独立光伏混合储能发电自治系统配置优化

收稿日期 2015-04-15 。基金项目 科技部 “ 863” 计划项目 （ 2013AA050405 ）； 教育部博士点基金 （ 20123317110004 ）； 科技部国际合作项目 （ 2014DFA70980 ）。作者简介 张 任 （ 1977- ）， 男 ， 博士研究生 ， 主要从事智能控制技术以及新能源技术研究 。 E-mail 693212523qq.com独 立 光 伏 混 合 储 能 发 电 自 治 系 统配 置 优 化张 任 1， 徐红伟 1， 2（ 1.浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部 浙江省重点实验室 ， 浙江 杭州 310032； 2.中国计量学院 机电工程学院 ， 浙江 杭州 310018）摘 要 发电自治系统是指零排放不间断运行的系统 。 根据负载特性和太阳光照强度时间分布曲线 ， 结合典型储能器件 ， 包括蓄电池 、 燃料电池与电解制氢 ， 用穷尽搜索法对独立光伏混合储能发电自治系统进行了优化配置 。 以年为运行周期 ， 按照蓄电池 、 燃料电池与电解制氢的充放电顺序 ， 得到实现不间断供电的配置方案 。 根据各器件的安装和运行维护成本 ， 计算各配置方案的年运行成本 。 为实现独立光伏混合储能发电自治系统的配置优化提供设计依据 。关键词 光伏发电 ； 混合储能 ； 自治系统 ； 优化中图分类号 TK514 文献标志码 A 文章编号 1671-5292 （ 2015） 09-1305-07可再生能源Renewable Energy Resources第 33 卷 第 9 期2015 年 9 月Vol.33 No.9Sept. 20150 前言独立光伏发电系统是太阳能光伏发电应用的一种重要方式 。 由于光照强度具有间歇性和随机性 ， 为向负载提供稳定电力 ， 独立光伏发电系统需要增加储能器件 ， 成为混合发电系统 。 独立光伏混合储能发电自治系统是指具有多种储能形式 ， 实现系统的完全零排放 、 无污染 、 绿色独立不间断运行的光伏混合发电系统 [1]， [2]。目前 ， 独立光伏混合发电已有较多研究 [3]～ [8]，主要成果集中在能量平衡管理 、 充放电控制等方面 ， 对独立光伏混合储能发电自治系统的配置优化问题尚缺乏系统的设计方法 。 本文研究基于直流母线的独立光伏混合发电自治系统的优化设计 ， 根据负载特性和往年太阳光照强度数据 ， 利用超级电容 、 蓄电池 、 燃料电池等不同储能形式的互补特性 ， 对独立光伏混合储能发电自治系统进行优化配置 ， 实现绿色零排放不间断供电 。 在此基础上 ， 以年运行成本为目标函数计算了各配置的经济性 。1 常见储能形式在目前应用的储能技术中 ， 铅酸蓄电池具有技术成熟 、 价格便宜 、 可靠性好的优点 ， 但蓄电池的功率效益比相对较低 ， 短时间充放电电流有限 ，不适宜长期储存电能 。 电解制氢及燃料电池虽然效率较低 ， 但是氢气能够长期储存 ， 无损耗 ， 适合需要长期能量保存的场合 。 超级电容器储能内阻小 、 循环寿命长 、 功率密度高 、 响应速度快 ， 适用于处理尖峰负荷 。1.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池是应用最广泛的蓄电池 ， 具有无需补充电解液 、 维护容易 、 价格便宜 、 高倍率放电性能好 、 高低温性能良好 、 效率较高等优点 。 铅酸蓄电池的充电电压电流根据蓄电池的充电程度调整 ， 其中恒压限流充电方式是比较有效的充电策略 ， 既能在蓄电池放电过深时防止电流过大损坏电池 ， 又能防止过充电 。 蓄电池的缺点是存在自损耗 ， 不适合长时间储能 [9]。蓄电池充放电时功率满足直线关系 ， 设 t 刻蓄电池储能为 Wba（ t）， 考虑到蓄电池充放电和变流器转换效率 。 每小时蓄电池充电功率变化关系为Wba（ t） Wba（ t-1 ） [Ppv（ t-1 ） - Pload（ t-1 ） ] η con η ba（ 1）式 中 Ppv（ t-1 ） 为 t -1 时 刻 光 伏 阵 列 输 出 功 率 ；Pload（ t-1 ） 为 t-1 时刻负载功率 ； η con 为变流器转换功率 ； η ba 为蓄电池充放电效率 。蓄电池放电功率变化关系为 1305DOI10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.09.005Wba（ t） Wba（ t-1 ） -[ Pload（ t-1 ） - Ppv（ t-1 ） ] η con η ba（ 2）蓄电池的自放电率按照每 28 天不低于 85计算 ， 即每个小时不高于 0.02 ， 可得 Wba（ t） W ba（ t-1 ） 0.999 8 （ 3）1.2 燃料电池与电解水制氢燃料电池具有清洁 、 安静 、 高能量密度和较高的效率 。 质子交换膜燃料电池是最典型的一种 。 它采用氢气作为燃料 ， 采用空气为氧化剂 ， 副产品为水 。 作为燃料的氢气由电解槽电解水得到 ， 电解制氢与质子交换膜燃料电池组成了一种典型的储能形式 ， 正越来越广泛地应用于可再生能源发电系统中 [10]。燃料电池和电解制氢系统虽然效率比蓄电池低 ， 但是具有无自放电的优点 ， 其制氢和燃料电池发电通过氢气罐的充放气特性实现 。 电解制氢系统制氢特性为V se（ t） Vse（ t-1 ） [Ppv（ t-1 ） - Pload（ t-1 ） ] （ η con η se） DV （ 4）式中 Vse（ t） 为 t 时刻的氢气体积 ； η se 为电解制氢效率 ； DV 为单位 kWh 能量电解的氢气体积 。质子交换膜燃料电池氢气储量 V se（ t） Vse（ t-1 ） -[Pload（ t-1 ） - Ppv（ t-1 ） ] WV/（ η con η fc） （ 5）式中 WV 为产生单位 kWh 能量需要消耗的氢气体积 ； η fc 为燃料电池发电效率 。2 系统拓扑独立光伏混合储能发电自治系统有各种各样负载对象 ， 在不同功率密度和能量密度要求的场合 ， 没有一种单独储能形式能够满足不间断供电的要求 ， 混合储能是解决该问题比较理想的方法 。混合储能采用燃料电池 、 蓄电池和超级电容 3 种储能方式 ， 用超级电容调节秒级的能量流动 ， 铅酸蓄电池调节天级的能量流动 ， 燃料电池储能效率没有铅酸蓄电池和超级电容高 ， 但是具有能够长期储能的特点 ， 适合进行季节性的能量流动调配 。独立光伏发电混合储能发电自治系统拓扑见图 1所示 。 铅酸蓄电池根据负载和光照强度 ， 可采用分组轮流工作 ， 提高寿命 。光伏电池阵列输出调节变流器采用单向 DC/DC 变流器 ， 变流器具有最大功率跟踪 （ MPPT） 功能 。 光伏电池阵列串联后电压高于负载电压 ， 采用Buck 降压电路进行电压调节 。 负载输入 DC/DC变流器采用单相全桥逆变器电路 ， 实现直流母线的单相交流输出 。 铅酸蓄电池按照需要功率进行分组管理 ， 提高使用寿命 。 每组蓄电池都配置有单独控制的双向 DC/DC 变流器 ， 变流器与直流母线连接 ， 采用二电平控制容易的双向 Buck/boost 电路 。 超级电容器配置双向 DC/DC 变流器 ， 为使超级电容器有较好的快速响应特性 ， 采用三电平双向 Buck/boost 电路 。 电解制氢和燃料电池输出能量都是单向流动 ， 采用二电平 Buck/boost 电路 。3 工作模式当光照强度 、 蓄电池储存电荷程度 、 燃料电池储能状态和超级电容器储存能量的不同 ， 系统工作过程需要对各个储能形式状态进行测量 ， 按照工作模式 1～ 6 进行能量的传递过程 。工作模式 1 当光照强度足够强 ， 输出功率大于负载功率 ， 由光伏阵列输出功率 Ppv 向负载 Pload供电 ， 多余电量依次向蓄电池组充电 ， 当充电电流足够或者全部蓄电池都已经充满 ， 多余电流进行电解制氢 ， 其能量流动如图 2 所示 。可再生能源 2015， 33（ 9）图 1 独立光伏混合储能发电自治系统拓扑Fig.1 Topologyof independent photovoltaic hybrid energystoragegenerationautonomoussystem图 2 系统工作模式 1Fig.2 Systemworking mode 1光伏阵列铅酸蓄电池 1铅酸蓄电池 2负载超级电容燃料电池电解装置i pv Ppvupv DC/DCDC/DCDC/DCi bat1ubat1Pbat1i bat2ubat2Pbat2uD CD DC/ACDC/DCDC/DCDC/DCPsePscPload iloaduloadiscuscifcPfcufcuse负载恒压 充电 制氢 稳压光伏阵列 蓄电池 制氢燃料电池 超级电容 1306工作模式 2 当太阳光照强度不够 ， 蓄电池储能足够 ， 光伏阵列输出功率 Ppv 全部向负载 Pload 供电 ， 不足部分由蓄电池组供电 。 此时光伏阵列工作在 MPPT 模式 。 其能量流动如图 3 所示 。工作模式 3 当光伏电池阵列发电不足 ， 蓄电池组储能不足 ， 或者负载功率要求上升 ， 由光伏发电完全供负载 ， 不足部分由燃料电池输出功率补足 ， 其能量流动如图 4 所示 。工作模式 4 当光伏电池阵列不发电 ， 蓄电池有储能 ， 光伏阵列无功率输出 ， 此时负载完全由蓄电池组完全或部分供电 ， 不足部分由燃料电池输出功率补足 。 其能量流动如图 5 所示 。工作模式 5 在晚上或阴天 ， 光伏阵列无功率输出 ， 蓄电池组储存电能不足 ， 负载功率全部由燃料电池输出供给 。 其能量流动如图 6 所示 。工作模式 6 当储氢罐储氢不足 ， 在晚上或阴天 ， 光伏阵列功率输出不足 ， 而燃料电池由于储氢不够导致发电不足以补充负载的功率差 ， 此时系统停止运行 。超级电容通过 DC/DC 变流器对电压功率的骤升骤降起到稳定电能作用 。 考虑到效益最大化 ，系统不采用蓄电池进行电解制氢或者燃料电池给蓄电池充电的模式 。4 配置优化设计为能够保证负载不间断供电 ， 同时最大程度节约成本 ， 需要利用储能各自特点 ， 进行各种储能形式的优化配置 。4.1 评价指标自治系统满足完全零排放 ， 无污染 ， 绿色独立运行 ， 首先要求能源供应即光伏板面积的要求 ， 其次配置合理的储能形式 。在满足自治运行基础上 ， 满足年运行成本最低 。 年运行成本从初期各器件投入 Cacom、 年化总成本 Catot， 其表达式为Cacomc o mΣ Cint.com Scom/Ncom （ 6）CatotCacomCarepCaom （ 7）式中 com 为系统各组成器件 ； Cint.com 为器件的单位容量成本 ； Scom 为器件的安装容量 ； Cacom 为各器件年化成本 ； Carep 为各器件年更换成本 ； Caom 为各器件年运行和维护成本 ； Ncom 为器件使用寿命 。各个典型器件的效益 、 成本 、 寿命和运行维护成本如表 1 所示 [12]。图 4 系统工作模式 3Fig.4 Systemworking mode3张 任 ， 等 独立光伏混合储能发电自治系统配置优化图 3 系统工作模式 2Fig.3 Systemworking mode2图 5 系统工作模式 4Fig.5 Systemworking mode4图 6 系统工作模式 5Fig.6 Systemworking mode 5负载MPPT 放电 停止 稳压光伏阵列 蓄电池 制氢燃料电池 超级电容负载MPPT 停止 放电 稳压光伏阵列 蓄电池 制氢燃料电池 超级电容负载停止 放电 放电 稳压光伏阵列 蓄电池 制氢燃料电池 超级电容负载停止 停止 放电 稳压光伏阵列 蓄电池 制氢燃料电池 超级电容 13074.2 能源管理策略系统的优化配置方法与能源管理策略有直接关系 ， 能源管理策略的制定以年为单位 ， 以往年太阳光照强度和负载功率的失配情况作为参考 ， 确定能量管理策略 。 按照系统要求 ， 容量配置 [11]， [12]按照优先顺序 ， 满足以下条件 ① 满足负载电压和功率需求 ， 保证电能质量 ； ② 发挥光伏阵列的最大功率输出能力 ， 利用光伏阵列 MPPT 最大功率跟踪技术 ， 最大限度利用光伏能源 ； ③ 负载先使用光伏电池阵列输出功率 ， 在不够情况下 ， 优先使用效率高的储能方式输出功率 ； ④ 保护蓄电池 ， 防止过充或深度放电 ， 防止过大电流充放电 ， 延长使用寿命 ， 即冬季防止出现欠充 ， 夏季防止过充 。超级电容充放电 、 蓄电池充放电 、 燃料电池发电都有对应电流变换接口 ， 防止电流过大损坏器件 ， 各控制器都有相应的控制策略 [5]， [8]。4.3 最优配置设计优化设计是可再生能源发电系统设计的必要工作 ， 在满足负载要求基础上 ， 避免了不必要的浪费和额外的维护 ， 降低投资成本 。 自治系统的不间断供电通过配置不同的光伏板面积 、 蓄电池容量和氢气储气罐容量 ， 计算一年能量的流动关系 ， 得到能够实现不间断供电的最小配置 。 再计算各个最小配置的年运行成本 ， 得到最优配置设计方案 。穷尽搜索法通过计算一年中光伏阵列面积 、 蓄电池功率 、 燃料电池功率和电解氢及存储罐容积 ， 得到能够满足负载要求的最小配置 ， 进行年运行成本比较 ， 确定最小成本配置 。 穷尽搜索法流程如图7 所示 。5 算例仿真以杭州的地理东经 120 12′ 北纬 30 16′ 位置为依据 ， 对负载进行供电 。 杭州的光照强度数据通过中国科学院人地系统主题数据库得到 ， 考虑到光照强度的随机性 ， 取连续三年光照强度数据为依据 ， 采用的是尖峰太阳小时数的方法提取光照强度数据 。 1996-1998 年具体数据如图 8 所示 。杭州平均每天光照时数通过每月日照时数和日照百分率折算得到 ， 杭州 112 月日照时数 142， 123， 171， 115， 163， 172， 237， 260， 152， 153，图 7 穷尽搜索法求不间断供电配置流程Fig.7 The exhaustivesearch methodfor uninterrupted powersupply configuration process表 1 器件的效率 、 成本 、 寿命周期和运行维护成本Table 1 Thedevice efficiency， cost， life cycle andoperationand maintenancecosts名称光伏板 160W燃料电池电解制氢氢气罐变流器蓄电池效益 /1847741009590初期成本960 元7000 元 /kW6000 元 /kW200 元 /kWh3000 元 /kW500 元 /kWh周期 /a2551020104成本比例02.520.50.51图 8 杭州光照强度历史数据柱形图Fig.8 Light intensity column chart history data in Hangzhou开始输入一年负载 、 光照数据确定光伏阵列面积 、蓄电池 、 燃料电池 、电解氢初值确定开始计算时间点满足负载要求 是否最经济 是否效率最高 输出系统设计参数结束199619971998400350300250200150100500光照强度/MJm-2一月 二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月 1308可再生能源 2015， 33（ 9）否否158， 147 小时 。负载典型波动曲线如图 9 所示 [12]。由图 9 可以看出 ， 最大功率出现在晚上 2000-21 00， 最小功率出现在凌晨 6 00-7 00。通过 MATLAB 编程设计仿真 ， 仿真时按照先超级电容充放电 ， 再蓄电池充放电 ， 再电能制氢及燃料电池放电进行 。 为方便计算 ， 把每月光照等价到尖峰光照时间 ， 当月每天的光照强度和时间认为是不变的 。由于超级电容只对秒级充放电有关 ， 假设负载没有急剧的波动 ， 得到满足光伏混合储能发电自治系统的光伏板面积 、 储氢罐容量和蓄电池容量最优配置如图 10 所示 。从仿真结果看到 ， 满足光伏混合储能发电自治系统最优配置的光伏板面积有一个有效区间范围 。 当小于最低面积要求 ， 无法得到最优配置 。 这是由于作为满足不间断供电的唯一发电电源 ， 其发电功率总和乘上转换效率必须大于等于负载功率 。当达到或超过这个最低面积要求 ， 氢气储量和蓄电池容量配置基本成反比 。 当光伏板面积超过一定值后 ， 再增加也不能减小储能容量要求 。 其原因在于储能容量必须满足负载 、 光照和季节的起伏变化 ， 即储能容量的大小取决于负载 、 光照和季节的起伏变化量 ， 起到平谷削峰的作用 。 当储能容量满足要求 ， 再增加发电量对不间断供电改善不明显 。根据得到的最优配置 ， 计算各个配置的年运行成本 ， 如图 11 所示 。从图中看出 ， 对于光伏混合储能发电自治系统最优配置成本 ， 在光伏板面积一定的情况下 ， 有一个最小年运行成本配置方案 ， 如表 2 所示 。对一个固定光伏混合储能发电自治系统最优配置 （ 130， 90， 95）， 氢气储量一年的变化量如图12 所示 。图 12 光伏混合储能发电自治系统最优配置年氢气储量变化Fig.12 Annual hydrogenstoragechangesof photovoltaichybrid energystoragepowerautonomoussystemwithoptimal allocation12006000储氢量t/d0 200 400图 9 典型负载功率 24 小时波动曲线Fig.9 Typical 24 hours load curve2.521.510.50负哉功率/kWt/h0 12 24表 2 最小年运行成本配置Table 2 Allocation for the minimum annual operationcost光伏板面积 /m2蓄电池 /kWh储氢罐 /m3运行成本 /万元130909519.941507313519.581705617219.202002823118.922201226518.70图 10 满足光伏混合储能发电自治系统最优配置Fig.10 The hydrogenstoragevolume optimal allocation130m2150m2170m2200m2220m29000600030000储氢罐容量/m2蓄电池容量 /Ah0 60 120130m2150m2170m2200m2220m214121086420年运行成本/万元蓄电池容量 /Ah0 60 120图 11 光伏混合储能发电自治系统最优配置年运行成本Fig.11 Operating cost of photovoltaic hybrid energystoragepower autonomoussystemwith optimal allocation 1309张 任 ， 等 独立光伏混合储能发电自治系统配置优化由图 12 可以看出 ， 在光照强度高的 7， 8 月份 ， 氢气储量基本充满 ， 依靠蓄电池实现负载连续供电 ， 在 1， 2 月 ， 氢气大量消耗 ， 保持负载不断电 。正是氢气储能使得系统在季节变换时实现不间断供电 。6 结束语根据负载特性和太阳光照强 度 时 间 分 布 曲线 ， 设计光伏阵列并配置储能器件使得系统完全零排放 ， 无污染 ， 连续独立运行 。 在典型储能器件特性和充放电数学模型基础上 ， 研究独立光伏混合发电自治系统的拓扑 、 工作模式及配置容量估计和优化 。按照负载的平均功率 、 光照系统的平均光照强度以及各个储能器件的充放电效率 ， 进行了适用于中小功率系统的各组成部件容量估计 。 根据各部分对负载所供能量比例 ， 得到系统的平均效率 ， 按照负载平均功率 、 平均日照强度和平均效率 ， 估算所需光伏阵列的有效面积 。 按照蓄电池和燃料电池功能估算比例 ， 结合充放电效率 ， 得到蓄电池和燃料电池功率 。 超级电容按照负载变化剧烈程度进行估计配置 。用穷尽搜索法对一定负载曲线下的独立光伏混合发电自治系统进行了优化配置 。 以经济性和效率为指标 ， 以年为周期 ， 按照超级电容 、 蓄电池和电能制氢 /燃料电池的充放电顺序 ， 得到经济性即成本最低或效率最高的配置方案 。 研究了不同配置变化时对经济性和效率变化的敏感程度 ， 为进一步改善和提高系统性能提供依据 。参考文献 [1] 伟纳姆 .应用光伏学 [M].上海 上海交通大学 出 版 社 ，2009.[1] Wei Namu. 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Renewable Energy， 2012（ 45） 7-15. 1310可再生能源 2015， 33（ 9）Independent photovoltaic hybrid energy storage optimizationdesign of autonomous power systemZhang Ren1， Xu Hongwei1， 2（ 1.KeyLaboratory of EM （ Zhejiang University of Technology）， Ministry of Education Zhejiang Province， ZhejiangUniversity of Technology， Hangzhou 310032， China； 2.College of Mechanical and Electrical Engineering， ChinaJiliang University， Hangzhou310018， China）Abstract Power autonomoussystemis a zeroemission systemof continuous operation without inter-ruption. According to the load characteristics and the sunlight intensity curve， the typical energy stor-agedevices,such as storagebattery， fuel cell/electrolytic hydrogen production and supercapacitor， areoptimally assembledin an independent photovoltaic hybrid energy storagepower autonomoussystembyexhaustive search method. In the years running period， the energy storagedevices are charged and dis-charged in accordance with a sequence of the super capacitor， the storagebattery and the fuel cell/electrolytic hydrogen production to achieve an uninterrupted power supply allocation scheme.Accord-ing to the cost of each device installation, operation and maintenance， annual operation cost of eachconfiguration schemeis calculated, which provides somereferencefor the designof independent photo-voltaic hybrid energystoragepower autonomoussystem.Key words photovoltaic power generation； hybrid energy storage； autonomous system； optimiza-tion 1311张 任 ， 等 独立光伏混合储能发电自治系统配置优化