基于燃料電池的離網(wǎng)住宅混合可再生能源電力系統(tǒng)能源管理系統(tǒng)優(yōu)化

王金雙, 馬憲偉, 董力文, 蔡曉宇, Mohammad N.A. Abu Gunmi,馬萬里, 呂澤鵬

(1.國網(wǎng)北京市電力公司電纜分公司, 北京 100031; 2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710049)

1 引言

隨著全球能源枯竭與環(huán)境問題日益突出,加快了風(fēng)電、光伏等可再生能源的發(fā)展進程?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)有利于減少傳統(tǒng)發(fā)電方式帶來的碳排放。但是可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)時,其出力的隨機性與間歇性會對電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定帶來一定的影響[1,2]。微電網(wǎng)既能夠并網(wǎng)運行,與大電網(wǎng)相互補充,也可以離網(wǎng)運行,為獨立用戶提供穩(wěn)定電源[3,4]。

目前單一儲能技術(shù)已經(jīng)較為成熟,將儲能技術(shù)應(yīng)用在解決可再生能源發(fā)電的隨機性與波動性的研究也越來越多[5-7]。目前較為常見的儲能形式有:蓄電池儲能、超級電容儲能、燃料電池儲能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能以及抽水儲能[8]。單一儲能應(yīng)用范圍存在局限性,越來越多的學(xué)者開始將混合儲能應(yīng)用于平抑可再生能源出力波動[9,10]。文獻[11]針對微電網(wǎng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)狀態(tài)進行仿真,仿真結(jié)果表明,在離網(wǎng)模式下增加柴油發(fā)電機,可以保證微電網(wǎng)的頻率、功率和電壓穩(wěn)定,從而保證電力可靠性。文獻[12]基于虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator,VSG)并離網(wǎng)切換策略,在混合儲能的超級電容單元引入VSG控制,針對并離網(wǎng)問題切換時主源變換器控制策略改變導(dǎo)致的切換沖擊問題采用兩種策略并行控制,實現(xiàn)了控制模式自適應(yīng)平滑切換。在對經(jīng)濟性研究中,文獻[13]比較使用柴油發(fā)電系統(tǒng)和電解槽-H2儲存-燃料電池系統(tǒng)作為備份源,以成本效益作為目標(biāo)函數(shù),通過比較發(fā)現(xiàn), 電解槽-H2儲存-燃料電池系統(tǒng)具有更好的成本效益和存儲效率。

微電網(wǎng)的能源管理主要包括發(fā)電側(cè)和需求側(cè)的管理。發(fā)電側(cè)管理包括分布式電源、儲能系統(tǒng)、配網(wǎng)側(cè)的管理,需求側(cè)管理主要為分級負荷的管理[14]。文獻[15]通過分析家用電器的運行特性,建立相應(yīng)的負荷模型,以電能和用戶的舒適度為優(yōu)化目標(biāo),建立混合能源協(xié)同控制的智能家庭能源優(yōu)化控制模型,基于改進快速粒子群算法對模型進行仿真計算,說明模型和算法的有效性與可行性。

目前大部分微電網(wǎng)的研究主要是在對并網(wǎng)離網(wǎng)控制切換,微電網(wǎng)經(jīng)濟性、微電網(wǎng)的能源管理等方面。微電網(wǎng)針對一些偏遠地區(qū)無法并網(wǎng)、能源管理需求考慮用戶舒適度且需要長期依靠可再生能源作為主要供能,同時需要解決離網(wǎng)用戶中可再生能源波動性與不確定性的研究還比較少。對于以上問題,本文提出的離網(wǎng)住宅自主混合可再生能源電力與能源管理系統(tǒng)是由光伏發(fā)電系統(tǒng)(Photovoltaics,PV)、燃料電池系統(tǒng)(Fuel Cell system,FC)組成的發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)(Battery system,Ba)、超級電容器系統(tǒng)(SuperCapacitor system,SC)組成的混合儲能系統(tǒng)。電力系統(tǒng)的耦合分為兩種:發(fā)電側(cè)基于電源選擇的監(jiān)控算法以及需求側(cè)基于家電行為優(yōu)化的監(jiān)控算法。這兩種算法是同時在交互式實時環(huán)境中工作的。本文的主要目的是利用燃料電池的長期儲能、蓄電池的中期儲能、超級電容的短期儲能,利用能源管理系統(tǒng)在不中斷電力的情況下保證所有建筑的全天需求,同時考慮到居民的舒適度等幾個方面,降低成本。

2 離網(wǎng)用戶電力系統(tǒng)的主要組成部分

2.1 系統(tǒng)的組成部分

電力系統(tǒng)的總體規(guī)劃如圖1所示。圖1中包含了四個系統(tǒng)PV/FC/Ba/SC和家用電器。住宅主要分為兩部分,一部分為這四個子系統(tǒng),另一部分為電器的類型。所有的系統(tǒng)和設(shè)備都通過能源管理系統(tǒng)(Energy Management System,EMS)連接在一起。每個子系統(tǒng)都需要直流轉(zhuǎn)換器和控制器來控制和管理其運行。表1為離網(wǎng)用戶混合可再生能源系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)各個組成部分的主要功能和特點。結(jié)合各個電源特點設(shè)計一個符合離網(wǎng)用戶日常用電需求模型。

表1 電力系統(tǒng)組成部分的功能和特點Tab.1 Functions and characteristics of power system components

圖1 離網(wǎng)用戶電力仿真系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of power system for off-grid users

太陽能發(fā)電技術(shù)是可再生能源發(fā)電中最重要的技術(shù)之一[16,17]。燃料電池具有高效、低排放、靈活的模塊化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。但太陽能高度依賴氣候,而燃料電池則需要富含氫的燃料。質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)具有壽命長、功率密度高、效率高、啟動速度快等優(yōu)點,是目前最具發(fā)展前景的氫燃料電池。燃料電池是提供可靠穩(wěn)定電源的重要器件,但是由于燃料電池緩慢的熱力學(xué)和電化學(xué)反應(yīng),它們對電負載瞬變的響應(yīng)沒有預(yù)期那么快。因此,燃料電池是一個非線性器件?？紤]到其緩慢變化的動態(tài)特性,可以采用超級電容校正質(zhì)子交換膜燃料電池的功率輸出[18,19]。

2.2 蓄電池與超級電容特性

由于不同的替代電源可以相互補充,多電源混合替代的電力系統(tǒng)相對單一電源電力系統(tǒng)能夠為用戶提供更可靠和更高質(zhì)量的電力。為了克服光伏發(fā)電的波動性和不確定性以及燃料電池放電緩慢性的缺點,該系統(tǒng)可以結(jié)合其他快速放電的儲能裝置,為用戶提供長期穩(wěn)定的電量[20,21]。

超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容與電池之間特別設(shè)計的電源。超級電容的關(guān)鍵特性如下:充電時間短。由于超級電容的內(nèi)阻較低,可以實現(xiàn)高的充放電電流。電池通常需要幾個小時才能達到充滿電的狀態(tài),而超級電容器可以在不到2 min的時間內(nèi)達到同樣的充電狀態(tài);能夠快速釋放能量。比功率是最大輸出功率與設(shè)備總質(zhì)量的比值。一個典型超級電容的比功率約為10 kW/kg,是電池的5～10倍;循環(huán)使用壽命長,安全性高,短路時電池會因過熱而爆炸,而超級電容器由于其低內(nèi)阻而不發(fā)熱。超級電容器可以充放電數(shù)百萬次,幾乎具有無限的循環(huán)使用壽命。超級電容也有其缺點:在相同重量的情況下,超級電容的存儲能量較低;具有線性放電電壓,放電電壓不穩(wěn)定;成本較高。

超級電容器中存儲的比能量相對較低,但由于超級電容器中雙層充電的時間常數(shù)較短,所以它比蓄電池的放電功率大[22,23]。因此,可以在多電源的混合系統(tǒng)中將兩種設(shè)備結(jié)合起來,將蓄電池高儲能的優(yōu)點以及超級電容的高放電功率優(yōu)點發(fā)揮出來[24,25]。

3 離網(wǎng)用戶電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

EMS是一種智能控制系統(tǒng),用于優(yōu)化調(diào)節(jié)可控設(shè)備的運行策略。當(dāng)電力系統(tǒng)無法滿足負荷需求或者出現(xiàn)系統(tǒng)減負荷要求時,機組可以接收到系統(tǒng)發(fā)出的增負荷或者減負荷請求。EMS的主要目標(biāo)是在滿足用戶舒適度的要求下盡可能降低能源的消耗成本。

為了優(yōu)化家用電器的運行,EMS將家用電器按其運行的特性分為三類:可調(diào)節(jié)電器、可移動電器、可縮減電器。每一類設(shè)備都采用數(shù)學(xué)規(guī)劃或者啟發(fā)式方法來優(yōu)化工作行為。最后以家庭用戶的利潤最大化(能源成本最小化)為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化光伏、燃料電池、蓄電池、超級電容為一體化的電力系統(tǒng)充放電策略。

系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)為:

OF=α·OF1+β·OF2+γ·OF3

(1)

(2)

(3)

OF3=Ec

(4)

式中,OF為PV/FC/Ba/SC電力系統(tǒng)的總成本;OF1為燃料電池系統(tǒng)的成本;OF2為光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本;OF3為能源管理系統(tǒng)中蓄電池以及超級電容的成本;FCFC、EFC以及FFC為燃料電池的功率系數(shù);PFC(t)為燃料電池t時間內(nèi)的功率;ICPV、MCPV、OC為光伏系統(tǒng)的功率系數(shù);PPV(t)為光伏系統(tǒng)t時間內(nèi)的發(fā)電功率;Ec為一個固定設(shè)置值。總成本是通過權(quán)重因子α、β和γ將各個子系統(tǒng)聯(lián)系起來,權(quán)重因子的取值范圍為0～1。

3.2 各負載功率約束

離網(wǎng)用戶的電力系統(tǒng)負荷功率守恒,應(yīng)該滿足以下約束條件:

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

系統(tǒng)中需要考慮用戶舒適度的問題,其中電熱水器的建?？紤]了與環(huán)境的熱交換和冷水的流入,建立了電熱水器的熱動力學(xué)模型。電熱水器中熱水的溫度描述如下[26]。

(11)

(12)

QEWH=mtρwΔθhw

(13)

(14)

為了描述電冰箱的熱行為,熱模型按照灰盒模型,通過單狀態(tài)模型表征熱質(zhì)量和熱阻[27],計算如下所示:

(15)

(16)

QRef=UCS(θa-θc)-mcsρcs·Δθc

(17)

(18)

熱泵是利用機械功將熱量從低溫區(qū)傳遞到高溫區(qū)的一種裝置。在本研究中,用一個三階線性模型描述熱泵的熱行為[28]。

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

3.3 供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

供電系統(tǒng)中的燃料電池包含以下約束條件:

(25)

PFC,t-PFC,t-1≤RUFC

(26)

PFC,t-1-PFC,t≤RDFC

(27)

式(25)～式(27)分別為燃料電池FC生成功率約束、上坡功率和下坡功率約束。供電系統(tǒng)中蓄電池的約束條件如下:

(28)

PBa,t-PBa,t-1≤RUBa

(29)

PBa,t-1-PBa,t≤RDBa

(30)

能源管理系統(tǒng)符合以下約束:

(31)

SOCmin≤SOCt≤SOCmax

(32)

(33)

(34)

式中,Pc(t)、Pd(t)分別為系統(tǒng)芯片的充電放電功率;ηc、ηd分別為芯片系統(tǒng)充電效率以及放電效率。式(31)～式(34)分別為ESS系統(tǒng)芯片SOC方程、ESS的SOC功率約束、ESS充電功率約束、ESS放電功率約束。

(35)

(36)

Ltotal=LFC+LRef+LHPS+LEWH

(37)

4 案例研究

案例研究中的模型采用Matlab/Simulink模塊構(gòu)建,以日運行成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。如圖2所示。圖2中,VPV為控制電壓,IPV為電流,VDC為直流電壓,SBa為電池存儲電量,IRR為光照強度,TEM為環(huán)境溫度,Q1B和Q2B為外界向蓄電池輸入的能量,Q1C和Q2C為外界向超級電容器輸入的能量。組成電力系統(tǒng)的PV/FC/Ba/SC四種系統(tǒng)分別出現(xiàn)在不同的區(qū)域(A:PV系統(tǒng),B:FC系統(tǒng),C:Ba系統(tǒng),D:SC系統(tǒng))。四個系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接在一個4 kW直流負載上(E:負載)。功率計算塊(G:功率計算)分別計算各系統(tǒng)的功率值?？刂茐K(F:控制計算)通過控制PV系統(tǒng)的產(chǎn)生和Ba/SC充放電方式,達到控制整個電路的目的。對整個模型采用不同光照條件以及可變的負荷數(shù)據(jù)來模擬現(xiàn)實中不同的環(huán)境情況。具體一部分參數(shù)可以由文獻[29]中得到。

圖2 Matlab離網(wǎng)用戶電力系統(tǒng)Fig.2 Matlab off-grid user power system

4.1 固定負荷下電力系統(tǒng)的仿真結(jié)果

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為100%、50%和0%三種光照強度的輸入,即其發(fā)電的輸出功率分別為6 kW、3 kW和0 kW。本文提出的電力系統(tǒng)可以正常運行。功率示波器的仿真結(jié)果如圖3所示,分別給出了四個系統(tǒng)的功率曲線。

圖3 固定負載不同光照強度時模塊的運行功率Fig.3 Operating power of the module under different light intensities at a fixed load

由圖3可以看出,當(dāng)光伏系統(tǒng)的輸出功率趨于零時,燃料電池系統(tǒng)開始工作以覆蓋剩余的運行時間。通過光伏系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)之間的集成,整個系統(tǒng)可以在一天中的任何時刻都得到供電,即通過主電源為負載提供其所需的電力或者備用電源燃料電池供電。超級電容的功率(PSC)除了短時間的上下波動外,其余時間其功率都為零,因為超級電容作用是短時間內(nèi)提高電流。對比蓄電池功率(PBa),其很少為零,要么充電要么放電,因為蓄電池在系統(tǒng)中起到了中期提供電力的作用。當(dāng)負載或發(fā)電量發(fā)生變化時,燃料電池系統(tǒng)先于蓄電池系統(tǒng)開始工作,因為燃料電池系統(tǒng)的爬坡時間比蓄電池系統(tǒng)短且燃料電池系統(tǒng)工作時間長。燃料電池系統(tǒng)是系統(tǒng)中長期的供電系統(tǒng)。系統(tǒng)中負載功率一直保持恒定。表示電力系統(tǒng)的可靠性強,它能夠隨時為負載提供所需的電力。

4.2 不同天氣條件下變階躍負荷的電力系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4的模型是對圖2模型的改進,在電力系統(tǒng)的輸出端增加了帶有階躍變負載的三相DC/AC變換器,光伏系統(tǒng)的輻照實時輸入數(shù)據(jù)。圖4中,Iload為負載電流。三相變流器的增加使孤島運行的電力系統(tǒng)在電網(wǎng)可用的情況下能夠并網(wǎng)。對不同輻照數(shù)據(jù)和相同變負荷下的三個結(jié)果進行討論,詳細如圖5所示。

圖4 改進的離網(wǎng)用戶電力系統(tǒng)Fig.4 Improved power system for off-grid users

圖5 不同情況下改進模塊的運行功率Fig.5 Operating power of the improved module under different conditions

比較這三種情況輸出結(jié)果,將PV信號逐級變換到真實晴天數(shù)據(jù)和陰天數(shù)據(jù)。可以看出,燃料電池系統(tǒng)在光伏發(fā)電強度比較大,或者光伏發(fā)電波動較大時,其輸出信號為0。因為當(dāng)光伏發(fā)電強度較大時,系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電提供能量來源,當(dāng)其波動較大時,蓄電池以及超級電容會及時補充能量缺口,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。蓄電池以及超級電容的運行雖然會隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)的功率信號變化而變化,但是系統(tǒng)中的負載輸出信號PL并沒有因為上述的功率變化而發(fā)生較大的改變。

4.3 實時天氣條件與實時負載下的仿真結(jié)果

圖6為發(fā)電系統(tǒng)是實時輸入與需求側(cè)負荷實時輸入情況下模型的輸出結(jié)果。結(jié)果顯示,在光伏發(fā)電波動階段,燃料電池系統(tǒng)不會向系統(tǒng)供電,蓄電池和超級電容系統(tǒng)充當(dāng)平抑可再生能源波動的角色。無論電力系統(tǒng)的各獨立組件工作情況如何變化,系統(tǒng)仍然保持著一個穩(wěn)定可靠的輸出結(jié)果,輸出的負荷曲線與輸入曲線相同。

圖6 實時陰天光伏系統(tǒng)與實時負荷的模型輸出結(jié)果Fig.6 Real-time cloudy photovoltaic system and real-time load model output results

5 結(jié)論

本文提出的離網(wǎng)用戶儲能式電力與能源管理系統(tǒng)通過光伏發(fā)電提供能源,超級電容作為短期儲能、蓄電池作為中期儲能、結(jié)合燃料電池作為長期儲能。根據(jù)超級電容快速充放電特性,補償了蓄電池系統(tǒng)因響應(yīng)慢而引起的誤差功率和瞬態(tài)功率波動。在不同輻照條件下和可變負荷(固定負荷、可變步長負荷、實時負荷)對模型進行測試。案例研究結(jié)果表明:在離網(wǎng)運行時,系統(tǒng)能快速跟隨光照條件以及負載的變化做出反應(yīng),模型在輸出側(cè)始終能夠保持一個穩(wěn)定可靠的電壓和功率。隨著能源的轉(zhuǎn)型發(fā)展與燃料電池技術(shù),這種離網(wǎng)用戶儲能式電力及能源管理系統(tǒng)優(yōu)化方案對于一些偏遠地區(qū)以及傳統(tǒng)電網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域?qū)⑹且环N新的解決方向。