如何在考虑储能状态平衡的情况下实现电-氢混合储能微电网的经济运行？

1）研究背景。

随着微电网技术的日渐发展，微电网中储能系统逐渐多元化，电储能及氢储能与微电网的运行控制产生紧密联系，氢能是一种理想的二次能源，可作为能量媒介可以通过电解水与燃料电池技术实现高效率的互相转换，具备成比例放大到电网规模应用的潜力。然而，现有的制氢设备难以快速关闭或启动，制氢的速度也难以快速调节，其无法单独与具有快速波动性的分布式能源进行配合，因此，对电-氢混合储能系统的控制、及经济运行进行研究，将储能系统的快速响应特点与氢能系统的优势相结合，提高微电网系统的运行可靠性和和减小系统的运行成本。

2）孤岛直流微电网系统结构及建模。

本文所搭建的基于电–氢储能的孤岛直流微电网。其中，光伏阵列、电解槽与燃料电池均通过单向DC/DC与直流母线连接，蓄电池通过双向DC/DC与母线连接。对于该孤岛系统，光伏阵列作为主要的分布式能源，为蓄电池、氢储能系统(燃料电池/储氢罐/电解槽)以及负载提供能量，当光伏输出不足时，则由蓄电池及氢能系统补齐母线功率缺额。

3）微电网能量管理方法。

由于系统仅由可再生能源供电，其输出功率主要受环境影响。因此，对于当前的负载需求及光伏输出功率，能量管理系统的目的是确定存储设备的最佳运行方式，以便使整个微电网的使用成本最低。与此同时，在孤岛系统中，将蓄电池Soc以及储氢罐Sohc控制在理想范围内也是维持系统稳定运行的关键，使得储能系统既能够在光伏电池输出盈余功率时提供足够的储存容量，同时也能够有效防止在母线功率缺额时由储能不足所导致的系统崩溃等严重问题。

本文将直流微电网系统划分为两层，底层为物理层，由各微源及直流变流器组成，该层将采集到的负载信号及各微源状态传递至上一层。顶层为管理层，通过对底层各微源信息的接收及分析，根据具体的能量管理策略，对各个变流器分别发出指令，控制其工作状态，能量管理系统控制图如下图所示。

其中等效氢耗最小策略是以单位控制周期内的系统氢能消耗最小化为目标的瞬时优化策略，该策略将蓄电池消耗电能计量为氢能，从而以整个系统氢能使用最少为目标，求解出蓄电池最优输出功率。将等效氢耗最小算法所计算得到的最优功率进行处理，得到关于蓄电池使用成本的权重系数λ，从而使得系统Soc更加可控，同样地，加入基于储氢罐氢储量的成本权重系数f，该系数用于氢储能使用成本公式中，以限制氢能系统Sohc的变化程度及范围。顶层能量管理流程图如图3所示。

4）实验验证及结论。

本文以含有光伏阵列、燃料电池、蓄电池、电解槽及储氢罐的孤岛直流微电网作为研究对象，提出一种基于使用成本最小及稳定储能状态的直流微电网控制能量管理方法。该方法通过储能系统最小算法降低储能系统成本，同时加入等效氢耗最小算法维持储能系统的储能水平，在光伏阵列产生盈余功率及功率缺额情况下对电-氢储能系统的功率进行合理分配，实现系统使用成本及储能水平的优化控制。通过RT-LAB在线运行对本文提出的能量管理方法在成本及其他指标上进行了验证，结果表明系统使用成本相较于传统能量管理方法大幅减少，且储能系统状态更加稳定，储量始终保证在正常水平，氢储能系统利用率高，增加了系统可靠性。对直流微电网系统经济、稳定运行具有重要意义。

创新点

1）以电-氢混合储能孤岛直流微电网作为研究对象，结合等效氢耗最小理论，提出一种基于使用成本最小及稳定储能状态的直流微电网能量管理方法。该方法降低了储能系统使用成本，维持了储能系统的储能状态，对各微源功率进行合理分配，实现系统使用成本及储能水平的优化控制。

2）该方法通过合理的电储能及氢储能系统能量交互，提升了氢能系统效率，提高了光伏产能的利用率，实现了系统的经济运行，并通过半实物仿真验证了方法的有效性。