基于改進粒子群算法的風氫儲系統容量優化配置

呼鵬飛，萬萌萌，余海天，孔佳文，丁彥如，陳佳輝

（南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 211167）

引言

為達成“雙碳”目標，大力發展可再生能源已成為能源發展趨勢。風能具有清潔環保等優點，近年來發展迅速。然而風電所具有的反調峰特性，使電能品質差、不利于大規模并網，同時由于電能不易儲存，生產實踐中風電消納問題突出，棄風限電現象嚴重[1]。因此，建立可以彌補反調峰特性儲能系統的需求刻不容緩。

目前，國內外學者對使用儲能技術解決風電消納問題進行了一系列研究。代兵琪等學者采用抽水蓄能方式，最優分配各時段蓄能裝置功率，使風電場效益最大化[2]。姬聯濤等學者利用飛輪儲能裝置，提出動量補償控制方式，平抑風電場輸出功率波動[3]。劉春陽等學者利用蓄電池儲能裝置，采用分組優化分層調度，實現系統收益最大化[4]。顏湘武等學者采用超級電容器儲能裝置，提出基于變功率點追蹤的一次調頻策略，優化系統經濟性和運行安全性[5]。當前，風氫儲能技術是研究熱點，搭建風氫儲系統并合理配置儲能單元容量，是消納風電，提升系統經濟性的有效方法。

學者對風氫儲系統各單元容量配置的研究已取得一定進展。于淼等學者通過建立雙層規劃模型，使用遺傳算法求解給出容量配置，有效降低風電波動率[6]。朱顯輝等學者基于動態電價，通過能量管理算法和容量優化算法給出各單元優化配置，實現系統經濟性的提升[7]。

上述研究多以系統成本最小為目標，少有考慮政策效益等因素的影響，缺乏對風氫儲系統整體效率和效益的研究。基于上述研究，本文通過量化售氫收益、環保減排收益、棄風懲罰成本，給出了儲能單元容量配置的數學模型，結合平抑風電波動率等前提給出約束條件，基于華東某地風電出力及負荷四季典型日曲線，采用改進粒子群算法，計算出各單元容量配置，得到系統最優整體收益，并定量分析儲氣罐容量變化對系統經濟性的影響。

1 儲能系統主要部件介紹

風氫儲系統結構包含風力發電機、電解槽、儲氫裝置、燃料電池及壓縮輸送管道等設備。本文風氫儲系統采用堿性電解槽，高壓壓縮氣態儲氫裝置以及質子交換膜式燃料電池，系統關鍵裝置電解槽及氫燃料電池簡介如下。

1.1 電解槽

電解水制氫環保高效，電解槽被隔膜分為陽極室和陰極室，當直流電通過時，水分子在與電極界面處發生電化學反應，陰極上還原反應產生氫氣。當前堿性電解槽工業應用多，以其為例，輸出功率可表示為：

1.2 氫燃料電池

氫燃料電池利用電化學反應直接將化學能轉化為電能的發電裝置。目前質子交換膜式燃料電池工業應用多。以其為例，輸出功率可表示為：

式中Pi為輸入燃料電池功率，Nhc為 儲氫設備效率，Nes為燃料電池效率，本文依次取95%和55%。

2 目標函數

2.1 效益目標函數

綜合考慮風氫儲系統項目年收益與項目年成本，建立目標函數如公式(3)所示[8]：

式中，Xt為風氫儲系統項目年收益，Yt為風氫儲儲能系統項目年成本。

（1） 項目年收益，如公式(4)所示：

式中，X1為年直接上網售電收益、X2為儲能系統售電年收益、X3為年售氫收益、X4為環保補貼年收益。

（2） 年直接上網售電收益，如公式（5）、（6）所示：

式中，ves為經風儲系統燃料電池發售電上網電價，Ees為氫氧燃料電池年上網電量，Pes,t為第t 小時燃料電池發電上網平均功率。

（4） 年售氫收益，如公式（9）、（10）所示：

（5） 年環保補貼收益，如公式（11）、（12）所示：

2.2 成本目標函數

（1） 項目年成本，如公式（13）所示：

式中，Ddj為電解槽年等值成本，Dys為壓縮機年等值成本，Dcq為儲氫裝置等年值成本，Ddc為燃料電池等年值成本，Fdj為電解槽容量，Fys為壓縮機設備容量，Fcq為儲氫設備容量，Fdc為燃料電池容量，adj為電解槽設備單位容量成本，ays為壓縮機單位容量成本，acq為儲氫設備單位容量成本，adc為燃料電池單位容量成本，i 為設備折現率，n 為設備壽命。

（3） 設備年運維成本，如公式（19）至（23）所示：

（4） 年棄風處罰成本，如公式（24）和（25）所示：

3 本文算法介紹

3.1 標準粒子群算法簡介

3.2 引入線性權重及變異環節

由于基本粒子群算法在迭代后期會出現全局搜索能力不足而陷入局部最優解的缺點，本文通過引入線性權重和變異環節予以改善。線性權重即增加一個新的學習因子，讓粒子群加速度隨迭代而變化。變異環節即強行改變某些粒子的位置屬性，淘汰缺乏活力的粒子而擴大搜索范圍以尋求全局最優解。改進后速度更新公式為：

本文算法流程見圖1。

4 算例分析

4.1 算例參數設置

本文以華東某地總裝機容量為10 MW 的風電場系統為例，該風電場風況受季節更替影響變化大，具有鮮明季節特性，呈現春夏小秋冬大的特點。該風電場各季節典型日出力情況見圖2。

假設風儲系統初始風儲為0，儲氫裝置初始容量為額度容量，系統制取所得氫氣銷售穩定，并依據實際經驗及預實驗結果，將風儲系統各部件容量區間保守設置為[0.1,20]（MW）。參數設置見表1。

表1 算例具體參數設置

4.2 算例結果描述

本文設置該地某城鎮工業產業區和某鄉鎮居民種植區兩個場景，兩場景風電處理年負荷穩定，無明顯季節性浮動且具地區參考性，兩場景典型日負荷曲線見圖3，電力缺額波動曲線見圖4。

算例計算結果表明，通過加裝風氫儲系統，可以有效提高系統經濟性。兩場景下分別加裝風氫儲系統后，系統實現增收及裝置容量最佳配置見表2。

表2 風氫儲系統各單元容量最佳配置及系統營收

4.3 算例定性分析

將由粒子群算法解得的各裝置容量最佳配置數據代入模型后得到的系統棄風量對比見圖5，圖6。

分析圖中曲線，由虛線可知，未加裝風儲系統前棄風波動大，由實線可知，加裝風儲系統后棄風波動減小，這表明風氫儲系統可以較好吸納風電，提升風電利用率，從而更平穩的向負荷供電。

將算法求解所得到的最佳容量配置中，分析風氫儲系統關鍵組成單元儲氫裝置容量大小對系統經濟性影響，以城鎮工業區為例計算結果見圖7。

由圖示可知儲氫裝置容量對系統經濟性影響大，儲氫裝置存在一個最佳容量范圍，容量過小時，不易消納風電，系統經濟性低；容量過大時，投資成本大且負荷率低，系統經濟性也低。

5 結論

本研究基于經濟性指標搭建風氫儲系統模型，以系統最大收益為目標，利用改進粒子群算法計算出不同場景下風氫儲系統各單元最佳容量配置。分析算例可知，通過加入風氫儲系統可有效減小棄風量，并可結合售氫等途徑提高系統整體效益。在雙碳目標時代背景下，本文為未來風氫儲系統搭建和電網規劃提供了參考。