jī)提供動(dòng)力的解決方案。文獻(xiàn)［5-6］探索在道路上方鋪設(shè)光伏組件收集相關(guān)交通基礎(chǔ)設(shè)施能源。文獻(xiàn)［7］提出一種可在城市道路運(yùn)行的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)。文獻(xiàn)［8］研究直接以風(fēng)能為電動(dòng)汽車充電站供電的可行性。盡管這些研究探討了可再生能源在公路交通領(lǐng)域的應(yīng)用可能性，但忽視了其波動(dòng)性和時(shí)效性對(duì)交通供電可靠性與電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

同時(shí)，在純可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，學(xué)者們針對(duì)風(fēng)、光資源的波動(dòng)性和時(shí)效性開(kāi)展了靈活的需求管理和智能能源管理的相關(guān)研究［9-13］。文獻(xiàn)［14］提出一種孤島場(chǎng)景下就地發(fā)電機(jī)與可再生能源發(fā)電成本最優(yōu)的微電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法。文獻(xiàn)［15］從微網(wǎng)實(shí)時(shí)調(diào)度需求出發(fā)，構(gòu)建同時(shí)尋求儲(chǔ)能單元放電機(jī)會(huì)成本和邊際充電成本的最優(yōu)調(diào)度模型。文獻(xiàn)［16］建立了含柴油發(fā)電機(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池的微網(wǎng)運(yùn)行成本優(yōu)化模型。上述研究雖考慮了新能源發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)性與時(shí)效性因素，但仍無(wú)法滿足電力生產(chǎn)與需求之間的實(shí)時(shí)自洽平衡。

中國(guó)西部地區(qū)具有負(fù)荷小、無(wú)電網(wǎng)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)以柴油發(fā)電為主的離網(wǎng)運(yùn)行方式能耗高、污染重。而公路交通系統(tǒng)自洽是指充分利用公路基礎(chǔ)設(shè)施蘊(yùn)含的風(fēng)、光可再生清潔能源，為道路交通系統(tǒng)提供清潔、自洽的電能和氫能，實(shí)現(xiàn)道路交通系統(tǒng)能源需求的分布式自洽供給［17］。因此，本文提出一種基于氫儲(chǔ)能、充分利用當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)、光自然資源稟賦，為公路交通系統(tǒng)提供自洽供給清潔能源的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行策略，也為解決中國(guó)西部無(wú)電地區(qū)公路交通系統(tǒng)“雙碳”目標(biāo)提供系統(tǒng)解決方案。

1 公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與東部地區(qū)相比，西部地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱、站點(diǎn)間距離過(guò)長(zhǎng)等特性決定了西部微網(wǎng)交流中低壓孤島的運(yùn)行方式。西部地區(qū)典型微網(wǎng)主要以風(fēng)、光為主要能源輸入，通過(guò)能量管理中心的調(diào)度滿足發(fā)電單元與負(fù)荷之間的供需平衡，如圖1所示。能量管理中心需滿足不同服務(wù)區(qū)等級(jí)及服務(wù)設(shè)施的多種用電類型供電可靠性，還需保證具有波動(dòng)性和間歇性的風(fēng)、光資源的能源利用率，除此之外還要考慮系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，在微網(wǎng)系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著重要任務(wù)。為滿足微網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，能量管理中心應(yīng)采用一種適用于不同等級(jí)高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)的能量調(diào)度策略，本文提出的公路自洽微網(wǎng)系統(tǒng)基于交通基礎(chǔ)設(shè)施用電類型、運(yùn)行負(fù)荷及發(fā)電單元運(yùn)行特性，制定具有針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)度方案，利用風(fēng)、光互補(bǔ)特性及蓄電池、氫能發(fā)電系統(tǒng)等儲(chǔ)能單元的可控特性，獲得自身制氫、微網(wǎng)間購(gòu)/售氫最佳的、保證供電可靠性的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性優(yōu)化調(diào)度方案。

2 公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 分布式能源模型

2.1.1 風(fēng)電機(jī)組出力模型

中國(guó)地域遼闊，風(fēng)能資源豐富，有廣闊的開(kāi)發(fā)潛力［18］，風(fēng)能［19］在高速公路上可方便地應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)、照明、收費(fèi)系統(tǒng)以及配套設(shè)施的電能供應(yīng)。

裝機(jī)容量[PE]是指電力系統(tǒng)實(shí)際安裝的發(fā)電機(jī)組額定有效功率的總和，其計(jì)算方法為：

[PE=i=1nNi?Pi]"""" （1）

式中：[Ni]——該區(qū)域內(nèi)[i]型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的安裝數(shù)量，個(gè)；[Pi]——道路沿線某路段或某服務(wù)區(qū)周邊[i]型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，MW。

公路沿線風(fēng)能發(fā)電潛力[Pdj]為：

[Pdj=503k=1nη?t?PE]""" （2）

式中：[Pdj]——服務(wù)區(qū)第[j]時(shí)的風(fēng)能發(fā)電潛力，kWh；[n]——高速公路服務(wù)區(qū)總數(shù)，個(gè)；[k]——高速公路第[k]個(gè)服務(wù)區(qū)；[η]——發(fā)電效率；[t]——不同風(fēng)資源區(qū)典型日24 h有效風(fēng)速在2.5～25 m/s區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)，min。

2.1.2 光伏機(jī)組發(fā)電量模型

太陽(yáng)能資源是指可利用的太陽(yáng)輻射能。中國(guó)地處北半球歐亞大陸東部，主要處于溫帶和亞熱帶，具有較豐富的太陽(yáng)能資源。公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)光伏機(jī)組發(fā)電量模型為：

[Pt（t）=100SESσ（t）]""""" （3）

式中：[Pt（t）]——[t]時(shí)刻（間隙為1 h）的光伏機(jī)組發(fā)電量，kWh；[SE]——實(shí)際光伏設(shè)備可鋪設(shè)面積，m2；[S]——建設(shè)10 MW（即1萬(wàn)kW）光伏發(fā)電站用地面積，m2；[σ（t）]——[t]時(shí)刻該地區(qū)單位裝機(jī)容量可發(fā)電量，kWh。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)2015年國(guó)土資源部發(fā)布的《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)》［20］。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

2.2.1 蓄電池模型

在能量?jī)?yōu)化調(diào)度過(guò)程中，根據(jù)充放電過(guò)程中直流母線側(cè)的電池功率計(jì)算蓄電池的剩余能量：

[Ebat（t）=Ebat（t-1）×（1-α）+Δt×Pcbat（t-1）×ηcbat-Pdbat（t-1）ηdbat]

（4）

式中：[Ebat（t）]——[t]時(shí)刻的蓄電池電量，kWh；[α]——蓄電池的自放電系數(shù)，取0.001/h；[Δt]——步長(zhǎng)，1 h；[Pcbat]——蓄電池充電功率，kW；[Pdbat]——蓄電池放電功率，kW；[ηcbat]——蓄電池充電效率，取0.9；[ηdbat]——蓄電池放電效率，取0.9。

2.2.2 氫能發(fā)電系統(tǒng)模型

1）電解槽模型

堿式電解槽是大規(guī)模制氫的首選裝置，其原理是將水電解為氫氣和氧氣［21］。

電解槽輸出功率為：

[PH1=ηele?Pele]"""" （5）

式中：[ηele]——電解槽效率，取0.6；[Pele]——電解槽輸入功率，kW。

2）儲(chǔ)氫罐模型

儲(chǔ)氫罐的主要作用：一是存儲(chǔ)由電解槽產(chǎn)生的氫氣；二是為燃料電池供給氫氣。

儲(chǔ)氫罐數(shù)學(xué)模型為：

[Hbat（t）=Hbat（t-1）+ηele?Pele（t-1）?ΔtQH-Pfc（t-1）?Δtηfc×QH]""" （6）

式中：[Hbat（t）]——[t]時(shí)刻儲(chǔ)氫罐剩余容量，kg；[QH]——?dú)涞臒嶂?，?9.54 kWh/kg；[Pfc（t-1）]——[t-1]時(shí)刻燃料電池的輸出功率，kW；[ηfc]——燃料電池的工作效率，取0.5。

3）燃料電池模型

氫能源轉(zhuǎn)換為電能主要有氫燃料電池與氫燃料內(nèi)燃機(jī)兩種方式。在污染物排放方面，由于氫燃料電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，反應(yīng)過(guò)程中只產(chǎn)生水［22］，而氫燃料內(nèi)燃機(jī)燃燒時(shí)，不具備零污染物排放特性，會(huì)伴隨有氮氧化物的排放［23］。在轉(zhuǎn)換效率方面，當(dāng)前工程化的氫燃料電池效率接近60%，其理論效率則高達(dá)90%［24］，而氫燃料內(nèi)燃機(jī)效率的轉(zhuǎn)化效率僅為30%～40%，遠(yuǎn)低于氫燃料電池。

因此，氫燃料電池與氫燃料內(nèi)燃機(jī)雖都能實(shí)現(xiàn)完全脫碳，但相對(duì)氫燃料內(nèi)燃機(jī)而言，氫燃料電池?zé)o污染物排放，更加環(huán)保；同時(shí)，兩者效率相差懸殊，在制備同樣電能情況下，氫燃料電池所需供氫量?jī)H為氫燃料內(nèi)燃機(jī)的一半，因而更適配公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)的需求。

常見(jiàn)的固體氧化物燃料電池的輸出功率為：

[Pfc=ηfc?PH2]"""""" （7）

式中：[PH2]——儲(chǔ)氫罐到燃料電池的輸入功率，kW。

2.3 負(fù)荷模型

公路自洽微網(wǎng)系統(tǒng)用電負(fù)荷按負(fù)荷聚集場(chǎng)景分為服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、隧道、橋梁及道路沿線5大類；根據(jù)用電負(fù)荷實(shí)現(xiàn)功能分為監(jiān)控設(shè)施、服務(wù)設(shè)施及信息化設(shè)施3種，如表1所示。

本文針對(duì)高速公路基礎(chǔ)設(shè)施能耗，按負(fù)荷聚集場(chǎng)景分析其用能需求?；A(chǔ)設(shè)施能耗測(cè)算模型為：

[Q=Qf+Qs+Qb+Qt+Qr] （8）

式中：[Q]——基礎(chǔ)設(shè)施能耗，kWh；[Qf]——服務(wù)區(qū)能耗，kWh；[Qs]——隧道能耗，kWh；[Qb]——橋梁能耗，kWh；[Qt]——收費(fèi)站能耗，kWh；[Qr]——道路沿線設(shè)備能耗，kWh。

2.3.1 服務(wù)區(qū)能耗模型

服務(wù)區(qū)能耗主要分為餐廳、超市、客房、辦公區(qū)、加油站等場(chǎng)所能耗，其計(jì)算模型為：

[Qf=（14.63+15.8+108.43）×Sf]""" （9）

式中：[Sf]——服務(wù)區(qū)的建筑面積，m2。

2.3.2 隧道能耗模型

高速公路的隧道為保障行車安全，需配備通風(fēng)、照明、監(jiān)控、通信等系統(tǒng)。其能耗模型為：

[Qs=351Ls+210782.8ns]"""""" （10）

式中：[Ls]——隧道總長(zhǎng)度，m；[ns]——該段隧道總條數(shù)。

2.3.3 橋梁能耗模型

橋梁周邊用電設(shè)備種類繁多，為保障行車安全，高速公路的橋梁需配備照明、監(jiān)控、通信、應(yīng)急電力系統(tǒng)等系統(tǒng)。其能耗模型為：

[Qb=140.438Lq-438]"""" （11）

式中：[Lq]——橋梁長(zhǎng)度，m。

2.3.4 收費(fèi)站能耗模型

高速公路收費(fèi)站主要能耗來(lái)源于收費(fèi)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、日常管理辦公，其模型為：

[Qt=328nt]"""" （12）

式中：[nt]——收費(fèi)站數(shù)量，個(gè)。

2.3.5 沿線設(shè)備能耗模型

高速公路沿線主要耗能設(shè)備為車輛檢測(cè)器與緊急電話，其能耗模型為：

[Qr=0.438L-438]"" （13）

式中：[L]——高速公路全長(zhǎng)，m。

3 公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化模型

為使本文構(gòu)建的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)更適配實(shí)際應(yīng)用需求，本節(jié)構(gòu)建針對(duì)不同需求的目標(biāo)函數(shù)及約束條件。

3.1 目標(biāo)函數(shù)

針對(duì)不同服務(wù)區(qū)場(chǎng)景實(shí)際情況下的不同需求，選取3個(gè)優(yōu)化子目標(biāo)函數(shù)，分別為日運(yùn)行成本[g1]、停電成本[g2]和氫交易成本[g3]。不同服務(wù)區(qū)對(duì)上述3種優(yōu)化子目標(biāo)有不同需求，本文應(yīng)用線性加權(quán)求和法不僅可通過(guò)改變權(quán)重系數(shù)[m1、m2、m3]從而適應(yīng)優(yōu)化需求，也可將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

目標(biāo)函數(shù)為：

[minf=m1?g1+m2?g2+m3?g3]"""""" （14）

1）日運(yùn)行成本

[g1=cpv+cwt+cbat+cH] （15）

式中：[g1]——微網(wǎng)一天運(yùn)行維護(hù)成本，元；[cpv]——光伏系統(tǒng)日運(yùn)行成本，元；[cwt]——風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)日運(yùn)行成本，元；[cbat]——蓄電池日運(yùn)行成本，元；[cH]——?dú)淠芟到y(tǒng)日運(yùn)行成本，元。

2）停電成本

[g2=1+PLoad-Ppv-Pwt-Pdbat+Pcbat+Pele-Pfc+Psale-PbuyPLoad×"""""""" Δt×CHQH]""""""""""""""" （16）

式中：[g2]——微網(wǎng)停電成本，元；[PLoad]——負(fù)荷出力，kW；[Ppv]——光伏出力，kW；[Pwt]——風(fēng)電機(jī)組出力，kW；[Pfc]——燃料電池出力，kW；[Psale]——?dú)浣灰纂娊獠鄢隽?，kW；[Pbuy]——?dú)浣灰兹剂想姵爻隽Γ琸W；[CH]——?dú)鋬r(jià)格，取30元/kg。

3）氫交易成本

[g3=CH×PbuyQH×ηfc-CH×Psale×ηeleQH]""""" （17）

式中：[g3]——微網(wǎng)氫交易成本，元。

3.2 約束條件

3.2.1 蓄電池約束

1）蓄電池容量約束

[Ebatmin≤Ebat（t）≤Ebatmax]"""" （18）

式中：[Ebat（t）]——蓄電池的剩余容量，kWh；[Ebatmin]——蓄電池容量下限，kWh；[Ebatmax]——蓄電池容量上限，kWh。

2）蓄電池充放電功率約束

[0≤Pdbat（t）≤Pdbatmax]"""" （19）

[0≤Pcbat（t）≤Pcbatmax]""""" （20）

式中：[Pdbatmax]——蓄電池最大放電功率，kW；[Pcbatmax]——蓄電池最大充電功率，kW。

3.2.2 氫能發(fā)電系統(tǒng)約束

1）儲(chǔ)氫罐容量約束

[Hbatmin≤Hbat（t）≤Hbatmax]""" （21）

式中：[Hbat（t）]——儲(chǔ)氫罐剩余容量，kg；[Hbatmin]——儲(chǔ)氫罐剩余容量的最小值，kg；[Hbatmax]——儲(chǔ)氫罐剩余容量的最大值，kg。

2）電解槽功率限制

[0≤Pele（t）≤Pelemax]" （22）

式中：[Pelemax]——電解槽最大功率，kW。

3）燃料電池功率限制

[0≤Pfc（t）≤Pfcmax]"""" （23）

式中：[Pfcmax]——燃料電池最大功率，kW。

3.2.3 微網(wǎng)功率平衡約束

在任意時(shí)刻都要保證各發(fā)電單元和儲(chǔ)能裝置的輸出功率滿足負(fù)荷要求。

[PLoad-Ppv-Pwt=Pdbat-Pcbat-Pele+Pfc-Psale+Pbuy] （24）

4 求解流程

本文所求含氫儲(chǔ)能與風(fēng)、光可再生能源的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題為線性化處理后的凸優(yōu)化問(wèn)題。決策手段是多分布式電源出力、蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，降低公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本，同時(shí)保證能源利用效率與系統(tǒng)供電可靠性。具體計(jì)算流程為：

1）調(diào)研目標(biāo)地區(qū)風(fēng)光資源分布情況及風(fēng)電機(jī)組、光伏組件可裝機(jī)容量，進(jìn)而確定風(fēng)光出力。

2）調(diào)研目標(biāo)地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況，計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施能源需求。

3）綜合考慮供電可靠性、能源利用效率及經(jīng)濟(jì)成本的前提下，配置適配對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

4）考慮各分布式能源系統(tǒng)與混合儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)約束與系統(tǒng)功率平衡約束，以微網(wǎng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)構(gòu)建調(diào)度優(yōu)化模型，求解最優(yōu)調(diào)度方案。

計(jì)算過(guò)程中，設(shè)一天（24 h）為一個(gè)調(diào)度周期。調(diào)度間隔最小單位為1 h。本文提出的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型是混合整數(shù)線性規(guī)劃（mixed integer linear programming， MILP）問(wèn)題，本文采用Yalmip建模工具箱，在Matlab環(huán)境下搭建含氫儲(chǔ)能與風(fēng)、光可再生能源的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度程序，使用 CPLEX求解器中的分支定界法對(duì)所建模型進(jìn)行優(yōu)化，在保證計(jì)算時(shí)間的同時(shí)獲得了良好精度。詳細(xì)求解流程如圖2所示。

5 算例分析

5.1 算例來(lái)源

為驗(yàn)證本文模型和方法的有效性，以中國(guó)西部某高速公路服務(wù)區(qū)為例，參考文獻(xiàn)［25］相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)微網(wǎng)內(nèi)各分布式單元出力策略開(kāi)展連續(xù)24 h的典型日運(yùn)行優(yōu)化調(diào)度。

本文算例中高速公路服務(wù)區(qū)可再生能源出力及負(fù)荷如圖3所示。分析圖3可知，風(fēng)能出力一天內(nèi)波動(dòng)較大，峰值出現(xiàn)在夜間，谷值出現(xiàn)在中午；光伏發(fā)電工作在06：00—19：00時(shí)段，峰值出現(xiàn)在中午13：00，光伏和風(fēng)能出力呈現(xiàn)出一定的互補(bǔ)性。負(fù)荷一天內(nèi)波動(dòng)較大，白天負(fù)荷需求大，夜間較小。風(fēng)能出力能夠基本滿足夜間負(fù)荷需求，光伏出力能夠彌補(bǔ)白天風(fēng)能出力不足。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)滿足高速公路服務(wù)區(qū)負(fù)荷需求有良好的適應(yīng)性。

微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各類發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行費(fèi)用及懲罰系數(shù)參考文獻(xiàn)［13， 26-27］，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

5.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證氫能系統(tǒng)應(yīng)用于服務(wù)區(qū)微網(wǎng)的合理性，本文提出僅考慮蓄電池的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)、含蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)的公路自洽微網(wǎng)系統(tǒng)及含蓄電池、氫能發(fā)電系統(tǒng)與氫交易的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)3種調(diào)度場(chǎng)景。

1）場(chǎng)景1：僅考慮蓄電池的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)

該場(chǎng)景下，系統(tǒng)除風(fēng)、光出力及負(fù)荷外，僅考慮蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。本文在該場(chǎng)景下采用高速公路服務(wù)區(qū)風(fēng)、光及負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行蓄電池容量配置與調(diào)度優(yōu)化。通過(guò)結(jié)果對(duì)比，分析和驗(yàn)證蓄電池轉(zhuǎn)移風(fēng)、光出力性能。

2）場(chǎng)景2：含蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)的公路自洽微網(wǎng)系統(tǒng)

該場(chǎng)景下，系統(tǒng)除風(fēng)、光出力及負(fù)荷外，蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)共同進(jìn)行儲(chǔ)能。本文在該場(chǎng)景下采用高速公路服務(wù)區(qū)風(fēng)、光及負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行蓄電池及氫能發(fā)電系統(tǒng)容量配置與調(diào)度優(yōu)化。通過(guò)結(jié)果對(duì)比，分析和驗(yàn)證蓄電池及氫能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移風(fēng)、光出力性能。結(jié)合場(chǎng)景1分析氫能發(fā)電系統(tǒng)的加入對(duì)系統(tǒng)各微源出力及系統(tǒng)各類指標(biāo)的影響。

3）場(chǎng)景3：含蓄電池、氫能發(fā)電系統(tǒng)與氫交易的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)

該場(chǎng)景下，系統(tǒng)除風(fēng)、光出力及負(fù)荷外，蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)共同進(jìn)行儲(chǔ)能。本文針對(duì)該場(chǎng)景采用高速公路服務(wù)區(qū)風(fēng)、光及負(fù)荷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及氫交易系統(tǒng)對(duì)功率不平衡部分進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行蓄電池及氫能發(fā)電系統(tǒng)的容量配置與調(diào)度優(yōu)化。通過(guò)結(jié)果對(duì)比，分析和驗(yàn)證蓄電池及氫能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)移風(fēng)、光出力性能。結(jié)合場(chǎng)景1、2分析氫交易系統(tǒng)的加入對(duì)系統(tǒng)各微源出力及系統(tǒng)各類指標(biāo)的影響。

5.3 運(yùn)行結(jié)果分析

1）場(chǎng)景1：僅考慮蓄電池的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)

為研究高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)能量一天內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度情況，僅考慮蓄電池儲(chǔ)能場(chǎng)景下蓄電池荷電狀態(tài)變化和系統(tǒng)分布式單元出力如圖4所示。

分析圖4可知，在00：00—06：00時(shí)段主要由風(fēng)能滿足服務(wù)區(qū)負(fù)荷需求，蓄電池消納多余風(fēng)電出力。在07：00—19：00時(shí)段風(fēng)光同時(shí)出力滿足負(fù)荷需求，風(fēng)光不足出力由蓄電池補(bǔ)給。20：00—24：00時(shí)段由風(fēng)能滿足服務(wù)區(qū)負(fù)荷，蓄電池處于容量限制下限，但仍有部分需求無(wú)法滿足。

2）場(chǎng)景2：含蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)的公路自洽微網(wǎng)系統(tǒng)

含蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)場(chǎng)景下蓄電池荷電狀態(tài)與儲(chǔ)氫罐容量狀態(tài)變化及系統(tǒng)分布式單元出力如圖5所示。

分析圖5可知，在00：00—06：00時(shí)段主要由風(fēng)能滿足服務(wù)區(qū)負(fù)荷需求，蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)消納多余風(fēng)電出力，減少棄風(fēng)現(xiàn)象。在07：00—19：00時(shí)段風(fēng)光同時(shí)出力滿足負(fù)荷需求，風(fēng)光不足出力由蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)補(bǔ)給。20：00—24：00時(shí)段由風(fēng)能滿足服務(wù)區(qū)負(fù)荷，蓄電池與儲(chǔ)氫罐處于容量限制下限，但仍有部分需求無(wú)法滿足。

3）場(chǎng)景3：含蓄電池、氫能發(fā)電系統(tǒng)與氫交易的公路交通自洽微網(wǎng)系統(tǒng)

含蓄電池、氫能發(fā)電系統(tǒng)與氫交易場(chǎng)景下蓄電池荷電狀態(tài)與儲(chǔ)氫罐容量狀態(tài)變化及系統(tǒng)分布式單元出力如圖6所示。

分析圖6可知，在00：00—06：00時(shí)段主要由風(fēng)能滿足服務(wù)區(qū)負(fù)荷需求，蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)消納多余風(fēng)電出力，減少棄風(fēng)現(xiàn)象。在07：00—19：00時(shí)段風(fēng)光同時(shí)出力滿足負(fù)荷需求，風(fēng)光不足出力由蓄電池與氫能發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)補(bǔ)給。20：00—24：00時(shí)段由風(fēng)能滿足服務(wù)區(qū)負(fù)荷，蓄電池與儲(chǔ)氫罐處于容量限制下限，此時(shí)系統(tǒng)從外部購(gòu)氫，通過(guò)燃料電池來(lái)滿足風(fēng)光未滿足的負(fù)荷需求。

5.4 不同方案對(duì)比分析

為綜合對(duì)比3種調(diào)度策略方案，根據(jù)圖4～圖6的調(diào)度結(jié)果，計(jì)算出不同方案下相關(guān)指標(biāo)如表4所示。

分析表3可知：對(duì)比方案1與方案2，因?yàn)榧尤肓藲淠馨l(fā)電系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本上升0.68%，但因?yàn)闂夛L(fēng)棄光和斷電率的減少，使懲罰成本減少了23.17%，進(jìn)而使綜合成本減少；對(duì)比方案1與方案3，方案3因?yàn)榧尤肓藲浣灰篆h(huán)節(jié)，雖然增加了運(yùn)營(yíng)成本及氫交易成本，但由于提升了風(fēng)光利用率及供電可靠性，從而懲罰成本變?yōu)?；對(duì)比方案2與方案3，與上述情況相同，方案3犧牲一定的經(jīng)濟(jì)性從而提升了系統(tǒng)供電可靠性與能源利用率，后續(xù)加大風(fēng)光出力，通過(guò)賣氫收入，方案3可彌補(bǔ)經(jīng)濟(jì)性的不足。

6 結(jié) 論

針對(duì)獨(dú)立微網(wǎng)傳統(tǒng)的柴油機(jī)組電力供應(yīng)模式污染環(huán)境、風(fēng)光出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性等問(wèn)題，本文考慮高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)凈收益最大，建立含蓄電池、氫能發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)算例分析驗(yàn)證了該方法的有效性，并得到以下主要結(jié)論：

1）本文提出以蓄電池作為高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備，能夠平抑風(fēng)電的波動(dòng)性，具有良好的可調(diào)節(jié)性，保證了服務(wù)區(qū)微網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

2）對(duì)于具有豐富風(fēng)光資源的西部地區(qū)，引入氫能發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)⒎?wù)區(qū)多余風(fēng)光資源轉(zhuǎn)化為氫能。引入氫能發(fā)電系統(tǒng)雖然在系統(tǒng)運(yùn)行成本上有所增加，但產(chǎn)生的氫氣帶來(lái)了客觀的效益，經(jīng)濟(jì)性、供電可靠性及新能源消納率得到提高。

本文提出的含氫能發(fā)電系統(tǒng)的高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行方案更適合風(fēng)光資源豐富的西部地區(qū)。隨著不斷上漲的化石燃料成本、“雙碳”背景下的碳排放懲罰和可再生發(fā)電機(jī)組成本的降低，構(gòu)造一個(gè)100%由可再生能源發(fā)電的高速公路服務(wù)區(qū)微網(wǎng)系統(tǒng)更具有發(fā)展前景。

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RESEARCH ON OPTIMAL DISPATCH STRATEGY OF WIND AND SOLAR SELF-CONSISTENT MICROGRID IN ROAD TRANSPORTATION

SYSTEM WITH HYDROGEN ENERGY STORAGE

Shi Ruifeng1，2，Ning Jin1，Gao Yuqin1，Jia Limin2，3

（1. School of Control and Computer Engineering， North China Electric Power University， Beijing 102206， China；

2. China Institute of Energy and Transportation Integrated Development， North China Electric Power University， Beijing 102206， China；

3. State Key Lab of Rail Traffic Control amp; Safety， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）

Abstract：A microgrid dispatch optimization model with wind and solar power generation， together with battery and hydrogen energy storage system， is proposed in this paper， in which maximum net income of the service area microgrid is employed as optimization objective and the power balance of the microgrid system is employed as the constraint. A CPLEX-based solver is adopted to analyze and optimize the problem， and three optimization schemes are compared for case study， which takes pure battery， pure hydrogen energy storage， and hybrid battery and hydrogen energy storage system into consideration respectively. Experimental results show that the hybrid wind and solar power generation microgrid with hydrogen energy storage system performs better on the indices of resource utilization and power system reliability simultaneously， which verifies the effectiveness of the method proposed in this study.

Keywords： renewable energy； hydrogen energy storage； microgrids； electric load dispatching； transport and energy integration； highway service areas；