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(guó)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(jìn)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(shí),其出力的隨機(jī)性與間歇性會(huì)對(duì)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(yùn)行,與大電網(wǎng)相互補(bǔ)充,也可以離網(wǎng)運(yùn)行,為獨(dú)立用戶提供穩(wěn)定電源[3,4]。

目前單一儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)較為成熟,將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在解決可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性與波動(dòng)性的研究也越來越多[5-7]。目前較為常見的儲(chǔ)能形式有:蓄電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、燃料電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能以及抽水儲(chǔ)能[8]。單一儲(chǔ)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(chǔ)能應(yīng)用于平抑可再生能源出力波動(dòng)[9,10]。文獻(xiàn)[11]針對(duì)微電網(wǎng)的并網(wǎng)/離網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)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(jī),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(xiàn)[12]基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator,VSG)并離網(wǎng)切換策略,在混合儲(chǔ)能的超級(jí)電容單元引入VSG控制,針對(duì)并離網(wǎng)問題切換時(shí)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(shí)現(xiàn)了控制模式自適應(yīng)平滑切換。在對(duì)經(jīng)濟(jì)性研究中,文獻(xiàn)[13]比較使用柴油發(fā)電系統(tǒng)和電解槽-H2儲(chǔ)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(chǔ)存-燃料電池系統(tǒng)具有更好的成本效益和存儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)、配網(wǎng)側(cè)的管理,需求側(cè)管理主要為分級(jí)負(fù)荷的管理[14]。文獻(xiàn)[15]通過分析家用電器的運(yùn)行特性,建立相應(yīng)的負(fù)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(jìn)快速粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)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(duì)并網(wǎng)離網(wǎng)控制切換,微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性、微電網(wǎng)的能源管理等方面。微電網(wǎng)針對(duì)一些偏遠(yuǎn)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(zhǎng)期依靠可再生能源作為主要供能,同時(shí)需要解決離網(wǎng)用戶中可再生能源波動(dòng)性與不確定性的研究還比較少。對(duì)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(jí)電容器系統(tǒng)(SuperCapacitor system,SC)組成的混合儲(chǔ)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(shí)在交互式實(shí)時(shí)環(huán)境中工作的。本文的主要目的是利用燃料電池的長(zhǎng)期儲(chǔ)能、蓄電池的中期儲(chǔ)能、超級(jí)電容的短期儲(chǔ)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(shí)考慮到居民的舒適度等幾個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(yùn)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(gè)組成部分的主要功能和特點(diǎn)。結(jié)合各個(gè)電源特點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)。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(zhǎng)、功率密度高、效率高、啟動(dòng)速度快等優(yōu)點(diǎn),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(duì)電負(fù)載瞬變的響應(yīng)沒有預(yù)期那么快。因此,燃料電池是一個(gè)非線性器件?？紤]到其緩慢變化的動(dòng)態(tài)特性,可以采用超級(jí)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(jí)電容特性

由于不同的替代電源可以相互補(bǔ)充,多電源混合替代的電力系統(tǒng)相對(duì)單一電源電力系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩籼峁└煽亢透哔|(zhì)量的電力。為了克服光伏發(fā)電的波動(dòng)性和不確定性以及燃料電池放電緩慢性的缺點(diǎn),該系統(tǒng)可以結(jié)合其他快速放電的儲(chǔ)能裝置,為用戶提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的電量[20,21]。

超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電容與電池之間特別設(shè)計(jì)的電源。超級(jí)電容的關(guān)鍵特性如下:充電時(shí)間短。由于超級(jí)電容的內(nèi)阻較低,可以實(shí)現(xiàn)高的充放電電流。電池通常需要幾個(gè)小時(shí)才能達(dá)到充滿電的狀態(tài),而超級(jí)電容器可以在不到2 min的時(shí)間內(nèi)達(dá)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(gè)典型超級(jí)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(zhǎng),安全性高,短路時(shí)電池會(huì)因過熱而爆炸,而超級(jí)電容器由于其低內(nèi)阻而不發(fā)熱。超級(jí)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(jí)電容也有其缺點(diǎn):在相同重量的情況下,超級(jí)電容的存儲(chǔ)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(jí)電容器中存儲(chǔ)的比能量相對(duì)較低,但由于超級(jí)電容器中雙層充電的時(shí)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(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)以及超級(jí)電容的高放電功率優(yōu)點(diǎn)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(yùn)行策略。當(dāng)電力系統(tǒng)無法滿足負(fù)荷需求或者出現(xiàn)系統(tǒng)減負(fù)荷要求時(shí),機(jī)組可以接收到系統(tǒng)發(fā)出的增負(fù)荷或者減負(fù)荷請(qǐng)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(yùn)行,EMS將家用電器按其運(yùn)行的特性分為三類:可調(diào)節(jié)電器、可移動(dòng)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(rùn)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(jí)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(jí)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(shí)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(shí)間內(nèi)的發(fā)電功率;Ec為一個(gè)固定設(shè)置值?？偝杀臼峭ㄟ^權(quán)重因子α、β和γ將各個(gè)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(fù)載功率約束

離網(wǎng)用戶的電力系統(tǒng)負(fù)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(dòng)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(jì)算如下所示:

(15)

(16)

QRef=UCS(θa-θc)-mcsρcs·Δθc

(17)

(18)

熱泵是利用機(jī)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(gè)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(yùn)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(chǔ)電量,IRR為光照強(qiáng)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(jí)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(gè)系統(tǒng)的輸出并聯(lián)連接在一個(gè)4 kW直流負(fù)載上(E:負(fù)載)。功率計(jì)算塊(G:功率計(jì)算)分別計(jì)算各系統(tǒng)的功率值?？刂茐K(F:控制計(jì)算)通過控制PV系統(tǒng)的產(chǎn)生和Ba/SC充放電方式,達(dá)到控制整個(gè)電路的目的。對(duì)整個(gè)模型采用不同光照條件以及可變的負(fù)荷數(shù)據(jù)來模擬現(xiàn)實(shí)中不同的環(huán)境情況。具體一部分參數(shù)可以由文獻(xiàn)[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(fù)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(qiáng)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(yùn)行。功率示波器的仿真結(jié)果如圖3所示,分別給出了四個(gè)系統(tǒng)的功率曲線。

圖3 固定負(fù)載不同光照強(qiáng)度時(shí)模塊的運(yùn)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(shí),燃料電池系統(tǒng)開始工作以覆蓋剩余的運(yùn)行時(shí)間。通過光伏系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)之間的集成,整個(gè)系統(tǒng)可以在一天中的任何時(shí)刻都得到供電,即通過主電源為負(fù)載提供其所需的電力或者備用電源燃料電池供電。超級(jí)電容的功率(PSC)除了短時(shí)間的上下波動(dòng)外,其余時(shí)間其功率都為零,因?yàn)槌?jí)電容作用是短時(shí)間內(nèi)提高電流。對(duì)比蓄電池功率(PBa),其很少為零,要么充電要么放電,因?yàn)樾铍姵卦谙到y(tǒng)中起到了中期提供電力的作用。當(dāng)負(fù)載或發(fā)電量發(fā)生變化時(shí),燃料電池系統(tǒng)先于蓄電池系統(tǒng)開始工作,因?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)的爬坡時(shí)間比蓄電池系統(tǒng)短且燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)間長(zhǎng)。燃料電池系統(tǒng)是系統(tǒng)中長(zhǎng)期的供電系統(tǒng)。系統(tǒng)中負(fù)載功率一直保持恒定。表示電力系統(tǒng)的可靠性強(qiáng),它能夠隨時(shí)為負(fù)載提供所需的電力。

4.2 不同天氣條件下變階躍負(fù)荷的電力系統(tǒng)仿真結(jié)果

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

圖4 改進(jìn)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(jìn)模塊的運(yùn)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(hào)逐級(jí)變換到真實(shí)晴天數(shù)據(jù)和陰天數(shù)據(jù)?？梢钥闯?燃料電池系統(tǒng)在光伏發(fā)電強(qiáng)度比較大,或者光伏發(fā)電波動(dòng)較大時(shí),其輸出信號(hào)為0。因?yàn)楫?dāng)光伏發(fā)電強(qiáng)度較大時(shí),系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電提供能量來源,當(dāng)其波動(dòng)較大時(shí),蓄電池以及超級(jí)電容會(huì)及時(shí)補(bǔ)充能量缺口,保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。蓄電池以及超級(jí)電容的運(yùn)行雖然會(huì)隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)的功率信號(hào)變化而變化,但是系統(tǒng)中的負(fù)載輸出信號(hào)PL并沒有因?yàn)樯鲜龅墓β首兓l(fā)生較大的改變。

4.3 實(shí)時(shí)天氣條件與實(shí)時(shí)負(fù)載下的仿真結(jié)果

圖6為發(fā)電系統(tǒng)是實(shí)時(shí)輸入與需求側(cè)負(fù)荷實(shí)時(shí)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(dòng)階段,燃料電池系統(tǒng)不會(huì)向系統(tǒng)供電,蓄電池和超級(jí)電容系統(tǒng)充當(dāng)平抑可再生能源波動(dòng)的角色。無論電力系統(tǒng)的各獨(dú)立組件工作情況如何變化,系統(tǒng)仍然保持著一個(gè)穩(wěn)定可靠的輸出結(jié)果,輸出的負(fù)荷曲線與輸入曲線相同。

圖6 實(shí)時(shí)陰天光伏系統(tǒng)與實(shí)時(shí)負(fù)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(chǔ)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(jí)電容作為短期儲(chǔ)能、蓄電池作為中期儲(chǔ)能、結(jié)合燃料電池作為長(zhǎng)期儲(chǔ)能。根據(jù)超級(jí)電容快速充放電特性,補(bǔ)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(dòng)。在不同輻照條件下和可變負(fù)荷(固定負(fù)荷、可變步長(zhǎng)負(fù)荷、實(shí)時(shí)負(fù)荷)對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試。案例研究結(jié)果表明:在離網(wǎng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)能快速跟隨光照條件以及負(fù)載的變化做出反應(yīng),模型在輸出側(cè)始終能夠保持一個(gè)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(chǔ)能式電力及能源管理系統(tǒng)優(yōu)化方案對(duì)于一些偏遠(yuǎn)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。