3 实验验证
3.1 实验平台及参数设置
为了验证本文所提出的基于使用成本最小及Soc、Sohc平衡的能量管理方法的有效性,使用RT-LAB半实物实时仿真平台进行了仿真测试,该实验平台如图6所示。仿真平台型号为OP5600 HIL Box,运行速度为3.3 GHz,本实验中运行步长为0.1ms,仿真时长为3天即259 200 s。
图6 RT-LAB半实物实时仿真平台Fig. 6 RT-LAB real time simulation platform for hardware in the loop
本文采用的蓄电池、燃料电池及电解槽的购置成本[32]如表1所示。
蓄电池、燃料电池、储氢罐及电解槽具体参数如表2所示。
光伏阵列的温度、光照参数来源于澳大利亚昆士兰大学圣路易斯校区光伏电站测得数据,工况曲线根据文献[16]得到。
表1 各储能器件成本及寿命Tab. 1 Cost and life time of storage devices
表2 各元件参数Tab. 2 Component parameters
3.2 对比分析
根据本文所提出的能量管理方法,得到的仿真结果如图7所示。
图7 系统功率曲线Fig. 7 Power curve of system
电-氢储能系统Soc及Sohc如图8所示。
由仿真结果可以得出,能量管理系统能够为各储能系统有效地进行功率分配,当光伏阵列输出大于负载需求时,储能系统开始储能,系统根据使用成本最小原则为各系统分配功率;当光伏输出不足以维持负载需求或者夜间光伏系统无输出时,系统按照储能系统自身储能状况及使用成本让储能系统进行合理地放电。同时,由于变流器层对燃料电池、电解槽功率瞬时变化程度的限制,其运行过程中功率输入、输出较为平稳,且不存在频繁启停的现象,而蓄电池根据下垂控制的特性,响应更为迅速,出力则更加灵活,符合其运行特性。
图8 系统储能状态Fig. 8 State of energy storage system
由图8可知,Soc、Sohc根据权重系数的约束逐渐向其参考值移动。在t=24h时,Soc为61.2%,Sohc为57.2%;t=48 h时,Soc为63.4%,Sohc降至51.4%;t=72 h时,Soc为60.6%,Sohc稳定在50%。因此对Soc、Sohc的平衡控制是有效的。
虽然目前尚没有对微电网能量管理方法进行统一评估及比较的标准,但仍可以引入一些指标来显示各个控制策略的优缺点,帮助对该能量管理方式进行进一步评价。基于每个运行周期得出结果的对比,可以体现出能量管理系统的性能。本文采用使用成本、Soc、Sohc和氢储能系统平均效率4个指标,对本文所提出的能量管理方法、等效氢耗方法、状态机方法在相同参数和工况下进行比较;而在仅含有电储能系统的微电网中,蓄电池的容量调整为1200 Ah以确保储能系统的容量满足系统运行的要求,所得结果如图9所示。具体指标对比结果如表3所示。
图9 不同指标对比Fig. 9 Comparison of system index
表3 各方法比对结果Tab. 3 Comparison results of each method
通过实验结果可知,状态机方法无法维持系统的储能水平,在实验结束后Soc与Sohc处于极低水平,已无法保证系统的正常运行;而等效氢耗最小方法能够维持蓄电池荷电状态基本稳定,其Soc值在24 h、48 h与72 h时均稳定在Soc参考值60%附近,但该方法会导致氢储能系统频繁地向蓄电池提供能量以维持其荷电状态,使2种不同类型的储能系统之间进行了多余的能量交互,从而降低了系统效率,导致系统Sohc一直处于较低水平,同时该种方法的功率分配方式也导致系统使用成本最高;对于仅含有电储能系统的微电网,其使用成本与基于状态机的电-氢微电网使用成本相近,但其Soc储量上升明显;对于本文所提方法,其成本为优先考虑目标,相比较以上3种方法,使用成本分别减少了18.4%、37.1%与19.6.(核实此处是否正确),同时该方法也维持了储能系统状态的稳定,Soc终值为60.55%,Sohc终值为50.09%,与系统参考值较为吻合,同时氢储能系统利用效率最高,为52.55%。
此外,通过图9中等效氢耗的计算结果,可以看出本文所提方法等效氢耗最小,等效氢耗最小系统所得结果反而最差。该结果证明,由于氢气为混合动力系统主要能量来源,因此等效氢耗最小理论在该系统中最为有效。而在孤岛微电网中,系统的主要能量来源为光伏阵列等可再生能源设备所产生电能,氢储能及电储能系统只对多余能量进行暂时的存储,因此应当着重考虑各系统的实际效率以使电能利用率最高,从而避免各储能系统因频繁的能量交互所带来的电能损耗。所以,等效氢耗最小理论作为孤岛系统的能量管理方法的评判指标是不合适的,但基于等效氢耗的控制方法依旧可以作为维持蓄电池荷电状态稳定的辅助手段。
相较于电储能系统,虽然在能量利用率上电-氢混合储能系统效率更低,但2种储能系统的协调工作使得微电网使用成本大幅降低。且仅含有电储能系统的微电网无法对自身储能状态进行有效调整,其Soc的变化完全受工况的约束,在长时间的运行下将会导致Soc处于较为极端的状态下,影响微电网的稳定运行。因此,相比电储能微电网,电-氢混合储能的孤岛微电网运行更加经济,同时也增加了系统的可靠性。
