基于完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解的含抽蓄微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置

摘要

為減緩微電網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡線功率波動，拓展混合儲能參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)的能力邊界，提出一種含抽蓄的微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基于完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解(completeensembleempiricalmodedecomposition，CEEMDAN)的容量優(yōu)化配置方法。首先，考慮抽水蓄能、蓄電池的能量型儲能特性與超級電容器的功率型儲能特性，在微電網(wǎng)中搭建混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；其次，根據(jù)負荷出力確定聯(lián)絡線協(xié)議功率及混合儲能總功率，并采用完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解法對混儲系統(tǒng)總功率進行分解；最后，建立以儲能年綜合成本最小為優(yōu)化目標的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置模型，并給出相應求解方法。算例結(jié)果表明：較不含抽蓄的混儲系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)模型的調(diào)控能力得到提升，在有效平抑聯(lián)絡線功率波動的同時提高系統(tǒng)經(jīng)濟性，且蓄電池設(shè)備動作頻次有所減少，提升了其使用壽命，驗證了所提混合儲能結(jié)構(gòu)的合理性及優(yōu)化模型的有效性。關(guān)鍵詞

微電網(wǎng)；混合儲能系統(tǒng)；完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解；容量配置；抽水蓄能儲能作為一種高效的靈活性資源在現(xiàn)代電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運控中得到廣泛應用。在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中，合理配置儲能裝置，能有效平抑聯(lián)絡線功率波動，保障微電網(wǎng)與主網(wǎng)協(xié)同作用的穩(wěn)定性?？v觀現(xiàn)有研究，大都僅考慮單一型儲能裝置，而有研究發(fā)現(xiàn)，若采用能量型儲能和功率型儲能相結(jié)合的混合儲能，可大幅提升儲能系統(tǒng)在功率與能量兩個維度的調(diào)節(jié)能力。因此，混合儲能結(jié)構(gòu)特征與功能、容量優(yōu)化配置等，成為學者們的研究焦點。在混合儲能結(jié)構(gòu)特征方面，文獻基于熱電聯(lián)產(chǎn)機組提出儲能電池-電鍋爐-儲熱罐的混合儲能系統(tǒng)，緩解了棄風消納問題，但儲熱罐伴隨熱量的損失，能效較低；文獻采用鋰電池和超級電容器組成的混合儲能模型對分布式電源功率波動進行平抑，充分發(fā)揮了兩類儲能的優(yōu)點，提高了儲能系統(tǒng)運行效率，但由于超級電容器與蓄電池的成本偏高，此模型的經(jīng)濟性欠缺；文獻采用氫儲能-蓄電池的混合儲能模型，兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟性與低碳性，但氫儲能的高效運行需系統(tǒng)維持在較高的功率狀態(tài)下，此條件較為嚴苛。以上研究已從多個場景印證了混合儲能系統(tǒng)的特點與優(yōu)勢，然而抽水蓄能作為儲能典型代表，技術(shù)成熟且成本較低，但將抽水蓄能加入混合儲能系統(tǒng)的模型尚不多見，值得深入研究。在容量優(yōu)化配置方面，其關(guān)鍵在于對混合儲能的能量分配，文獻提出一種基于離散傅里葉變換的分解方法，通過簡易的時頻變換分析信號，但該方法分解得到的是長時間尺度下的頻率特性，無法確定某一出力信號發(fā)生時的具體時段。針對此，采用小波包分解對風電功率信號進行多尺度分解與重構(gòu)，對功率的分解更為精細，但該方法的儲能配置結(jié)果與人為確定的小波包分解層數(shù)關(guān)聯(lián)較大。因此，為克服主觀因素影響，通過自適應滑動平均濾波法處理功率信號，避免了人為干擾，但將一個滑動窗內(nèi)所有采樣點的平均功率作為平滑目標，易使目標功率曲線偏離原始功率曲線；而采用集合經(jīng)驗模態(tài)分解法(ensembleempiricalmodedecomposition,EEMD)有效解決了信號的模態(tài)混疊情況，重構(gòu)信號時產(chǎn)生的偏差較小，但在處理白噪聲問題上，其效果與完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解法相比有所欠缺。在混合儲能平抑并網(wǎng)型微網(wǎng)聯(lián)絡線功率方面，在構(gòu)建復合儲能的基礎(chǔ)上基于改進鯨魚算法對微網(wǎng)儲能容量配置進行優(yōu)化，提高了聯(lián)絡線功率利用率，但模型中未考慮蓄電池運行壽命；在考慮電池設(shè)備壽命的同時，驗證了超級電容器、蓄電池和壓縮空氣儲能組成的混合儲能系統(tǒng)對平抑微網(wǎng)聯(lián)絡線功率的有效性，但該模型僅設(shè)置聯(lián)絡線功率波動上下限，未設(shè)具體指標分析儲能的平抑作用；以聯(lián)絡線期望功率的偏差平方最小為目標，對微網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行優(yōu)化，但該文采用的分頻方法為傳統(tǒng)低通濾波法，與前文所提多種能量分配方法相比精度太低，分解后功率與原始功率曲線偏差較大。綜上現(xiàn)狀與問題，本工作以并網(wǎng)型微電網(wǎng)為應用場景，利用抽水蓄能容量大、成本低等優(yōu)勢，構(gòu)建含抽水蓄能的混合儲能系統(tǒng)，在平抑聯(lián)絡線功率波動的同時提高系統(tǒng)綜合價值，主要包括聯(lián)絡線功率平抑效果、儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性及儲能設(shè)備使用壽命等。其中，為使負荷需求信號分頻重構(gòu)后更貼近原始功率，采用完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解對混合儲能進行功率分配。最后，以某地區(qū)微電網(wǎng)為例對所提結(jié)構(gòu)合理性與配置模型有效性進行校驗，為混合儲能應用提供參考。1含抽水蓄能的混合儲能結(jié)構(gòu)當前，典型儲能裝置及能力特征如圖1所示。圖1

儲能技術(shù)特性分析不難看出，抽水蓄能不僅具有調(diào)節(jié)容量大、單位容量成本低的優(yōu)勢，還能參與長時間尺度下的系統(tǒng)調(diào)控。因此，本工作構(gòu)建含抽水蓄能、蓄電池、超級電容器的“能量-功率”混合型儲能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2

微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，為風光聯(lián)合出力功率；為負荷出力；為凈負荷功率；為聯(lián)絡線協(xié)議功率，由微網(wǎng)調(diào)度部門預先設(shè)定。該系統(tǒng)可以利用能量型儲能特性填補功率型儲能不足，將微電網(wǎng)中凈負荷功率平抑為聯(lián)絡線協(xié)議功率，保障與主網(wǎng)的交互安全，提升系統(tǒng)性能。該系統(tǒng)功率平衡關(guān)系如下。(1)(2)式中，為系統(tǒng)混合儲能總功率，由蓄電池參考出力、超級電容器參考出力、抽水蓄能參考出力三者組成，具體如下。(3)某時刻下，當時，抽水蓄能的抽水參考出力為；當時，抽水蓄能的發(fā)電參考出力為。2基于完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解的功率分配策略如前文所述，集合經(jīng)驗模態(tài)分解在原始信號中加入白噪聲干擾，改變信號的極值點特性從而抑制混疊情況。但白噪聲存在高低頻的轉(zhuǎn)移與傳遞問題，針對此，考慮一種改進方法——完備集合經(jīng)驗模態(tài)分解，即每完成一階IMF分量計算，重新給殘值加入白噪聲并計算IMF分量均值，逐次重復至函數(shù)單調(diào)無法分解。具體計算如下。(4)式中，為時間；為加入白噪聲的次數(shù)；為原始功率分解信號；為加入的白噪聲擾動；為初始計算中第階IMF分量；為殘余分量。IMF分量均值計算如下。(5)式中，為總階數(shù)；為一階IMF分量。殘值更新為(6)經(jīng)次計算后，函數(shù)無法分解。則最終結(jié)果為(7)將分解結(jié)果與沖擊信號作卷積得到希爾伯特變換式。(8)(9)以為實部，為虛部構(gòu)造函數(shù)：(10)將的相位表示為，第階IMF分量的瞬時頻率計算如下。(11)為頻率從高到低的一組序列，根據(jù)儲能參與調(diào)節(jié)的不同時間尺度，將1min作為超級電容器與蓄電池參與調(diào)控的能力分界，得到高-中頻的分頻點為(12)將式(7)中劃為高頻分量，由超級電容器平抑。通過文獻[22]方法計算得到蓄電池與抽水蓄能的分頻點為，將劃為中頻分量，由蓄電池平抑；剩余部分為低頻分量，由抽水蓄能平抑。由此，超級電容器、蓄電池、抽水蓄能的參考功率為(13)3混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置3.1目標函數(shù)本工作采用儲能系統(tǒng)年最小綜合成本為目標進行容量優(yōu)化配置，表示為(14)式中，為混合儲能年投資成本；為混合儲能年運維成本。(15)(16)式中，、、分別為蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的年投資成本；、、分別為蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的年運維成本系數(shù)。其中，、、的計算如下。(17)(18)(19)式中，為折現(xiàn)率；、、分別為蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的實際使用壽命；、、分別為蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的單位功率成本；、、分別為蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的單位容量成本；、分別為蓄電池、超級電容器的額定功率；、、分別為蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的額定容量；、分別為抽水蓄能的抽水額定功率及發(fā)電額定功率。3.2約束條件3.2.1充放電功率約束在任意時刻下，儲能的實際充放電功率應滿足下列約束。(20)(21)(22)(23)式中，為蓄電池在時刻的實際充放電功率；為超級電容在時刻的實際充放電功率；、分別為抽水蓄能在時刻的實際抽水與發(fā)電功率；、為抽水蓄能抽/發(fā)標志，為0/1變量，。3.2.2能量守恒約束在任意時刻下，儲能的剩余容量應滿足以下約束。(24)(25)(26)(27)(28)(29)式中，、分別為蓄電池在、時刻的剩余容量；、分別為超級電容、時刻的剩余容量；、分別為抽水蓄能在、時刻的剩余蓄水量；、分別為蓄電池、超級電容的充放電效率；、分別為抽水蓄能的抽水效率及發(fā)電效率。蓄電池、超級電容還應滿足荷電狀態(tài)約束：(30)(31)其中(32)(33)式中，、分別為蓄電池荷電狀態(tài)上下限；、分別為超級電容器荷電狀態(tài)上下限；、分別為時刻蓄電池、超級電容器的荷電狀態(tài)。3.2.3儲能壽命約束考慮到超級電容器與抽水蓄能的使用壽命遠大于蓄電池，本工作僅對蓄電池設(shè)備進行壽命分析。設(shè)蓄電池在研究時段內(nèi)基準放電深度為，對應循環(huán)次數(shù)為。第次循環(huán)的實際放電深度為，對應等效循環(huán)次數(shù)為(34)則儲能的等效壽命估計為(35)式中，為蓄電池一年內(nèi)的研究時段數(shù)。3.2.4聯(lián)絡線功率偏移率約束為衡量混合儲能系統(tǒng)的平抑效果，將聯(lián)絡線功率偏移率定義為(36)式中，為采樣數(shù)目，為時刻聯(lián)絡線協(xié)議功率；為時刻經(jīng)儲能平抑后聯(lián)絡線功率。4模型求解由于本工作所建模型為非線性規(guī)劃問題，可選用MATLAB平臺下OptiToolbox中SCIP求解器進行求解，流程圖如下。圖3

混合儲能容量優(yōu)化求解流程圖

步驟1：收集某地區(qū)微網(wǎng)一年內(nèi)風光、負荷出力數(shù)據(jù)，計算凈負荷功率。步驟2：設(shè)定微網(wǎng)聯(lián)絡線協(xié)議功率，根據(jù)式(1)～(2)計算混合儲能總功率，利用式(4)～(11)對其進行CEEMDAN分解。根據(jù)式(13)計算混合儲能參考功率。步驟3：編寫目標函數(shù)式(14)～(19)與約束條件式(20)～(36)，構(gòu)建混合儲能容量優(yōu)化模型。采用文獻[24]的配置方法對混合儲能額定功率進行配置。步驟4：調(diào)用MATLAB中SCIP求解器對混合儲能容量優(yōu)化模型進行求解，確定儲能年最小綜合成本以及對應配置方案。5算例分析為便于驗證本工作所提結(jié)構(gòu)模型與方法，同時考慮微電網(wǎng)的最大傳輸功率限制與實際工程中抽水蓄能的裝機容量，以典型日凈負荷功率大致在-20～20MW范圍內(nèi)波動的微網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行仿真分析。相關(guān)參數(shù)如附錄A表A1所示。5.1功率分配典型日凈負荷功率、聯(lián)絡線協(xié)議功率、混合儲能總功率曲線如圖4所示，考慮能量型儲能與功率型儲能的協(xié)同調(diào)控與采樣數(shù)據(jù)量不宜過大，設(shè)置采樣間隔為7.5min，一天共有192個采樣點。圖4

凈負荷功率、聯(lián)絡線協(xié)議功率、混合儲能總功率示意圖

如圖4所示，微網(wǎng)凈負荷功率波動頻率較高，如不加儲能設(shè)備直接并網(wǎng)，將對主網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。根據(jù)微網(wǎng)并網(wǎng)要求，本工作將聯(lián)絡線功率偏移率目標設(shè)置在0～0.5，與主網(wǎng)交互的最大協(xié)議功率設(shè)定為±10MW。根據(jù)式(2)得到將凈負荷功率平抑為協(xié)議功率所需要的混合儲能總功率?；旌蟽δ芸偣β式?jīng)CEEMDAN分解后結(jié)果如圖5所示。圖5

混合儲能總功率CEEMDAN分解圖

從圖5可看出，混合儲能總功率被分解為8段頻率不同的IMF分量。IMF1為最高頻分量，r7為最低頻分量。將圖5分解結(jié)果進行希爾伯特變換，得到IMF1~r7的瞬時頻率-時間曲線圖，如附錄A圖A1所示。結(jié)合附錄A圖A1與式(13)確定蓄電池、超級電容器、抽水蓄能的參考出力功率如圖6所示。圖6

混合儲能參考出力功率圖6中超級電容器負責平抑功率變化最快的部分，抽水蓄能負責平抑功率變化最慢的部分，其余部分由蓄電池平抑。5.2平抑效果不同偏移率下蓄電池壽命與儲能年綜合成本變化如圖7所示。圖7

不同偏移率下壽命與成本從圖7可以看出，當功率偏移率為0.371時，系統(tǒng)的綜合效益最高。此時儲能年綜合成本最小，蓄電池壽命較長。選擇其為最優(yōu)方案，平抑效果如圖8所示。圖8

混合儲能平抑效果結(jié)合圖4與圖8，以式(36)所示功率偏移率為指標分析混合儲能平抑前后功率波動情況，如表1所示。表1

平抑前后功率偏移率由表1可知，平抑前凈負荷功率偏移率為1.147，遠大于目標值0.5，經(jīng)混合儲能平抑后，偏移率下降為0.371，功率波動情況得到很大改善，達到預期效果。5.3容量配置為體現(xiàn)本工作所提模型與CEEMDAN方法結(jié)合的優(yōu)勢，本工作設(shè)置對比方案如表2所示。表2

方案設(shè)置四種方案的容量配置結(jié)果如表3～表6所示。表3

方案1容量優(yōu)化配置結(jié)果表4

方案2容量優(yōu)化配置結(jié)果表5

方案3容量優(yōu)化配置結(jié)果表6

方案4容量優(yōu)化配置結(jié)果對比表3、表4數(shù)據(jù)，采用EEMD進行功率分配時，抽水蓄能的加入降低了聯(lián)絡線功率偏移率與儲能年綜合成本，但此時偏移率依然大于0.5，波動較大。對比表5、表6數(shù)據(jù)，采用CEEMDAN進行功率分配時，抽水蓄能的加入既能進一步降低聯(lián)絡線功率偏移率，提高微電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡的穩(wěn)定性；又能在一定程度上降低儲能年綜合成本，延長蓄電池使用壽命，實現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟雙優(yōu)化。對比表4、表6數(shù)據(jù)，與EEMD相比，采用CEEMDAN時系統(tǒng)聯(lián)絡線功率偏移率更低，平抑效果更好，且儲能容量需求更小，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟性。這是由于CEEMDAN通過更新殘值、重復計算的過程，使分解重構(gòu)后的信號更貼近原始功率，混合儲能的參考出力功率更為準確，從而降低混合儲能容量，最終減少了經(jīng)濟成本。綜合分析表3～表6數(shù)據(jù)，當使用EEMD時，抽水蓄能的加入使儲能綜合成本減小了8.52%，但使用CEEMDAN時，抽蓄的加入使綜合成本減小了10.80%?？梢砸姷茫诤樾畹奈㈦娋W(wǎng)混合儲能模型