一种用于有效配置带电池和H 2储能的PV混合可再生能源系统的综合功率管理策略
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火箭蓄电池 发布时间：2026-06-12 17:43:56 阅读：
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在本研讨中，开发了一种包含电池、H₂存储/再发电以及柴油发电机（DG）备用的光伏混合可再生动力体系（PV-HRES）的详细功率管理战略（PMS）。该PV-HRES被认为选用了商用PV组件、电池单元和电力电子设备，以及商用碱性电解槽（EL）和PEM燃料电池（FC），两者均被视为根据PV功率盈利/缺少的波动进行可变运转。其意图是验证PMS的可操作性，并运用PMS针对给定的负载和年度太阳辐照度曲线，对PV阵列、电池组和氢气存储容量进行合理选型。在恒定EL和FC容量的状况下，模仿了440种PV阵列与电池/H₂存储容量组合的PV-HRES年度运转状况，旨在完成：（i）彻底可再生动力发电、（ii）合理的PV阵列选型以及（iii）年度平衡的H₂生成/耗费。运转算法根据电池能量状况（SOE）在其额外能量容量（B NEC）20%至95%之间的改变。当低于20%时，若贮存的H₂足够，则由FC补偿PV能量不足；而当超越95%时，若H₂存储空间可用，则将剩余能量转化为H₂。添加PV阵列和电池会导致H₂存储空间耗尽，并形成显著的可再生动力糟蹋（弃能）。
引言
大幅减少与动力相关的CO 2排放是应对气候危机这一重大挑战的中心。但是，预计在未来15年内，全球动力需求将进一步增长近30%[1]。因而，广泛乃至全面布置Renewable Energy Sources（RES）似乎是仅有可继续的途径[2,3]。就电力而言，首要可再生动力（如太阳能或风能）的间歇性特征带来了对电能存储的需求，这关于autonomous power systems（APSs）至关重要[4,5]，而这些体系在离网地区的renewable electrification中发挥着要害作用[[6], [7], [8]]。
装备柴油发电机（DGs）的传统非可再生APSs可靠且一般具有本钱效益[9,10]，虽然这种效益取决于燃料本钱[11]，而且当柴油价格>2 €/lt时，往往不如其可再生替代计划[10]。这些首要根据太阳能和/或风能的替代计划需求电气能量存储（EES），以应对极其显著的负载与供应失配。关于短期电力存储（数小时或几天），电池因其高功率和灵活性成为首选，而装备电池电力存储的太阳能和/或风能APSs构成了相关运用中的绝大多数，也是一个尤为活跃的研讨领域[4,5,[12], [13], [14], [15], [16], [17]]。
关于较长的存储周期（数周或数月），电池的功率优势会下降，且其本钱随存储容量成份额添加。因而，关于长时刻电力存储，根据氢的存储体系往往变得更有用率，这不仅体现在功率上，也体现在本钱上，具体取决于可再生动力发电的季节性、负荷/供应失配形式以及其他参数[8,9,13,[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。这些体系经过电解水将太阳能和/或风能的过剩电力转化为H 2 ，然后将其贮存在加压气瓶或金属氢化物中，以便在可再生动力缺少期间由燃料电池重新转化为电能。H 2 体系功率不受存储周期的影响，更重要的是，其首要本钱要素（即电解槽和燃料电池）的规划由电力盈利和缺少的起伏决议，因而其总本钱仅受存储容量的轻微影响[[24], [25], [26]]。
为了保证可靠的离网动力供应，仅装备电池储能的可再生APSs需求高度超量装备（年发电量比需求高出达60%[27]），这对其本钱发生了深远影响[28,29]。经过将其与柴油发电机（DGs）和/或H₂储能/再发电体系进行混合，可以限制可再生动力和所需电池的超量装备，从而下降体系本钱，并随之下降所发动力的平准化度电本钱（LCOE）。据报道，运用DGs可使所需的电池容量减少约三倍[28,29]，而技能本钱的敏捷下降使得带有H₂储能/再发电体系的HRESs具有直接竞争力[8,30,31]，乃至在经济上比传统的DG-APSs更有用[32]。与传统的DG备用体系比较，带有H₂储能的HRESs是彻底可再生的，虽然其本钱要贵重得多[26,33]。
带有H₂存储/再发电的自主式HRESs的有用规划与规划确认是一项具有挑战性的任务，一般选用多目标办法来解决，这些办法往往包含彼此抵触的目标，包含最小化体系本钱（及LCOE）、CO₂排放量、弃能或化石燃料耗费[26,[34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]；而且该问题经常经过人工智能算法[13,[43], [44], [45], [46]]以及智能建筑需求侧管理（DSM）来处理，后者选用了机器学习办法和物联网（IoT）实践，这些手段日益被视为完成间歇性可再生动力供需平衡以及高效且有用的动力脱碳的要害战略[47,48]。关于一起最小化本钱和CO₂排放的问题，Marocco等人针对年负荷需求为560 MWh（均匀负荷64 kW）的状况，研讨了光伏（PVs）、风力涡轮机（WTs）、电池（BATs）、H₂存储/再发电和DGs的各种组合；并陈述称，关于结合电池和H₂存储的最低CO₂排放无DG装备计划，其LCOE低至410 €/MWh[26]。这些LCOE值比仅运用电池的体系低达35%，但与包含DGs的HRESs比较则高出10–45%[26]。在同一布景下，旨在优化一个更大规划（年负荷需求1640 MWh，均匀负荷187 kW）的独立体系的规划确认和能量调度战略的...
在带有H 2储能的HRESs中，能量管理战略（PMSs）以及所实施的功率调度算法关于其有用规划、容量确认和运转至关重要，旨在保证不间断供电、优化功能并下降体系本钱。在大多数状况下[24,34,49,[51], [52], [53], [54]]，这些算法的前期阶段会查看可再生动力的盈利或缺少状况，以及电池的能量水平。当电池高度充电时，剩余能量被用于水解发生H 2，只要H 2储气罐未满，该气体一般会被加压贮存。另一方面，当电池深度放电时，能量缺少由燃料电池补偿，前提是存在足够的贮存H 2。
在一项开创性作业中，针对一个实践的独立式太阳能/风能HRES（结合电池和H2储能），Ipsakis等人评价了运用四个月模仿期内小时均匀数据的算法[53]。根据这些算法，当电池的能量状况（SOE）降至最小值（设定为B NEC的76–84%）以下时，以额外功率运转的燃料电池（FC）将补偿RES的能量缺口；若FC的功率输出高于该缺口，剩余部分将用于给电池充电。另一方面，RES的功率盈利要么用于给电池充电，要么供应电解槽（EL），后者仅在电池超越最大SOE（设定为B NEC的91%）时发生。假如盈利低于电解槽的最小输入功率，该盈利将被用于将电池充电至100% SOE；而假如盈利高于EL的最大输入功率，EL将设定为以其最大功率运转，并运用电池组吸收差值。在这两种状况下，电池充电均在100% SOE时中止，剩余的RES能量被排入负载耗费掉。在另一种PMS中，关于SOC ≥ 91%，盈利仍被导向电解槽，但当盈利低于EL的最小输入功率时，由电池供给差值以维持EL运转。第一种计划减少了H2体系的奉献并导致更高的H2库存。但是，在第二种计划中，电池对EL的支撑se...
关于相似的HRES，Ziogou等人[51]提出了一种根据B NEC的80%至90%之间SOE改变的能量调度战略。这种狭隘的SOE改变规模减少了电池的等效充放电循环次数，对寿命发生了积极影响，但代价是需求过大的电池组。EL被设定为在87% SOE时发动运转，而且关于继续的能量盈利，EL和电池均被预设用于堆集H2和能量，上限为93% SOE，超越此限度的盈利能量将被弃置。FC被设定为在SOE < 80%时发动运转，并预设运转至83% SOE，若能量需求超越其额外功率，还由柴油发电机供给进一步备份。在此PMS下，跟着标称负载从1 kW添加到1.5 kW，弃能糟蹋从总RES发电量的1.6%降至0.2%，而DG的奉献占比从3.3%增至26.1%[51]。
为了对一个装备电池和H₂储能（后者还用于为H₂车辆供电）的太阳能/风能HRES进行年度模仿，该体系专门用于1.7 kW的均匀负载，Al-Buraiki等人将电池的SOE改变规模扩大至30–100%；他们陈述称，关于一个彻底可再生（无DG）体系，在优化后的LCOE为540 €/MWh时，抛弃功率丢失为零[24]。为了最小化电池组的尺寸，Gracia等人[33]进一步将电池的放电深度（DOD）下降至B NEC的20%。选用10分钟的时刻间隔来计算发电/用电及其他运转参数，他们陈述称，关于PV-batteries-H₂ HRES的经济最优计划，存在40%未运用的PV能量（倾卸能量丢失）[33]。旨在优化仅含H₂储能且无电池的PV-HRES的规划和PMS，Ghenai等人[49]研讨了PV、FC、EL和氢气罐尺寸的影响。他们考虑了两种PMS概念：一种是FC调整其运转以弥补PV的负载覆盖；另一种是FC按额外功率运转，若超越负载需求，剩余功率将被导向EL。年度HRES模仿根据30分钟的时刻间隔，优化装备选用了第二种战略，包含517 kWp PV阵列、750 kW FC、250 kW EL和900 kg氢气罐，对应190 kW的均匀负载需求。最近，关于氢体系集成到HRES中的研讨项目已得到全面总述[25]。
受有用装备和运转带有H 2存储/再发电的HRESs需求的驱动，本研讨开发并分析性地提出了一个包含电池和H 2存储/发电的PV-HRES的PMS及运转算法，一起仍选用DG。年度模仿根据15分钟的时刻间隔，针对给定的太阳辐照度剖面和给定的负荷需求形式，触及了440种PV阵列、电池组容量和H 2存储体积的组合。考虑了商用可用的PV模块、电池元件、DG和电力电子设备，以及具有给定运转和功率曲线的商用类型EL和FC，这些设备被视为根据PV功率盈利和亏缺起伏的实时波动以可变功率运转。
本研讨的首要意图是全面描述运转算法及其运用，触及其运转途径以及引导能量调度的变量定义值；一起研讨所选用的PVs、电池和H₂储能容量的巨细对以下方面的影响：i）消除DG奉献，以完成彻底可再生动力发电；ii）最小化糟蹋的RES能量，以最大化体系功率（即最小化过剩的PV年发电量）；iii）在PV-HRES的全年运转过程中，完成足够但不冗余的H₂堆集。为了最小化所需的电池容量，选用了深度电池放电战略（降至标称B NEC的20%），而最小化糟蹋能量以及年度平衡的H₂生成与耗费则旨在完成PV-HRES组件的有用选型。这意味着在全体限制为100%可再生动力发电（零DG奉献）的前提下，避免安装过多的PV模块和电池以及过大的H₂储能容量，而且仍选用商业化的PV-HRES体系组件。针对彻底可再生动力发电所研讨的PV-HRES有用选型并未直接与体系本钱最小化挂钩，从而将体系的技能经济性研讨留作未来作业。
本研讨旨在为PV-HRES的有用容量装备与运转供给一种翔实的PMS算法及全体办法论，该体系结合了电池与H₂存储/再发电。这项作业考虑了H₂体系组件（即电解槽、燃料电池和压缩机）的可变运转状况，这些状况根据需求处理的可再生动力电力盈利与缺少的实时改变而调整，一起也考虑了这些组件在其实时运转负荷下改变的功率。此外，本研讨还考虑了PV-HRES的全年运转状况，并要点重视年度平衡的H₂出产/耗费。这是为了使H₂体系可以有用地发挥其季节性储能作用，否则这一作用可能会因贮存的H₂耗尽或H₂存储空间满载而受阻。年度平衡的H₂出产/耗费可避免当存储空间满载时的过度可再生动力糟蹋，以及当贮存的H₂耗尽时的DG奉献，旨在完成100%的可再生动力运用率。详细的PMS算法与有用的容量装备办法，连同可变的H₂体系运转/功率以及关于H₂出产/耗费的年度平衡PV-HERS运转方法，再加上针对这些方面的全体研讨办法，一起构成了一项新颖的奉献，据我们所知，现在尚缺少相关的文献。
本文由Methodology（办法论）和Results and Discussion（结果与讨论）部分组成，随后是对本研讨首要定论的总结。Methodology部分首要介绍了所考察的PV-HRES装备以及所选用的H₂体系的运转特性，一起供给了所运用的PV功率和负荷需求年度曲线；该部分首要致力于详细描述开发的PMS及模仿体系的运转算法。Results and Discussion部分针对选定的PV阵列、电池组容量和H₂储罐体积组合验证了所运用的算法，并进一步识别出满意以下条件的组合：（i）使年度DG奉献为零，（ii）最小化糟蹋的PV能量，以及（iii）平衡年度H₂生成量与耗费量；最后确认了一起满意(i)、(ii)和(iii)条件，并完成彻底可再生动力发电、最小化能量糟蹋且H₂生成与耗费相平衡的组合。
