多能互补系统综合效益最大化控制

于 传，张少文，朱海铭

(1.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽 合肥 230022；2.安徽电气工程职业技术学院，安徽 合肥 230051；3.南京工程学院 电力工程学院，江苏 南京 211167)

0 引言

电能是当今社会最重要、也最便捷的能源，但随着传统能源危机的不断增加，越来越迫切地需要寻找其替代品。因此，可再生能源的开发利用受到越来越多的关注和重视，其中，以光伏发电为代表的可再生能源的利用在降低环境污染、解决能源不足、优化能源结构等方面的作用越来越重要。但光伏发电具有明显的出力波动性、间歇性和随机性，这些不确定性因素对电力系统的稳定运行构成严重威胁，使光伏发电的大规模发展与工程应用受到一定制约[1]。因此，如何控制光伏电站的输出功率平滑稳定，保证优越的实时可调度性和良好的经济效益是当今研究光伏发电并网的热点。

针对光氢储等多能互补系统，国内外很多学者已进行初步探讨研究。文献[2]通过对光伏、电解槽制氢、储氢罐与氢燃料电池组成的多能互补系统进行协调控制，以实现对光伏发电模块、储能模块和负载部分的能量平衡，并且该文使用一种MPC算法实现能量转化过程中的最大效益。文献[3]基于可再生能源的利用，提出了一种双源离网混合发电系统能量管理策略，但不涉及电网连接条件下的功率协调控制。文献[4]采用光伏阵列与电解槽直接耦合的形式，由相同数量的光伏阵列与电解槽串并联进行组合排列，使光伏阵列的最优I-U曲线与电解槽的I-U曲线基本相似，保证两个模块实现最优运行。并通过仿真验证了这种组合的可行性与经济性。文献[5]以系统年运行成本最小为目标函数，将穷尽搜索法应用于由光伏阵列、蓄电池、电解槽和氢燃料电池组成的混合自治系统中，使各单元配置最优。以上研究均未考虑储能的需求容量，且储能形式单一，其经济性与平抑光伏波动的效果较差。

为减少储能投资成本、优化平抑光伏波动所需的储能容量，本文从储能的实时补偿和经济性出发，在多能互补的混合能量存储系统中，提出了一种用于多能互补混合储能系统中的能量平衡控制策略，可以根据光伏发电和储能系统协调互补的方法进行合理分配功率。另外，给出了本文控制策略与传统控制策略的经济效益比较分析，验证了本文所提方法可实现综合效益最大化。

1 多能互补系统能量平衡控制策略

多能互补系统功率平衡控制策略对系统的充放电管理，对储能单元的寿命及电网的安全可靠运行起着至关重要的作用。在直流母线并网的过程中，直流母线的微电网经三相逆变为电网提供所需的有功功率和无功功率。

光伏阵列工作在MPPT控制模式下时，其设计方案如下：以PPV表示光伏输出功率、用Psto_ref表示多能互补储能部分输出的功率。电压跟随型控制的主要特点是通过三相逆变器控制系统直流母线电压；电网侧所需的有功功率Pref主要由光伏发电单元、蓄电池和氢燃料电池单元输出，其数学模型表达式如下：

Psto-ref=Pref-PPV

(1)

为了维持直流母线电压的稳定，三相逆变器的运行采用由电压外环和电流内环构成的双闭环控制策略，从而间接地通过吸收从发电侧发出的功率维持直流母线电压的恒定。其中用于提供给直流母线电压及直流负载所需的功率用Pdc_ref表示，因此三相逆变器侧需逆变的功率值可以表示为：

Pinv_ref=Psource-Pdu_ref

(2)

由式(1)和(2)可以得出基于电压跟随型策略的多能互补存储协调控制的功率分配，如图1所示。在多能互补存储协调控制功率分配型中，最大特点为直流母线端电压的稳定是由发电系统和能量存储单元协同控制的。

图1 多能互补存储协调控制功率值的分配图

2 经济效益最大化

2.1 储能装置容量成本的经济性对比分析

从“中国光伏行业协会”得到是蓄电池存储数据和市场成本数据进行分析，蓄电池电池装置的投资成本和储能的最大容量成正比，通过对储能最大需求容量进行对比，来得到系统的经济效益的优化程度。在参考文献[6]中得到的平抑波动的储能需求容量Eneed的公式为:

(3)

经过Matlab数据处理得到两种策略的Eneed的分布情况如图2所示，从仿真结果可以直观地看出本文提出的多能互补控制策略对储能的容量需求远小于传统或者常规的控制策略。

图2 蓄电池最大需求容量经济效益分布情况

2.2 蓄电池循环充放电次数的经济效益对比分析

传统的蓄电池在进行充放电的过程中，会在电极板上产生硫酸铅晶体，从而减少了蓄电池的寿命。蓄电池的使用寿命与电池循环充放电次数成反比，即每天充电和放电的循环次数越少，电池的使用寿命就越长。根据“中国蓄电池行业协会”的统计数据，结合电脑曲线分析得到多能互补系统和常规调控策略下蓄电池电池循环充放电次数指标N，两种策略下蓄电池每天的循环充放电次数分布情况如图3所示。

图3 储能电池循环充放电次数分布情况

通过分析比较、评估储能电池的寿命来反映系统经济性的优化程度，数学表达式为：

(4)

从仿真数据折线图结果可直观地看出多能互补系统所提策略能显著降低储能电池的充放电次数，蓄电池的使用频率远小于传统控制策略，通过延长蓄电池的使用寿命，从而间接的提高系统的经济效益和实现系统综合效益最大化。

2.3 光伏发电弃光量经济性对比分析

在光伏发电系统中或多或少地存在光伏发电损失的现象，光伏损失的部分影响着相当比例的成本效益。根据“中国光伏行业协会”所提供的数据得到仿真结果，多能互补控制策略中光伏阵列发电每天损失的发电量Eloss的分布情况如图4所示，Eloss的平均值为98.4 kW·h/天，电价按照0.9元/kW·h计算可得全年的发电损失费用约为3.232万元。

图4 多能互补控制策略下光伏发电损失量分布情况

3 经济性综合对比分析

对上述评价指标的评估结果进行汇总，如表1所示。经多能互补的协调策略控制后的光伏并网在功率波动性上比常规的控制策略平均减少了15.29%，具有更好的波动平抑性；在储能容量的需求上比常规的策略平均减少了41.59%；在每天对电池的循环充放电次数比常规的策略减少了41.33%，从而间接地延长储能电池的使用寿命，减少了成本投入；光伏发电损失量减少了33.56%。

表1 经济性综合对比

综上所述本文提出的控制策略具有可观的综合经济效益和显著的经济性。

4 结论

本文提出了基于电压跟随型策略的多能互补储能协调控制策略，通过仿真验证了光伏阵列、蓄电池、超级电容器、电解槽与氢燃料电池等组成的混合系统经济可行。此控制策略不仅使得该混合系统出力是可控的，并且大大提高了太阳能利用率和氢能利用率，使得清洁能源得到了完全的利用，将可再生能源效益最大化，优化各存储单元的运行。相比于常规的控制方法，采用光储协调互补的方法需要更少的投资运行成本从而获得更显著的经济效益。