郭成威，田 書(shū)，劉明杭

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

伴隨著時(shí)代的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源被過(guò)度開(kāi)采并逐漸枯竭。同時(shí)，使用化石能源會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，這就要求能源利用需由傳統(tǒng)的化石能源向可再生能源過(guò)渡[1-3]。風(fēng)、光等可再生能源具有間歇性和不確定性，將其大規(guī)模并入電力系統(tǒng)會(huì)有棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，造成資源的浪費(fèi)。利用清潔的含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)一方面可以減少對(duì)環(huán)境的污染，另一方面可以降低棄風(fēng)棄光率[4-6]。

目前，研究人員利用多源互補(bǔ)發(fā)電來(lái)降低風(fēng)光發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)的影響，并利用風(fēng)光和儲(chǔ)能裝置之間相互配合發(fā)電。文獻(xiàn)[7]搭建了風(fēng)光聯(lián)合的動(dòng)態(tài)環(huán)境經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，用改進(jìn)的差分進(jìn)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解，驗(yàn)證了其算法和模型的合理性。文獻(xiàn)[8]以最少的火電和水電運(yùn)行成本為目標(biāo)，構(gòu)建風(fēng)光水火互補(bǔ)的調(diào)度模型，采用改進(jìn)的差分進(jìn)化算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[9]建立風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)的微電網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并分別就離網(wǎng)和并網(wǎng)展開(kāi)分析，采用改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行求解。文獻(xiàn)[10]利用含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)和蓄電池共同配合風(fēng)光出力，并與傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提儲(chǔ)能方式的可行性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[11]以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低為目標(biāo)，驗(yàn)證了含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)減少棄風(fēng)量和提高經(jīng)濟(jì)性的作用。

上述文獻(xiàn)對(duì)于多源發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度以及利用儲(chǔ)能裝置參與調(diào)度多有研究，但利用含氫儲(chǔ)能的多源聯(lián)合發(fā)電研究比較少。未來(lái)能源朝著環(huán)保清潔的方向發(fā)展，在多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中加入含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究具有現(xiàn)實(shí)意義?；诖?，本文首先描述了多源發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，然后構(gòu)建了儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力模型，接著以運(yùn)行成本和棄電懲罰成本最小為目標(biāo)構(gòu)建含氫儲(chǔ)能的多源發(fā)電系統(tǒng)日前調(diào)度，最后通過(guò)算例分析，驗(yàn)證了含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可以降低多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光率，以及提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

1 多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、火電場(chǎng)和含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。以充分接納新能源和節(jié)能減排為導(dǎo)向，根據(jù)出力計(jì)劃優(yōu)先安排風(fēng)能和光伏出力，由火電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平滑風(fēng)光出力。

圖1 多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Figure 1. Basic structure of multi-source combined power generation system

2 氫儲(chǔ)能系統(tǒng)出力模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由堿式電解槽、儲(chǔ)氫罐和燃料電池組成。當(dāng)風(fēng)光超發(fā)時(shí)，多余的電可以用來(lái)電解水產(chǎn)生氫氣，然后由儲(chǔ)氫罐加壓儲(chǔ)存。當(dāng)風(fēng)光欠發(fā)時(shí)，可以由儲(chǔ)氫罐里面的氫氣作為燃料提供給燃料電池發(fā)電。其出力模型[12]為

(1)

風(fēng)光超發(fā)時(shí)，產(chǎn)生H2的量可以用式(2)表示

(2)

風(fēng)光欠發(fā)時(shí)燃料電池的輸出功率可以用式(3)表示

(3)

式中，γ表示燃料電池效率；Qt表示t時(shí)段輸入燃料電池H2的量；μ表示產(chǎn)生單位千瓦時(shí)的電量所需要H2的量。

儲(chǔ)氫罐中H2的量可以用式(4)表示

(4)

3 含氫儲(chǔ)能的多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)運(yùn)行成本最低(僅考慮火電機(jī)組的燃煤成本，不考慮風(fēng)電機(jī)組和光伏電站的運(yùn)行成本)和棄風(fēng)棄光的棄電懲罰成本最小為目標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)為

(5)

式中，F(xiàn)為系統(tǒng)運(yùn)行總成本；t為運(yùn)行時(shí)段；T為總的運(yùn)行時(shí)間段；Ct1表示第t時(shí)段內(nèi)火電機(jī)組的燃煤成本；Ct2表示第t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本；Ct3表示第t時(shí)段內(nèi)的棄電懲罰成本。

火電機(jī)組的燃煤成本及其出力是一個(gè)二次函數(shù)關(guān)系，并且該函數(shù)是一個(gè)凸的非線性函數(shù)[13]。具體表達(dá)式為

(6)

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行成本為

(7)

式中，βt表示第t時(shí)刻電網(wǎng)的分時(shí)電價(jià)。

棄電懲罰成本主要就是棄風(fēng)和棄光產(chǎn)生的懲罰費(fèi)用之和

(8)

3.2 約束條件

系統(tǒng)功率平衡約束為

(9)

火電機(jī)組爬坡約束為

(10)

對(duì)于任一時(shí)段任一個(gè)火電機(jī)組來(lái)說(shuō)，其出力應(yīng)滿足下列約束

(11)

為了更好地利用新能源，降低調(diào)度中的火電機(jī)組出力，把新能源未消納的部分用作備用的一部分，也稱為熱備用約束[14]

(12)

式中，σ為熱備用系數(shù)。

風(fēng)電場(chǎng)出力約束指風(fēng)電場(chǎng)任一時(shí)段計(jì)劃調(diào)度的出力應(yīng)不大于風(fēng)電的預(yù)測(cè)出力[15]

(13)

光伏電站出力約束指光伏電站任一時(shí)段計(jì)劃調(diào)度的出力應(yīng)不大于光伏電站的預(yù)測(cè)出力

(14)

儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)約束為

(15)

(16)

(17)

4 算例分析

4.1 基本數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置

氫儲(chǔ)能系統(tǒng)受投資費(fèi)用、安全性 、氫燃料電池效率和相關(guān)政策和法規(guī)等因素的影響。目前國(guó)際上僅針對(duì)小型氫能“發(fā)電站”開(kāi)始進(jìn)入推廣期，故本文采用6臺(tái)火電機(jī)組、1個(gè)風(fēng)電場(chǎng)、1個(gè)光伏電站和1個(gè)氫儲(chǔ)能電站組成的小型多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行算例分析。其中火電機(jī)組具體參數(shù)如表1所示，風(fēng)光電發(fā)電預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2所示[17]，含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如表2所示[12]，電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)見(jiàn)表3。含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為10 MW，充放電功率上限為20 MW，儲(chǔ)氫罐最小和最大容量分別取其裝機(jī)容量的10%和90%，其起始狀態(tài)為總裝機(jī)容量的30%。熱備用系數(shù)取5%，棄風(fēng)棄光懲罰系數(shù)取500元/MWh[18]。

表1 火電機(jī)組具體參數(shù)

表2 含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

表3 電網(wǎng)分時(shí)電價(jià)

圖2 風(fēng)光電發(fā)電預(yù)測(cè)及負(fù)荷預(yù)測(cè)Figure 2. Wind and photovoltaic power generation forecasting and load forecasting

4.2 有無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)度計(jì)劃結(jié)果

本文通過(guò)YALMIP工具箱分別對(duì)上述多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)情況進(jìn)行求解。有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)和無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的日前調(diào)度計(jì)劃結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的日前調(diào)度計(jì)劃Figure 3. A day-ahead scheduling plan with a hydrogen storage system

圖4 無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的日前調(diào)度計(jì)劃Figure 4. A day-ahead scheduling plan without a hydrogen storage system

從圖3可以看出，調(diào)度計(jì)劃中的負(fù)荷需求得到了滿足，風(fēng)光出力得到了合理的安排，火電機(jī)組出力較為平穩(wěn)。從圖4可以看出，調(diào)度計(jì)劃中的負(fù)荷需求基本上也能被滿足，但機(jī)組出力波動(dòng)相對(duì)較大。風(fēng)光出力波動(dòng)性比較強(qiáng)，如果系統(tǒng)中沒(méi)有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，就需要用火電機(jī)組來(lái)代替其去平滑風(fēng)光出力。因此在沒(méi)有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與的調(diào)度計(jì)劃中，火電機(jī)組出力相對(duì)波動(dòng)性較大。

4.3 有無(wú)儲(chǔ)能參與系統(tǒng)成本和風(fēng)光出力情況對(duì)比

為進(jìn)一步研究有、無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)，需對(duì)兩者從火電機(jī)組出力成本、棄風(fēng)棄光懲罰成本和棄風(fēng)棄光量方面進(jìn)行對(duì)比。有、無(wú)儲(chǔ)能參與系統(tǒng)的運(yùn)行成本如表4所示。無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的風(fēng)光預(yù)測(cè)出力和實(shí)際出力見(jiàn)圖5。有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的風(fēng)光預(yù)測(cè)出力和實(shí)際出力見(jiàn)圖6。有、無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光量見(jiàn)圖7。

表4 有、無(wú)儲(chǔ)能參與系統(tǒng)的運(yùn)行成本

圖5 無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)風(fēng)光預(yù)測(cè)出力和實(shí)際出力Figure 5. Wind-solar forecast and actual output when there is no hydrogen storage system

圖6 有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)風(fēng)光預(yù)測(cè)出力和實(shí)際出力Figure 6. Wind-solar forecast and actual output when there is a hydrogen storage system

圖7 有、無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光量Figure 7. Amount of wind and light abandonment with or without hydrogen-containing energy storage system participating in the system

從表4可以看出，相比無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與的多源發(fā)電系統(tǒng)日前調(diào)度，當(dāng)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與時(shí)，火電機(jī)組出力成本減少5.7%。有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與時(shí)的棄風(fēng)棄光成本僅為89元，相比無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與時(shí)減少了約6.91萬(wàn)元。雖然有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與時(shí)有0.1萬(wàn)元的折舊成本，但相比無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與時(shí)的棄風(fēng)懲罰成本來(lái)說(shuō)，經(jīng)濟(jì)性更好。此外，有含氫儲(chǔ)系統(tǒng)可以平滑風(fēng)光出力，使火電機(jī)組出力更加平穩(wěn)，從而降低了火電機(jī)組出力成本。這也說(shuō)明在調(diào)度運(yùn)行中，含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可以降低多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光率，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

從圖5可以看出，風(fēng)電和光電實(shí)際出力和各自預(yù)測(cè)出力值有相對(duì)差距，這說(shuō)明在各個(gè)調(diào)度時(shí)段內(nèi)都或多或少存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，新能源沒(méi)有得到充分的利用，浪費(fèi)了清潔能源。從圖6可以看出，風(fēng)電和光電實(shí)際出力和預(yù)測(cè)出力在每個(gè)調(diào)度時(shí)段內(nèi)重合性都比較高，幾乎不存在棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，新能源的利用率較高，這也說(shuō)明了含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠提高新能源的接納率，使新能源得到更好的利用。

從圖7可以看出，有含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與的多源聯(lián)合發(fā)電調(diào)度計(jì)劃中棄風(fēng)棄光量比較低，每時(shí)段的棄風(fēng)棄光量接近于零。無(wú)含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)參與的調(diào)度計(jì)劃在每個(gè)時(shí)段幾乎都有棄風(fēng)棄光量，且相對(duì)較高。這表明在無(wú)含氫系統(tǒng)的調(diào)度中，風(fēng)光沒(méi)有被完全接納，而加入含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以有效地改善該現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)的多源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)日前調(diào)度模型。以系統(tǒng)總運(yùn)行成本和棄電懲罰成本最小為目標(biāo)，考慮火電機(jī)組相關(guān)約束、風(fēng)電和光電機(jī)組出力約束，含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)約束，利用YALMIP工具箱進(jìn)行編程并通過(guò)CPLEX求解器進(jìn)行求解。通過(guò)算例分析得出含氫儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平滑風(fēng)光出力，使火電機(jī)組出力更加平穩(wěn)，還可以有效減少聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的棄風(fēng)棄光量，提高風(fēng)光的接納率以及系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。但是，風(fēng)光出力具有隨機(jī)性，在調(diào)度中應(yīng)考慮其預(yù)測(cè)誤差，因此在下一步研究中將重點(diǎn)考慮風(fēng)光出力的預(yù)測(cè)誤差。