電氫混合儲能微電網容量配置優化的研究綜述

王一凡，王 輝*，李旭陽，方 航，王寶全，金子蓉

(1.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省微電網工程技術研究中心(三峽大學)，湖北 宜昌 443002)

近年來，隨著社會經濟的快速發展,人們對能源的需求量越來越大，能源危機日益嚴峻，石油、煤炭等傳統的化石能源儲量日益減少，其引起的環境污染日益嚴重。此外，由于傳統的集中式發電拓撲結構單一、供電靈活性較差，已經不能滿足用戶對供電可靠性、安全性的要求，因此，以風電、光伏等為代表的分布式能源發電受到國內外專家的重視，在以國家能源戰略布局為主導的影響下，大規模清潔型能源將逐漸替代傳統發電形式接入到電力系統中。分布式電源之間相互獨立運行，不會發生大規模集中停電故障，因此相比于傳統集中發電，分布式電源具有更高的可靠性。但風、光等資源會受到地理環境、溫度等客觀因素影響，具有較強的不確定性，這會導致風、光發電機組出力不穩定，此時將新能源并網必然導致電力系統運行穩定性大幅下降，并造成棄風、棄光現象的出現。當分布式電源滲透率超過一定上限后，其靈活、經濟、環保等優勢將無法得到充分發揮，甚至會降低電力系統的安全、經濟、穩定運行，增加電力系統規劃、運行的復雜度及不確定性。微電網是目前新能源多能互補優化和良好接入大電網的一種有效手段，而作為電能儲存裝置的儲能系統，充分彌補了風、光發電機組出力的不穩定性與不可控性，對改善微電網中的電能質量、負荷持續供電具有重要作用。包含儲能裝置在內的微電網可以作為小型供用電系統，工作模式分為并網和孤島，其基本可以實現內部電力能量平衡。

國家發改委等五部委2017年發布的《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》明確指出：“十三五”期間任務為推動儲能電站示范工程建設，加強多種電源和儲能設施集體互補；“十四五”期間全面掌握具有國際領先水平的儲能關鍵技術，形成較為完善的技術和標準體系。2020年10月29日中國共產黨十九屆五中全會通過的“十四五”規劃與2035年遠景目標建議都提出，要加快推動綠色低碳發展，降低碳排放強度，支持有條件的地方率先達到碳排放峰值，制定2030年前碳排放達峰行動方案。2020年12月召開的中央經濟工作會議中碳達峰、碳中和被作為2021年要做好的八項重點任務之一，并明確二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，力爭在2060年前實現碳中和?？梢钥闯?，在滿足經濟性、可靠性指標的同時，環保問題也是重中之重。

對于微電網，在過去的研究里，電源側一般包括光伏、風力、微型燃氣輪機等，而儲能側由單一類型儲能或由單一類型儲能發展為多種類型儲能共同協調工作，例如蓄電池搭配超級電容器、蓄電池搭配抽水蓄能等混合儲能系統。而近些年來，包括氫儲能的混合儲能進入公眾視野，氫儲能具有清潔、高效、能量密度大、容量大等優點，而蓄電池價格較低，響應較快，壽命較低，但存在一定的環境污染問題，兩者具有一定程度的互補特性，合理配置后在提高微電網存在的經濟性和可靠性同時，還可大幅度提升微電網對新能源的消納能力。同時氫儲能在綜合能源系統、電動汽車等方面也有廣泛應用，因此合理規劃包含蓄電池和氫儲能的混合儲能容量配置具有十分重要的意義。

1 微電網系統結構

本文所研究的包含氫儲能的混合儲能微電網結構如圖1所示，其中分布式電源包括光伏陣列、風電機組，混合儲能包括蓄電池和氫儲能，氫儲能由電解槽、儲氫罐和燃料電池組成，各個系統通過變換器與交流母線連接。

圖1 含氫儲能的混合儲能微電網結構Fig. 1 Structure diagram of hybrid energy storage microgrid containing hydrogen energy storage

如圖1所示，其中的箭頭表明功率流向，分布式電源部分負責輸出功率，負荷部分為輸入功率，電網部分功率流動方向視微網功率缺額情況而定，儲能部分功率為雙向，既可輸入功率也可輸出功率。

2 微電網系統數學模型

2.1 電源側數學模型

2.1.1 光伏發電

光伏發電是利用光生伏特效應，將光能直接轉變為電能的一種技術，組成部分主要為太陽電池板、控制器和逆變器，由電子元器件構成，工作原理為半導體中的PN結通過太陽輻照產生光伏效應[1]。裝置中的電池經過串聯、封裝保護等一系列操作后形成太陽電池組件，再搭配功率控制器等部件就是完整的光伏發電裝置。無論從儲備還是發展前途來看，常規能源在中國乃至世界都是很有限的。在中國，一次性能源的儲量遠遠低于世界平均水平，大約只有世界總儲量的10%。而太陽能作為可再生能源，是人類取之不盡用之不竭的財富，它具有充分的清潔性良好、安全性高、廣泛性、壽命長、免維護性、資源充足及經濟性等一系列優點，中國領土廣大，光伏可充分發揮其優點，在長期的能源戰略中具有重要地位。不過太陽能電池板的生產卻伴隨著高污染、高能耗的缺點；據統計，生產一塊1.0 m×1.5 m太陽能板必須燃燒超過40 kg煤，同時光伏出力會受到天氣、溫度、地理條件等外界因素的影響。

文獻[2]從復雜光照條件下的光伏組件的輸出特性出發，建立了獨立組件的數學模型，根據最后的仿真結果總結了在復雜光照條件下光伏組件輸出特性的規律；文獻[3]提出一種基于高斯混合模型的光伏發電功率概率區間預測方法;文獻[4]從光伏發電板方面考慮各種角度因素，包括維度、傾斜程度、太陽光的入射角等，將這些影響因素囊括進光伏陣列數學模型。

在大部分研究中，光伏發電PV(photovoltaic)的輸出功率會考慮受到不同光照強度以及環境溫度變化帶來的影響[4-5]，其表達式可表示為

(1)

式中：PSTC為光伏陣列在標準條件下的額定輸出功率；GSTC為標準條件下的太陽輻照度；GC(t)為t時刻工作點實際的太陽輻照度；K為功率溫度系數；TC(t)為在t時刻的工作點溫度；TSTC為在標準條件下的溫度；NPV為光伏陣列單元數量。

2.1.2 風力發電

作為一種清潔性高的可再生能源，風能近些年越來越受到世界各國的重視[5]，其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能雖然只占百分之一，但比全球可供開發利用的水能總量還要多10倍，高達2×107MW。由于中國具有地理條件優勢，所以風能的儲量大且分布面廣，僅是陸地上的風能儲量就接近2.53×105MW。風力發電主要依賴于風機，利用風力來帶動風車葉片進行旋轉，再依靠增速機將葉片旋轉的速度提升，促使發電機運行工作，即先把自然界中風的動能轉變成機械能，再把機械能轉化為電能的過程，這就是風力發電[6]。由于風力發電具有無需燃料，也不會產生輻射或者空氣污染等優勢，所以研究和應用正在世界上形成一股前所未有的熱潮。但與光伏發電類似，風能通常也會受到氣候和地理環境的影響，因此具有隨機性和間歇性，可以看出對于風速的預測是不可忽視的研究重點。對于風電的數學模型，大多數采用2種，一種是自回歸滑動平均模型(ARMA)[7-8],其將過去的風速數據與當前時刻相關聯，以此對未來的風速進行預測；另一種是基于韋布爾參數分布來對風速進行預測的輸出功率模型[9]，它是通過概率函數來對風速分布進行預測，以此獲得相應的風速，最后對風機出力進行計算。

傳統研究中通常把風力發電機WT(wind turbine)的輸出功率和風速之間的關系近似地表示為：

(2)

式中：Pr為風機額定功率；v為實際情況下的風速；vin為切入風速；vout為切出風速；vr為額定風速。

2.2 儲能側數學模型

2.2.1 儲能類型

目前儲能系統大致上可以分為5大類：機械儲能、電儲能、電化學儲能、熱儲能以及化學儲能，如表1所示。各種儲能技術特點如表2所示。

表1 儲能系統分類Tab. 1 Classification of energy storage systems

表2 不同儲能裝置的特點Tab. 2 Characteristics of different energy storage devices

根據表1和表2，從功能方面來看儲能大致可以分為能量型和功率型2種類別[10]，能量型儲能的能量密度較高且容量大，但它的放電時間較長，循環壽命較短，可作為長期儲能設備[11]；功率型儲能的功率密度較高且響應速度更快，循環壽命長，但與能量型儲能不同的是它無法大容量儲存，只能作為短期儲存設備[12-13]。

儲能技術的應用對于微電網有著不可忽視的影響，其作用不僅體現在微電網的經濟性方面，還體現在微電網的可靠性方面。文獻[14]從風電功率的隨機波動對系統造成的影響考慮，采用滑動平均法來平滑風電功率波動，以此達到降低對電網造成影響的目的，在不同置信水平和容量下，以波動量的各個參量為指標，分析了該混合儲能系統的平抑效果。文獻[15]從可再生能源微電網技術特點出發，對儲能系統在微電網中的作用、分類、設計優化方法和應用情況進行綜述，綜合評估能量密度、功率密度、響應時間以及額定功率。文獻[16-17]分析了3個不同場景下的儲能應用規劃以及相關效益評估，分別列舉了其優缺點，闡述儲能規劃中有待進一步考慮的問題和未來應用推廣過程中應予以關注的方面。

2.2.2 氫儲能模型

近年來，氫儲能作為新型儲能逐漸進入人們的視野，它所具備的能量密度大、容量大、無污染等優勢也在研究中逐漸被發掘出來。氫儲能具有的清潔性能使其可以在“雙碳”戰略下作為未來大力開發和利用的能源系統，可以在微電網中作為長期儲能系統，實現低碳可靠運行[18-21]。

與傳統的石油、天然氣相比較，氫氣具有更高的效率特性：研究發現在單位產品質量下氫氣燃燒放出的熱量大約是汽油的2.5倍，是甲烷的3倍，更重要的是氫氣燃燒后產生的是水，這意味著氫燃料不僅不會造成環境問題，而且還能被有效進行循環利用，因此其被認為是人類未來社會發展的理想新能源[22]。

目前成熟的制氫技術路線主要有3種：第1種是以煤和天然氣等一次能源重整制氫；第2種是氯堿和焦爐煤氣等工業副產品制氫；第3種是通過水電解制氫。除了這3種主要制氫技術，還有生物質制氫以及太陽能光催化制氫等技術。其中，最為突出的電解水制氫技術主要有3種：固體氧化物電解(SOEC)、質子交換膜電解(proton exchange membrane electrolyse cells，PEMEC)以及堿性電解(AEC)。從能源效率角度考慮，固體氧化物電解技術優勢較大，從成本壽命考慮，則是堿性電解技術較優，其投資成本低，典型商業化規模最大，而目前運用較多的為質子交換膜電解技術。質子交換膜電解水技術(PEMWE)是依靠電化學反應，依靠氫氧燃料電池將氫氣轉化為水和電能，整個過程不排放二氧化碳和氮氧化物，具有獨特的清潔特性[23]。質子交換膜電解池以透薄的質子交換膜作為電解質，將純水電解，裝置簡易巧妙，相比于其他制氫方式其制備的氫氣純度較高，且安全性高，不會產生有害雜質，具有環保性。對于儲氫部分，市面上比較常見的儲氫方式分為2種：一種是物理儲氫，其包括液氫儲存、高壓氫氣儲存、碳纖維和碳納米管儲存等；另一種則是化學儲氫，包括金屬氫化物儲氫、有機液氫化物儲氫、無機物儲氫等[24]。

本文主要講述質子交換膜電解技術，其儲能裝置主要包括3部分：電解槽、儲氫罐和燃料電池，其中燃料電池為整個裝置的核心[25]，其工作原理如圖2所示，即在光伏、風力等可再生能源充足的條件下，電解槽將系統多余的電能用于電解水制氫，并將制得的氫氣儲存在儲氫罐中；當系統出力無法滿足負荷需求時，燃料電池將儲氫罐中儲存的氫氣作為燃料進行發電，以此滿足電負荷缺額功率，形成以電解槽負責電解制氫、儲氫罐儲存氫、燃料電池燃氫產電3個環節循環的系統。

圖2 氫儲能工作原理Fig. 2 Working principle of hydrogen energy storage

目前，應用于微電網的氫儲能系統多數用于儲能的規劃問題上。文獻[26]構建了考慮氫儲能系統間歇工作模式下熱平衡的系統模型，并考慮了風電場功率的不確定性以及氫儲能系統的投資成本問題，提出了風-氫混合儲能系統容量優化配置方案，最后采用分布式魯棒進行求解；文獻[27]以多目標建立混合儲能系統容量優化配置模型，在此模型的基礎上采用改進的差分進化鯨魚算法求解得到最優配置；文獻[28]分析氫儲能系統具有的清潔無污染、提高光伏發電利用率、平抑直流母線電壓波動等特性，采用粒子群優化算法求解，得到經濟性與供電可靠性綜合最優的容量配置結果。

在其他研究方面，氫儲能也是十分重要的一部分。文獻[29]提出一種新的氫儲能耦合天然氣燃氣蒸汽聯合循環系統，并對其進行分析，計算穩態工況下此系統效率，分析電流密度對產氫的影響和燃料中氫氣的比例對系統效率影響，結果表明該系統能更好利用新能源發電的多余電能；為更好地平衡系統能量，同時滿足運營商的收益需求，結合包含氫儲能的多能聯供聯儲的優點，文獻[30]設計了一種運營商結合氫儲能的工業園區基本架構，并考慮到價格與能量之間的博弈模式，構建新型氫儲綜合能源系統以及各個參與主體的博弈模型，在此基礎上提出三階段主從博弈框架，對新型綜合能源系統有一定參考意義；文獻[31]通過考慮需求側響應，建立了以系統運行總成本最小為目標函數的協調優化模型，利用禁忌搜索和粒子群2種算法相結合的改進算法進行求解，最后發現該方法增強了綜合能源系統的經濟性、環保性，并且提高了新能源的消納能力；文獻[32]根據氫儲能、系統能流結構和冷熱負荷的特性，設計了燃料電池出力與系統能量流動的耦合方式以及冷熱電聯供系統的運行模式，并以經濟最優為目標，結果表明，設計的運行模式能使燃料電池滿足冷、熱等多種負荷需求，實現能量的梯級利用，改善了系統的經濟性；文獻[33]以提高區域綜合能源系統的多能耦合利用效率為目的，提出含電轉氣的變效率熱電聯產調度模型，并在電解水制氫環節引入儲氫，以包含購能成本、運維成本以及能量損耗成本在內的系統總成本為目標函數，結果表明：與傳統的熱電聯產系統相比，該調度模型促進了能源的多級利用，有效提高了能源利用率和系統經濟性。

目前大部分對于氫儲能系統的研究所采用的數學模型為：

1)電解槽。

電解槽通過將水電解為氫氣和氧氣實現能量的轉換與存儲，輸出功率可表示為

Pe-out=ηe·Pe-in。

(3)

式中：ηe為電解槽的電解效率，一般取60%；Pe-in為電解槽的輸入功率。

2)儲氫罐。

作為雙向裝置的儲氫罐可以儲存電解槽電解水產生的氫氣，同時又可以為燃料電池提供產電的氫氣，提高系統的靈活性，其儲能的數學模型可表示為

(4)

式中:Estore(t)為t時刻儲氫罐儲存的能量；ηe_DC-DC為電解槽的轉換器工作效率，ηf_DC-DC是燃料電池轉換器的工作效率，一般分別可取90%；而ηstore是儲氫罐的工作效率，一般取50%。

3)燃料電池。

燃料電池模型為質子膜交換燃料電池(PEMFC)，該技術以氫氣和氧氣作為燃料，將其燃料內部的化學能轉換為電能儲存起來，其輸出功率為

Pf=Pstore-f·ηf。

(5)

式中：Pstore-f為儲氫罐輸送至燃料電池的功率；ηf為燃料電池的工作效率。

電解槽的最大輸入功率和燃料電池的最大輸出功率會受到它們自身容量以及儲氫罐剩余容量的限制，其限制可以表示為：

(6)

(7)

式中：Ce和Cf分別為電解槽和燃料電池的容量；Estore_max和Estore_min為儲氫罐儲能容量的上下限，一般取Estore_max=0.85Cstore，Estore_min=0.15Cstore；Cstore為儲氫罐的容量。

2.2.3 蓄電池模型

電池，又可稱為化學電池，是一種將化學能轉為電能的裝置。在充電時將內部活性物質再生，即把電能儲存為化學能；在放電時再采取逆反應思維把化學能轉為電能。這類電池被統稱為蓄電池(storage battery)，也可以稱為二次電池或是鉛酸蓄電瓶[15,34]。蓄電池是儲存化學能并在需要時提供電能的一種雙向電氣化學設備[35-36]。蓄電池模型建立方面的研究早在20世紀就開始了，國內外學者在很多相關領域內進行研究并已經取得了大量成果，不少科研機構已開發出不同種類的蓄電池仿真軟件和相關運行程序，比如美國國家可再生能源實驗室開發的ADVISOR、芝加哥大學國家實驗室開發的PSATC等。目前蓄電池種類比較多且結構相異，所以只用單一模型對它的特性進行描述顯然不夠充分。從研究目的來看，蓄電池的模型可以分為機理模型、外特性參數模型、等效電路模型[37]。

當前，蓄電池在微電網中已經有大量研究和應用，多數是針對微電網的經濟效應以及風光消納、平抑功率波動的研究。文獻[38]考慮到充放電深度對電池壽命產生的影響，提出一種基于荷電狀態的儲能電池有效容量估算方法，并根據電池的健康狀態來設定儲能系統的動態安全裕度，結果表明該方案延長了儲能系統的使用壽命，降低了配置成本；文獻[39]考慮到蓄電池的最大循環使用壽命和充放電深度之間存在的關系，采用機會約束規劃將輸出功率波動抑制于一定置信水平下，同時又可以提高電能質量和系統經濟性，結果驗證了方法的可行性；文獻[40]根據調度指令來確定電池組中充、放電個數，將電池的健康狀態和充放電優先級排序規則結合到一起，采用數學規劃算法對功率在各電池組之間的分配進行求解，驗證了此方案具有可行性，能夠延長電池組的使用壽命，但沒有考慮到多電池之間健康狀態存在的誤差；文獻[41]提出一種考慮電池荷電狀態的能量管理策略，分析微電網運行的穩定性和經濟效益，結合光伏可供能量和負荷需求功率，建立容量配置雙層優化模型，以某地實際數據為例求解；文獻[42]針對風電輸出功率具有波動性這一特征，采用滑動平均法濾除波動功率，達到平滑風電輸出功率的目的；文獻[43]為提升園區綜合能源系統(PIES)規劃-運行經濟性，從儲能的角度出發，提出考慮電池使用壽命及損耗的PIES電、熱混合儲能優化配置方法，在其中構建隸屬該園區的電池壽命損耗模型來量化評估電池壽命損耗情況，通過最后結果對比了傳統的單一儲能對系統規劃運行及電池壽命的影響。

當前研究中采用的蓄電池模型會考慮到充放電狀態，充放電時蓄電池儲存能量的變化。當蓄電池充電時儲存能量為

Ebat(t)=Ebat(t-1)(1-δ)+Pbat_ch(t-1)·ηch·ηbat_DC-DC·Δt。

(8)

當蓄電池放電時儲存能量為

(9)

式中：δ為蓄電池自放電率；Pbat_ch和Pbat_dh為蓄電池的充、放電效率；ηbat_DC-DC為與蓄電池相連的變換器轉換效率；t為時間步長。

2.2.4 電氫混合儲能

近些年關于儲能規劃問題已經不限于單一儲能。單一儲能存在價格昂貴、容量較小、壽命過短、平抑效果不佳等各種問題，因此在儲能容量配置的研究上一般采取混合儲能。為了實現“降本增效、節能減排”，文獻[44]提出一種超級電容器搭配蓄電池的混合儲能系統，將系統的不平衡功率進行經驗模態分解，以此得到高頻、低頻功率分量，充分發揮超級電容器和蓄電池的優點，將高頻功率分量歸于超級電容器負責，低頻功率分量歸于蓄電池承擔；文獻[45]在超級電容器-飛輪-蓄電池混合儲能系統的基礎上,使用模態分解把光伏與負荷之間的不平衡功率分解為高、中、低頻段，將3部分頻段作為3種儲能的參考功率；針對風力發電給電力系統帶來的沖擊，同時也為了提高風電滲透率，文獻[46]建立了抽水蓄能-電池混合儲能系統，提出常規和特殊場景下的風電出力，考慮約束條件，充分發揮混合儲能的各自運行特性以及優勢，結果表明所建立模型的有效性，保證了經濟性的同時提高了風電滲透率。

選擇基于氫儲的混合儲能系統，既可以降低微電網系統的運行總成本和能源成本，又可以提高可再生能源利用率，同時在環保性方面也能有所保證[47]。文獻[48]引入氫儲能解決傳統儲能方式無法應對風電并網中電能的長期存儲問題，以改進BP神經網絡來預測風電功率和實際負荷功率，結果表明：與傳統風電場相比，此方案的成本和負荷缺電率都有所下降；文獻[49]考慮涉及風光和負荷的不確定性因素對儲能系統容量優化配置的影響，以西北某地區微電網作為研究對象，分析負荷類型和分布式電源的運行特性，設置不同的源-儲組合類型，采用HOMER Pro軟件進行求解，最后結果表明該方案有效。

3 電氫儲能的容量優化問題

3.1 容量規劃

隨著社會不斷發展，能源的不斷消耗以及環境治理所帶來的壓力不斷增加，人們對新能源系統的需求也在不斷更新[50-51]。2019年5月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《國家生態文明試驗區(海南)實施方案》，方案中明確指出：海南要建設“清潔能源島”[52]，大幅提高清潔能源比重，提升能源利用效率，構建安全、綠色、集約、高效的清潔能源供應體系[53]。2020年中國政府在聯合國大會提出“碳達峰”和“碳中和”的目標。這不僅說明在控制系統成本、替換老化的系統基礎設施、提高電力系統的靈活性和可靠性的同時，控制二氧化碳的對外排放，改善大氣環境變化[15]，以及為環境較為惡劣的偏遠地區提供可靠的電力支持也成為人們日后要求，能源結構的轉型已然成為了能源革命的關鍵[54-55]。

影響儲能容量配置的因素有很多，例如儲能不同的功能定位、典型負荷曲線與風電出力曲線的選取等問題都會影響到儲能的配置結果。從發電側考慮，光伏系統受光照強度和溫度等條件影響，從而會決定儲能的容量配置大小，同樣，自然界的風速具有的不確定性會影響風機出力。文獻[56]針對風電不確定性等問題建立多參數儲能配置模型來研究儲能不同功能定位下的配置情況。

儲能裝置具有能量儲存和釋放的雙向功能，可以有效提升微電網中的風光消納、系統經濟成本、運行靈活性[57-60]。因此，合理的儲能系統容量規劃尤為關鍵。圖3是微電網儲能容量優化配置技術結構圖。

圖3 微電網儲能容量優化配置技術結構Fig. 3 Technical structure of optimal allocation of energy storage capacity of microgrid

文獻[61]以降低風光發電棄電率及提高上網風光電品質為目標，將能量管理以及容量最優化作為求解算法，納入動態電價這一影響因素，優化儲能容量配置，最后將計算結果的成本與煤氣化制氫成本比較，并分析該方案的可行性；文獻[23]提出風電制氫可能存在電解槽間歇式運行這一問題，分析電解槽的制氫效率特性，評估其最優工作區間，采取電網輔助購電策略來維持運行，聯合輸電工程進行系統容量配置優化；文獻[62]分析系統存在經濟性和風電質量不能兼得的問題，建立雙層規劃模型，將氫能交易所帶來的利潤算入成本之中，用改進中值濾波算法進行信號采樣，用改進的遺傳算法求解，結果表明改進的算法具有一定優勢，且風電波動率和儲氫容量都有所下降；文獻[63]針對風電對大規模并網的一些不利特點，在風電場系統中安裝包含制氫系統的儲能設備來對風電場的輸出功率進行削峰填谷；文獻[64]基于混合算法把天氣和神經網絡用于對光伏和風電的預測，評估系統可靠性，結果表明此算法在系統中具有優勢；文獻[65]根據偏遠地區的一些不利條件提出一種層次分析法，構建模糊綜合評價模型，提出一種基于Surrogate的預裝式儲能電站布局優化方案，結果表明含有氫儲能的該方案在各方面都具有優勢。

文獻[47]為典型的微電網電氫儲能容量優化，考慮了微電網運行的經濟性和環境效益，以總凈現值成本作為目標函數，將可再生能源利用率以及負荷缺失率作為系統的評價指標來建立優化模型，并采取4種方案進行分析對比。

方案1：以單一的蓄電池作為儲能裝置；方案2：以蓄電池和氫儲能作為混合儲能系統；方案3：以單一的鋰電池作為儲能裝置；方案4：以單一的液流電池作為儲能部分。

通過模擬微電網一年之內的運行狀態，搭建仿真結構，最后經過算例求解后以方案1、3、4的結果與方案2進行對比分析。表3和表4為分布式電源成本和容量配置結果，表5為4種方案的結果對比，其中包含了總凈現值成本(TNPC)、經營成本(OPC)、平均化能源成本(LCOE)、電力浪費(PW)以及可再生能源利用率(REU)和負荷缺失率(LOR)。

表3 分布式電源成本Tab. 3 Cost of the distributed power system

表4 容量優化配置結果Tab. 4 Capacities of distributed generations

表5 方案優化結果對比Tab. 5 Comparison of optimization result among schemes

通過表5的結果對比可以看出方案1與方案2的經濟性相近，相比之下方案3、4的經濟性就明顯不足，因此，可以主要對方案1和方案2進行詳細分析。方案2與方案1對比，其總凈現值成本下降了6.9%，經營成本下降47.5%，而平均化能源成本下降6.69%，另外可再生能源利用率也降低了大約1.41%；在方案1中由于蓄電池的長期深度放電，導致壽命下降，從而使得替換成本以及運行維護成本較高；同時，蓄電池具有的自放電特性不利于長期儲能。因此可以得出方案1中的電力浪費遠遠大于方案2，并且方案2的負荷缺失率比方案1降低了大約16.4%，可以得出含氫儲能的微電網混合儲能系統具有傳統儲能所不具備的優勢，其在滿足系統供電可靠性的同時又提高了微電網的經濟性。

由此可知，利用氫儲能提升風光等新能源的利用率、降低系統成本來達到儲能系統容量最優是相關研究的重點。

3.2 運行策略

運行策略是決定容量配置的關鍵因素。文獻[66]依靠風光互補以及柴油發電機對系統進行供電，但儲能部分僅采用蓄電池，依靠蓄電池進行系統運行時功率缺額的補償，并未考慮蓄電池充放電壽命會影響整體經濟和運行；文獻[67]采用蓄電池結合超級電容器作為混合儲能裝置，在模型建立后，采用分界頻率來計算濾波時間常數，從而實現蓄電池和超級電容器的功率分配；在計算儲能容量后進行經濟評價，不同于單一儲能，該混合儲能運行策略有效減少蓄電池充放電次數，提高儲能設備壽命，但并未考慮到環境問題以及污染排放約束。

儲能的運行策略不僅會影響設備的性能、出力效果和壽命，而且會直接影響整個系統的經濟性、可靠性以及環境問題等方面，其對于風、光等可再生能源的利用也有影響。在本文的蓄-氫混合儲能系統中，蓄電池具有響應速度快的特點，而氫儲能其容量較大，因此可以看出前者適合作為短期儲能，后者適合長期儲能，前者可優先運行工作，兩部分儲能分級運行。運行策略流程如圖4所示。

1表示風、光出力在滿足負荷需求功率之后，系統將剩余的功率全部輸送給蓄電池進行充電；2表示在滿足負荷需求功率后，風、光輸出功率的剩余部分先輸送給蓄電池進行充電，剩余部分再輸送給電解槽進行電解水轉換為氫氣，再通過儲氫罐儲存起來；3表示若風、光出力在滿足負荷需求功率后，對蓄電池充電達到飽和，剩余部分再為電解槽提供充足能量直至儲氫罐容量達到上限，過剩功率記為系統過剩功率，此部分可與大電網進行交易；4表示此情況下系統的缺額功率由蓄電池提供；5表示若蓄電池完全放電后為仍無法滿足系統缺額功率，則剩余部分由燃料電池燃燒儲氫罐中的氫氣來發電作為補充；6表示待蓄電池和燃料電池完全出力后系統仍剩部分功率無法補充，剩余這部分記為系統的缺額功率，這時可向大電網購電來滿足這部分需求。圖4 運行策略流程Fig. 4 Operation strategy diagram

儲能系統的運行狀態主要由微電網系統功率缺額情況來決定。以t時刻風光發電系統對外輸出功率與負荷所需功率的差值作為微電網系統功率缺額ΔP(t)。

ΔP(t)=PDG(t)-PL(t)，

(10)

式中：PDG(t)為t時刻的風光發電系統對外輸出功率；PL(t)為t時刻負荷所需要的功率。系統的功率缺額存在2種情況：

1)當功率缺額大于0時，系統多余電量會先輸送并作為化學能儲存于蓄電池中，作為備用能源，蓄電池工作為充電狀態，若蓄電池充至上限，剩余的部分再輸送給氫儲能系統，電解槽將這部分能量用于電解水，利用質子膜交換電解技術產生的氫氣儲存在儲氫罐當中[68]，如果儲氫罐容量達到上限，剩余電量可銷售給大電網。

2)當功率缺額小于等于0時，儲能系統工作于放電狀態：由蓄電池優先放電直至荷電狀態達到下限時停止工作，系統轉為氫儲能系統中的燃料電池，燃燒儲存在儲氫罐中的氫氣來發電，若儲氫罐中的氫氣儲備量達到下限時仍無法滿足系統負荷需求，則轉向大電網購買電能來滿足系統功率缺額部分。圖4展示了為相關的詳細運行策略流程，其中Pcbat_max為蓄電池的最大充電功率；Pdbat_max為蓄電池的最大放電功率；Pe_max為電解槽的最大輸入功率；Pf_max為燃料電池的最大輸出功率。

3.3 優化配置目標

在過去的研究中，優化配置大多數只考慮系統經濟性這單一目標。如果僅僅采取單一目標，可能會由于系統結構與新能源互補的差異，使得最后產生的優化結果不盡人意。例如只考慮系統經濟性，可能在能源波動方面就無法達到很好的抑制效果。因此采用多目標優化配置，達到各項指標相對最優是目前的首選[65，69-71]。優化配置目標如圖5所示。

圖5 優化配置目標Fig. 5 Optimize configuration objectives

3.3.1 目標函數

對于微電網儲能優化方面的研究，選取的目標函數大多數從其系統經濟性以及運行可靠性出發，在經濟性方面，一般以成本結合效益的方法來分析，成本減去效益來判斷是否符合經濟標準，表達式為

(11)

式中：ITNPC為系統總凈現值；E(m)為系統第m年收入；C(m)為系統第m年成本[66]，m為運行年限，r0為貼現率，具體效益項目如表6所示。

表6 系統效益項目Tab. 6 System benefit project

對于可靠性，一般以風、光功率波動平抑[14]、負載失電率、能量過剩率等來分析。而對于多個可靠性指標，可將其賦予相同權重轉化為系統可靠性指標[72]。

3.3.2 約束條件

針對不同系統所建立的目標，一般會有一定約束，大多數從電源側和儲能系統方面來考慮，基本包括微電網系統的功率平衡約束、各裝置(蓄、氫等儲能設備)容量約束電池的充放電深度約束等[73]。文獻[74]根據不同儲能的特質，考慮一種基于充放電功率分配的能量協調控制策略，以儲能荷電狀態、負荷缺電率、自主運行能力對其加以約束；文獻[75]確定目標以及運行控制策略后，除裝機數量約束、充放電功率和深度約束外，對于系統多余傳送給大電網的功率也進行一定約束。

3.3.3 算法求解

對于儲能容量優化問題一般采用智能算法進行求解，例如粒子群算法[76]、BP神經網絡算法[77]、遺傳算法[78]等。而對于多目標問題，常規的算法可能存在求解過程中尋優收斂速度過慢、容易陷入局部最優解、精確度不夠等問題，通過改進后的算法能更好地求取最優解[79]，更好地滿足微電網的經濟性、可靠性。例如通過改進后的鯨魚算法[27]、改進后的混沌粒子群優化算法[80]等。

3.4 目前存在的問題以及研究重點

作為未來的新型綠色能源載體，氫能與傳統電能結合形成的氫儲能系統具有顯著的優點，尤其是在可再生能源發電領域[22]。當前氫儲能的發展會受到技術和材料的限制，所以還存在效率較低和成本過高的問題。往后的重點應該集中在電解槽和燃料電池的技術研發、儲氫材料的研究以及氫儲能性能的綜合評估上。

此外，對于雙碳背景下電-氫結構的新型儲能系統作用于微電網中時，合理的容量配置能使系統經濟性、可靠性同時達到最優，而氫儲能對于低碳環保方面研究還需更加深入，碳排放指標可作為日后研究的一項重點[81-83]，因此在今后的研究中應圍繞氫儲能的制、儲、運、用4個環節，包含蓄電池一起建設完善的電-氫體混合儲能體系，加大氫能源的微電網與電網之間的互動性，從而促進我國的能源轉型[84-85]。

4 相關研究與未來展望

4.1 包含氫儲能的多微電網系統電價交易研究

目前，在儲能規劃問題上，關于含氫儲能的混合儲能微電網系統與大電網之間的交易研究較少，而在一些研究里，并沒有考慮到儲能系統無法滿足負荷功率缺額時的情況。針對某地區的風、光預測以及微電網系統一年內的功率變化配置滿足經濟性和可靠性的電氫混合儲能容量，而在實際情況中，風、光具有的不確定性使得在風、光、儲出力后負荷需求仍不能被滿足的情況偶有發生，可考慮通過電力交易機構向大電網購電，若購買電量滿足負荷缺額部分，可將此部分通過電解水產氫并儲存于儲氫罐中；相反，若風、光出力已經可以滿足負荷功率需求，同時儲能系統的儲存量又達到上限，這時可以將系統多余電量售賣給大電網，這樣，在儲能容量配置優化能滿足微電網經濟和可靠的指標、負荷需求時，又可合理消納多余電量。目前電解水制氫成本較高，系統需要考慮降低整體成本問題，因此可深度考慮研究含有氫儲的微電網與大電網之間的電價交易。圖6為含氫儲能的微電網與大電網交易結構。

圖6 含氫儲能的微電網與大電網交易結構Fig. 6 Transaction structure diagram of microgrid and power grid containing hydrogen energy storage

4.2 基于博弈論的氫蓄儲能微電網的研究

近些年來逐漸掀起微電網研究的熱潮，可見，微電網的大面積發展勢必會形成一定規模的微網群。而在用戶側的需求響應下，大電網的電價會受到來自微網群總需求的一定影響，含氫儲能的微網群中其各個微網的儲能配置規模會影響到從大電網購電的數量?？梢钥闯?，單個微電網的電氫儲能優化配置不僅與其自身分布式電源的發電量、負荷需求有關，并且還和其他微網從大電網購電量有一定關系。因此可以以非合作博弈作為理論基礎，對微網群中各個微網儲能系統優化配置展開相關分析，以各微網的日運行費用最小作為目標來建立非合作博弈模型。優化策略可為微網各時段從大電網的購電策略以及電氫儲能容量配置策略[86]?；诜呛献鞑┺牡奈㈦娋W系統優化配置模型如圖7所示。

圖7 基于非合作博弈的微電網系統優化配置模型Fig. 7 Optimal configuration model of microgrid system based on non cooperative game

為了降低微網日能耗費用，一方面要對微網負荷需求進行用能優化，另一方面要對電氫儲能系統容量進行合理優化，從而有效降低微網費用。

目前，對于微電網混合儲能博弈方面的研究還不夠深入，未來可以將氫儲能納入，考慮多目標，即經濟性、可靠性以及氫儲能所具有的環保性等指標之間的博弈。

4.3 包含氫儲能裝置的綜合發電廠

國內氫能經濟的發展在中長期有著無限可能性。在參觀600 MW的Uckermark互聯可再生能源發電廠時，代表團了解了該廠生產電力和綠色氫氣的商業量。烏克馬克公司表示，由Enertrag作為創始成員的H2Global基金會以及由此產生的機會也是一個重要的討論話題。

基于氫儲能的綜合發電廠如圖8所示，其工作原理為：3臺2 MW的風機正常工作發電，其產生的大部分電力直接并入電網，一小部分電力用于電解水來制氫，所產生的氫氣可以就地加壓儲存。另一方面利用附近啤酒廠的生產肥料制造沼氣(即生物質能)，將沼氣與氫氣作為燃料進行混合發電，熱電聯產，產生的電力可以配合風力發電平穩地輸入電網，產生的熱能又可以給電廠附近區域供暖。電解水制氫儲存起來的氫氣在富余時還可以輸送到當地的加氫站，用來給燃料電池汽車加氫。下一階段將會繼續建設3座電站，投入更多示范設備并將制備的氫氣并網到天然氣輸送管道中去[22]，這對于我國大規模風電集中開發具有舉足輕重的意義。其中，氫儲能的容量配置十分重要。根據地區風電年數據以及負荷需求，合理的氫儲能容量配置不僅能滿足發電廠需求，且氫儲能的能量密度高、運行維護的成本較低，可以作為長時間儲能，不僅如此，其工作過程無污染，這對于當前國際環境要求以及國家的雙碳戰略具有重要意義。

圖8 基于氫儲能的綜合發電廠Fig. 8 Integrated power plant based on hydrogen energy storage

4.4 考慮電動汽車隨機充電的含氫儲能的綜合能源系統

耦合可再生能源發電和氫儲能的綜合能源系統發展潛力巨大，是實現能源消費清潔低碳的有效途徑。以天然氣-風-光-氫綜合能源系統為規劃對象，考慮系統輻射區域的電動汽車隨機充電需求，文獻[87]表明，與傳統分供系統和聯網型方案相比，該系統得益于風光發電與氫儲能的協同，表現出可觀的環境效益。該系統提供充電服務是經濟可行的，并且電動汽車在系統內充電能夠顯著降低間接碳排放。

基于能源樞紐概念，天然氣-風-光-氫IES的基本結構如圖9所示。該用戶級的園區IES主要由4個部分構成：REPG系統、氫儲能系統、CCHP系統和其他輔助設備。能量流包括天然氣、氫氣、電力、熱功率和冷功率流。其中，光伏陣列和風機是REPG系統的主要設備；而電解槽、儲氫罐和燃料電池是HESS的核心設備；燃氣輪機、吸收式制冷機和余熱鍋爐則是CCHP系統的關鍵設備；輔助設備主要包括電制冷機和燃氣鍋爐[87]。

圖9 包含電動汽車隨機充電的含氫儲能的綜合能源系統Fig. 9 Integrated energy system containing hydrogen energy storage including random charging of electric vehicles

氫儲能的高成本仍是其應用的關鍵障礙之一，因此，在滿足其他資源和布局環境要求的前提下，可優先考慮在有氫氣負荷的工業園區布局以及氫儲能容量裝置的優化。園區用電負荷由光伏、風機和燃氣輪機進行供應，并且系統要滿足電動汽車隨機充電的需求；熱負荷則由余熱鍋爐和燃氣鍋爐來供應；冷負荷由吸收式制冷機和電制冷機供應。氫氣負荷的供給來自2種情況：1)當整個系統電力供應過剩時，富余的電力用于電解水制氫；2)外購的氫氣采用長管拖車運輸。燃料電池向系統放電時，燃料來自電解水制取的氫氣或外購氫氣，這將取決于整個系統的經濟性和環境表現的優化，此時氫儲能裝置的容量配置就十分重要了，合理的容量配置會直接影響系統經濟性以及環境表現?；谏鲜黾軜?，對構建的IES進行容量優化配置。

4.5 氫儲能耦合天然氣燃氣蒸汽聯合循環系統

除了作為微電網的混合儲能部分外，氫能在電力系統也有許多新的應用，例如氫燃料電池。在燃氫燃氣輪機的研究方面，氫能燃氣輪機聯合循環模式、氫燃料化學鏈燃燒燃氣輪機循環系統、氫氣蒸汽聯合循環、氫氣燃氣混合微型燃氣輪機燃燒工況的CFD數值模擬等在近些年來都有不斷的研究。盡管許多學者對氫氣燃氣的燃燒特性和氫氣蒸汽聯合循環做了詳細研究，但考慮氫儲能和氫氣天然氣混合氣體的燃氣蒸汽聯合循環的研究較少，對此系統也未進行能效分析。

針對以上問題，提出一種新的氫儲能耦合天然氣燃氣蒸汽聯合循環系統(HGSCC)，并對其進行能量分析和其他分析。建立氫儲能耦合天然氣燃氣蒸汽聯產循環系統的能量分析和分析模型，通過對各子系統的能量效率和效率進行計算，分析整個系統的性能，得出最優參數。

氫儲能耦合天然氣燃氣蒸汽聯合循環系統如圖10所示，該系統的組成部分包括電解池、壓縮氫氣儲室、燃燒室、燃氣輪機以及余熱鍋爐。系統輸出能量為電能和熱能，依靠混合氣體在燃燒室燃燒，從而產生高溫高壓氣體來推動燃氣輪機運作產生電能，待燃氣輪機做功后的氣體進入余熱鍋爐，余熱鍋爐直接利用燃氣輪機的熱量，將一部分用于加熱給水，然后產生高溫高壓蒸汽在蒸汽輪機做工，而另一部分則用于加熱質子交換膜(PEM)電解槽給水。主要包括電解水制氫、地下儲氫、氫氣天然氣混燃、燃氣蒸汽聯合循環4個過程[29]。但目前對于氫儲能在天然氣燃氣蒸汽聯合循環系統中的規模配置優化還未像微電網電氫混合儲能那樣根據氫儲能各個特性來進一步挖掘，未來可作深入研究。

圖10 氫儲能耦合天然氣燃氣蒸汽聯合循環系統Fig. 10 Hydrogen energy storage coupled natural gas gas steam combined cycle system

5 結語

氫能源是未來可以同時解決能源危機和環境污染問題的綠色能源，是未來能源的發展趨勢。通過風光等可再生能源電解水制氫儲能可以極大地提高電力系統安全穩定性，且幾乎無污染排放，是一種應用前景廣闊的儲能形式。本文根據氫儲能的特點，結合蓄電池，形成電-氫混合儲能系統，分析氫儲能制氫、產電原理，并對該混合儲能系統在微電網容量優化配置問題中的建模、求解、運行策略進行詳細闡述。最后，對氫儲能在電價交易、綜合電廠和綜合能源系統等方面進行一定延伸?；谝陨戏治?，提出以下建議：

1)我國應積極布局可再生能源發電與電-氫混合儲能系統相結合，加大風電、光伏等可再生能源制氫裝置研究，從底層優化制氫效率；

2)明確氫能發展定位，給予氫能產業完善的政策支持，促進氫能在儲能領域的發展，加速推進我國碳達峰、碳中和工作；

3)大力發展電解水制氫技術，利用棄風、棄光、棄水資源制取“綠氫”，解決電解水制氫經濟性難題及能源浪費問題；

4)完善氫儲能微電網與大電網之間的電價交易市場；

5)除微電網外，可探索電-氫儲能在綜合能源系統等其他方向的應用。