作者簡介

李奇(1984)，教授/博導(dǎo)，IET Fellow、IEEE Senior Member，IEEE工業(yè)電子學(xué)會交通電氣化技術(shù)委員會委員和分委會主席、中國電源學(xué)會交通電氣化專委會副秘書長。獲教育部優(yōu)秀成果自然科學(xué)獎2項(xiàng)、協(xié)會/企業(yè)獎勵4項(xiàng)，以及教育部霍英東高校青年教師基金、四川省杰出青年基金等。研究方向?yàn)檐壍澜煌ňC合能源接入與消納、混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化與控制等。

趙淑丹(1996)，碩士研究生，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)運(yùn)行與優(yōu)化。

陳維榮(1965)，教授/博導(dǎo)，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院院長，磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，國務(wù)院政府特殊津貼、茅以升鐵道科技獎獲得者，四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人、四川省教學(xué)名師、IET Fellow、IEEE Senior Member，獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎2項(xiàng)、省部級自然科學(xué)獎和科技進(jìn)步獎10項(xiàng)，以及國家教學(xué)成果獎2項(xiàng)。研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄗ詣踊?、氫能技術(shù)及應(yīng)用等。

團(tuán)隊(duì)介紹

陳維榮教授作為學(xué)術(shù)帶頭人的軌道交通新能源技術(shù)與應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)，是一直以基礎(chǔ)研究為核心、應(yīng)用研究為驅(qū)動、產(chǎn)業(yè)化推廣為目標(biāo)的研究團(tuán)隊(duì)，隸屬于西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院和國家軌道交通電氣化與自動化工程技術(shù)研究中心。

 

團(tuán)隊(duì)主要開展軌道交通綜合能源接入與消納、燃料電池發(fā)電及儲能技術(shù)、新能源混合動力技術(shù)、交/直微電網(wǎng)運(yùn)行與控制技術(shù)等領(lǐng)域的科研工作。先后主持、主研國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等國家、省部級科技攻關(guān)項(xiàng)目和重大工程項(xiàng)目40余項(xiàng)，并成功研制了世界首列燃料電池混合動力有軌電車和國內(nèi)首輛燃料電池電動機(jī)車。

 

獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎2項(xiàng)、省部級科技進(jìn)步獎11項(xiàng)。出版專著7部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇（其中SCI /EI 200余篇），申請/授權(quán)發(fā)明專利100余項(xiàng)。

為了提高微電網(wǎng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和能源利用率，同時保證其供電可靠性，提出一種適用于電氫耦合混合儲能微電網(wǎng)的多目標(biāo)容量優(yōu)化配置方法。該方法通過控制系統(tǒng)內(nèi)各儲能裝置的工作狀態(tài)，來決定各微源的出力順序，采用PSO優(yōu)化算法求解了綜合指標(biāo)最優(yōu)的配置方案，最后通過搭建RT-LAB 半實(shí)物仿真平臺，驗(yàn)證了系統(tǒng)在實(shí)際工作中的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性。

項(xiàng)目背景

微電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的容量合理配置是微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的重要內(nèi)容，對保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、減少投資成本等方面具有重要的指導(dǎo)意義。目前針對微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置的研究大多以風(fēng)光發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)和蓄電池間的協(xié)調(diào)配合為主，針對氫儲能系統(tǒng)并入微電網(wǎng)的研究相對薄弱。

但是氫能具有清潔、高效、能量密度大等優(yōu)勢。電能氫能協(xié)調(diào)配合，能夠提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)能量梯級利用。因此，考慮電氫耦合的混合儲能微電網(wǎng)的容量優(yōu)化配置研究具有重要意義。

論文所解決的問題及意義

本文提出了一種適用于電氫耦合混合儲能微電網(wǎng)的多目標(biāo)容量優(yōu)化配置方法。該方法將由電解槽-儲氫罐-燃料電池組成的氫儲能系統(tǒng)應(yīng)用于孤島直流微電網(wǎng)的容量優(yōu)化配置問題中，能實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)電能和氫能的相互轉(zhuǎn)換，提高光伏發(fā)電利用率。通過控制系統(tǒng)內(nèi)各儲能裝置的工作狀態(tài)，決定各微源的出力順序，再使用加權(quán)法將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。

通過仿真軟件和RT-LAB半實(shí)物硬件平臺驗(yàn)證了所提策略能夠?qū)Ω髟O(shè)備進(jìn)行有效的功率分配，所提方法能夠得到綜合經(jīng)濟(jì)性和可靠性最優(yōu)的容量配置方案。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文首先建立了微電網(wǎng)內(nèi)各分布式能源的數(shù)學(xué)模型，包含電儲能系統(tǒng)模型和氫儲能系統(tǒng)模型。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

然后，提出一種以微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性為目標(biāo)，以單位電量成本、負(fù)載失電率和能量過剩率作為評估指標(biāo)的微網(wǎng)容量優(yōu)化配置方法。

通過控制系統(tǒng)內(nèi)各儲能裝置的工作狀態(tài)，決定各微源的出力順序，當(dāng)光伏功率大于負(fù)荷功率時，多余的能量首先給蓄電池充電，剩余能量通過電解槽轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并儲存在儲氫罐中；當(dāng)光伏功率小于負(fù)荷功率時，由蓄電池優(yōu)先工作，釋放電能以補(bǔ)充系統(tǒng)缺額功率，再由燃料電池發(fā)電補(bǔ)充缺額功率。

圖2 運(yùn)行控制策略流程圖

最后，選取某地區(qū)一年內(nèi)的光照及負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析，采用粒子群優(yōu)化算法求解模型，并對比分析不同優(yōu)化算法、權(quán)重系數(shù)對優(yōu)化結(jié)果的影響。采用RT-LAB半實(shí)物仿真平臺使用配置結(jié)果在實(shí)際情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真平臺型號為OP5600HILBOX，運(yùn)行速度為3.3GHz，本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行步長設(shè)為0.1ms，仿真時間設(shè)為1天。仿真平臺如圖3所示。

圖3 RT-LAB實(shí)時仿真平臺

電儲能及氫儲能系統(tǒng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)儲能狀態(tài)

結(jié)論

微電網(wǎng)的容量優(yōu)化配置不僅能夠充分利用太陽能，減少棄光，還可以提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性。本文建立了考慮電氫耦合的混合儲能孤島微電網(wǎng)的微源容量優(yōu)化配置模型，在不同優(yōu)化算法和不同權(quán)重系數(shù)下進(jìn)行了仿真，并通過RT-LAB在線運(yùn)行對本文所提運(yùn)行控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，具體結(jié)論如下：

（1）采用兩種優(yōu)化算法對本文所建微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置模型進(jìn)行求解，由結(jié)果分析可得，兩種優(yōu)化算法均能夠進(jìn)行容量配置，得到最小目標(biāo)函數(shù)值下的最優(yōu)配置方案，且能滿足用戶需求。但粒子群優(yōu)化算法在系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作效率方面均優(yōu)于回溯搜索算法。

（2）負(fù)載失電率和能量過剩率在目標(biāo)函數(shù)中所占比重越高，孤島微電網(wǎng)的單位電量成本越高，即高供電可靠性是以高投資成本為代價的。因此，合理設(shè)置可靠性指標(biāo)是減少孤島微電網(wǎng)冗余投資的有效方法。

引用本文

李奇， 趙淑丹， 蒲雨辰， 陳維榮， 于瑾. 考慮電氫耦合的混合儲能微電網(wǎng)容量配置優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(3): 486-495. Li Qi, Zhao Shudan, Pu Yuchen, Chen Weirong, Yu Jin. Capacity Optimization of Hybrid Energy Storage Microgrid Considering Electricity-Hydrogen Coupling. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 486-495.