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储能系统技术 储能系统 微电网 ★ 5.0

直流微电网中包含电池和氢能的混合储能系统的优化设计与建模

Optimal Design and Modeling of a Hybrid Energy Storage System Including Battery and Hydrogen in DC Microgrids

作者 Massiagbe Fatoumata Diabate · Harish Sarma Krishnamoorthy · Jian Shi
期刊 IEEE Transactions on Industry Applications
出版日期 2025年3月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 微电网
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 直流微电网 混合储能系统 可再生能源 优化技术 硬件在环测试
语言:

中文摘要

本文提出了一种适用于直流微电网的混合储能系统(ESS),强调了其在高可再生能源(RESs)渗透率下支持未来电网功能的潜力。氢储能系统虽能提供长期的能源稳定性,但其响应时间通常比电池长。将氢储能与电池储能相结合,既能持续供电,又能有效管理微电网的需求与盈余。主要挑战包括将电力电子技术与燃料电池技术集成,以实现高效的可再生能源转换。本文介绍了一种直流母线电压为1kV的混合储能系统。利用MATLAB Simulink对氢储能系统和电池储能系统及其转换器和控制进行建模。在CVX - MATLAB中采用混合整数线性规划(MILP)优化技术,旨在最小化运营和维护成本,同时在发电量低、需求高的时期实现能源销售利润最大化。该系统通过台风硬件在环(HiL)测试进行验证,结果显示转换器效率高达95%以上。结合可再生能源和电网进行的分析(包括蒙特卡罗敏感性分析),采用商业和社区规模的负荷曲线,结果表明氢储能系统的年回报率分别为17.72%和16.54%,包含电池储能系统的混合系统年回报率分别为17.13%和18.54%,且初始投资成本可在6年内全部收回。

English Abstract

This paper presents a hybrid Energy Storage System (ESS) for DC microgrids, highlighting its potential for supporting future grid functions with high Renewable Energy Sources (RESs) penetration. While hydrogen ESS provides long-term energy stability, it typically has slower response times than batteries. Integrating hydrogen and battery storage can deliver sustained energy and effectively manage microgrid demand and surplus. Key challenges include integrating power electronics with fuel cell technology for efficient renewable energy conversion. This paper presents a hybrid ESS with 1 kV DC bus voltage. The hydrogen and battery ESSs, along with their converters and control are modeled using MATLAB Simulink. The optimization technique using Mixed Integer Linear Programming (MILP) in CVX-MATLAB aims to minimize operational and maintenance costs while maximizing profit from energy sales during periods of low generation and high demand. The system is validated through Typhoon Hardware-In-the-Loop (HiL) testing, showing high converter efficiencies of > 95%. Analyses with RESs and the grid (including Monte Carlo sensitivity analysis), using commercial and community scale load profiles, demonstrate annual returns of 17.72% and 16.54% for hydrogen ESS, and 17.13% and 18.54% for the hybrid system, including battery ESS, with full recovery of initial investment costs within 6 years.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的电池-氢能混合储能系统方案与公司在储能和氢能领域的战略布局高度契合,具有重要的技术参考价值。

该研究针对直流微网场景,通过MILP优化算法实现了运维成本最小化和售电收益最大化的平衡,这与阳光电源PowerTitan系列储能系统追求全生命周期经济性的设计理念一致。论文验证的转换器效率超过95%,接近阳光电源高端逆变器产品的性能水平,证明了技术方案的可行性。特别值得关注的是,混合系统在商业和社区负荷场景下分别实现了17.13%和18.54%的年化收益率,6年内收回初始投资,这为阳光电源开发面向工商业和户用市场的差异化储能解决方案提供了量化依据。

从技术成熟度评估,论文采用Typhoon硬件在环测试和蒙特卡洛敏感性分析,验证方法较为完善,但1kV直流母线电压的选择相对保守,阳光电源在1500V光伏系统领域的技术积累可为更高电压等级的混合储能系统开发提供优势。核心挑战在于氢储能与电池储能的功率分配策略优化,以及燃料电池与功率电子设备的深度集成,这需要阳光电源在电力电子拓扑、多时间尺度能量管理算法方面进一步创新。

应用前景方面,该技术特别适合可再生能源渗透率高、需要跨季节储能的场景,可与阳光电源的光储充一体化解决方案、离网型微网系统形成协同。建议重点关注氢储能系统的成本下降趋势,以及与公司现有储能变流器产品线的兼容性设计,抢占长时储能市场先机。