作者簡介

李奇(1984)，教授/博導，IET Fellow、IEEE Senior Member，IEEE工業電子學會交通電氣化技術委員會委員和分委會主席、中國電源學會交通電氣化專委會副秘書長。獲教育部優秀成果自然科學獎2項、協會/企業獎勵4項，以及教育部霍英東高校青年教師基金、四川省杰出青年基金等。研究方向為軌道交通綜合能源接入與消納、混合發電系統優化與控制等。

趙淑丹(1996)，碩士研究生，研究方向為微電網運行與優化。

陳維榮(1965)，教授/博導，西南交通大學電氣工程學院院長，磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室主任，國務院政府特殊津貼、茅以升鐵道科技獎獲得者，四川省學術和技術帶頭人、四川省教學名師、IET Fellow、IEEE Senior Member，獲國家科學技術進步二等獎2項、省部級自然科學獎和科技進步獎10項，以及國家教學成果獎2項。研究方向為軌道交通自動化、氫能技術及應用等。

團隊介紹

陳維榮教授作為學術帶頭人的軌道交通新能源技術與應用研究團隊，是一直以基礎研究為核心、應用研究為驅動、產業化推廣為目標的研究團隊，隸屬于西南交通大學電氣工程學院和國家軌道交通電氣化與自動化工程技術研究中心。

 

團隊主要開展軌道交通綜合能源接入與消納、燃料電池發電及儲能技術、新能源混合動力技術、交/直微電網運行與控制技術等領域的科研工作。先后主持、主研國家科技支撐計劃項目、國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃等國家、省部級科技攻關項目和重大工程項目40余項，并成功研制了世界首列燃料電池混合動力有軌電車和國內首輛燃料電池電動機車。

 

獲國家科學技術進步二等獎2項、省部級科技進步獎11項。出版專著7部，發表學術論文300余篇（其中SCI /EI 200余篇），申請/授權發明專利100余項。

為了提高微電網的運行經濟性和能源利用率，同時保證其供電可靠性，提出一種適用于電氫耦合混合儲能微電網的多目標容量優化配置方法。該方法通過控制系統內各儲能裝置的工作狀態，來決定各微源的出力順序，采用PSO優化算法求解了綜合指標最優的配置方案，最后通過搭建RT-LAB 半實物仿真平臺，驗證了系統在實際工作中的經濟性與穩定性。

項目背景

微電網內各設備的容量合理配置是微電網規劃設計階段的重要內容，對保證系統安全穩定運行、減少投資成本等方面具有重要的指導意義。目前針對微電網容量優化配置的研究大多以風光發電、柴油發電機和蓄電池間的協調配合為主，針對氫儲能系統并入微電網的研究相對薄弱。

但是氫能具有清潔、高效、能量密度大等優勢。電能氫能協調配合，能夠提高能源利用率，實現能量梯級利用。因此，考慮電氫耦合的混合儲能微電網的容量優化配置研究具有重要意義。

論文所解決的問題及意義

本文提出了一種適用于電氫耦合混合儲能微電網的多目標容量優化配置方法。該方法將由電解槽-儲氫罐-燃料電池組成的氫儲能系統應用于孤島直流微電網的容量優化配置問題中，能實現微電網內電能和氫能的相互轉換，提高光伏發電利用率。通過控制系統內各儲能裝置的工作狀態，決定各微源的出力順序，再使用加權法將多目標問題轉化為單目標問題。

通過仿真軟件和RT-LAB半實物硬件平臺驗證了所提策略能夠對各設備進行有效的功率分配，所提方法能夠得到綜合經濟性和可靠性最優的容量配置方案。

論文方法及創新點

本文首先建立了微電網內各分布式能源的數學模型，包含電儲能系統模型和氫儲能系統模型。

圖1 微電網結構

然后，提出一種以微電網系統經濟性和供電可靠性為目標，以單位電量成本、負載失電率和能量過剩率作為評估指標的微網容量優化配置方法。

通過控制系統內各儲能裝置的工作狀態，決定各微源的出力順序，當光伏功率大于負荷功率時，多余的能量首先給蓄電池充電，剩余能量通過電解槽轉化為化學能并儲存在儲氫罐中；當光伏功率小于負荷功率時，由蓄電池優先工作，釋放電能以補充系統缺額功率，再由燃料電池發電補充缺額功率。

圖2 運行控制策略流程圖

最后，選取某地區一年內的光照及負荷數據進行算例分析，采用粒子群優化算法求解模型，并對比分析不同優化算法、權重系數對優化結果的影響。采用RT-LAB半實物仿真平臺使用配置結果在實際情況下進行了實驗驗證。仿真平臺型號為OP5600HILBOX，運行速度為3.3GHz，本實驗中運行步長設為0.1ms，仿真時間設為1天。仿真平臺如圖3所示。

圖3 RT-LAB實時仿真平臺

電儲能及氫儲能系統狀態如圖4所示。

圖4 系統儲能狀態

結論

微電網的容量優化配置不僅能夠充分利用太陽能，減少棄光，還可以提高微電網系統的經濟性和供電可靠性。本文建立了考慮電氫耦合的混合儲能孤島微電網的微源容量優化配置模型，在不同優化算法和不同權重系數下進行了仿真，并通過RT-LAB在線運行對本文所提運行控制策略進行驗證，具體結論如下：

（1）采用兩種優化算法對本文所建微電網容量優化配置模型進行求解，由結果分析可得，兩種優化算法均能夠進行容量配置，得到最小目標函數值下的最優配置方案，且能滿足用戶需求。但粒子群優化算法在系統穩定性和工作效率方面均優于回溯搜索算法。

（2）負載失電率和能量過剩率在目標函數中所占比重越高，孤島微電網的單位電量成本越高，即高供電可靠性是以高投資成本為代價的。因此，合理設置可靠性指標是減少孤島微電網冗余投資的有效方法。

引用本文

李奇， 趙淑丹， 蒲雨辰， 陳維榮， 于瑾. 考慮電氫耦合的混合儲能微電網容量配置優化[J]. 電工技術學報， 2021, 36(3): 486-495. Li Qi, Zhao Shudan, Pu Yuchen, Chen Weirong, Yu Jin. Capacity Optimization of Hybrid Energy Storage Microgrid Considering Electricity-Hydrogen Coupling. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 486-495.