基于完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的含抽蓄微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置
作者：魏震波 姚怡欣 張?chǎng)?羅紫航 李銀江 任語杰
單位：四川大學(xué)電氣工程學(xué)院
引用：魏震波, 姚怡欣,張?chǎng)? 等. 基于完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的含抽蓄微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(11): 3414-3424.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0432
本文亮點(diǎn)：（1）本文構(gòu)建了含抽水蓄能、蓄電池、超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三種儲(chǔ)能的特性互補(bǔ)，現(xiàn)有文章鮮有考慮三種儲(chǔ)能的協(xié)同作用；（2）所提混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)與主網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行了有效平抑，與不含抽蓄的系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能設(shè)備使用壽命；（3）基于CEEMDAN對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量配置，較EEMD具有更好的準(zhǔn)確性，從而降低混合儲(chǔ)能的配置容量及綜合成本，且與不含抽蓄的系統(tǒng)相比，在本文所提結(jié)構(gòu)中使用CEEMDAN更具優(yōu)勢(shì)。
摘 要 為減緩微電網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，拓展混合儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基于完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(complete ensemble empirical mode decomposition， CEEMDAN)的容量?jī)?yōu)化配置方法。首先，考慮抽水蓄能、蓄電池的能量型儲(chǔ)能特性與超級(jí)電容器的功率型儲(chǔ)能特性，在微電網(wǎng)中搭建混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型；其次，根據(jù)負(fù)荷出力確定聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率及混合儲(chǔ)能總功率，并采用完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)混儲(chǔ)系統(tǒng)總功率進(jìn)行分解；最后，建立以儲(chǔ)能年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型，并給出相應(yīng)求解方法。算例結(jié)果表明：較不含抽蓄的混儲(chǔ)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(luò)線功率波動(dòng)的同時(shí)提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，且蓄電池設(shè)備動(dòng)作頻次有所減少，提升了其使用壽命，驗(yàn)證了所提混合儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)；完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；容量配置；抽水蓄能
儲(chǔ)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(jì)運(yùn)控中得到廣泛應(yīng)用。在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中，合理配置儲(chǔ)能裝置，能有效平抑聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)，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(chǔ)能裝置，而有研究發(fā)現(xiàn)，若采用能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能相結(jié)合的混合儲(chǔ)能，可大幅提升儲(chǔ)能系統(tǒng)在功率與能量?jī)蓚€(gè)維度的調(diào)節(jié)能力。因此，混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)特征與功能、容量?jī)?yōu)化配置等，成為學(xué)者們的研究焦點(diǎn)。
在混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)特征方面，文獻(xiàn)[6]基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提出儲(chǔ)能電池-電鍋爐-儲(chǔ)熱罐的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，緩解了棄風(fēng)消納問題，但儲(chǔ)熱罐伴隨熱量的損失，能效較低；文獻(xiàn)[7]采用鋰電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能模型對(duì)分布式電源功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，充分發(fā)揮了兩類儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行效率，但由于超級(jí)電容器與蓄電池的成本偏高，此模型的經(jīng)濟(jì)性欠缺；文獻(xiàn)[8]采用氫儲(chǔ)能-蓄電池的混合儲(chǔ)能模型，兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與低碳性，但氫儲(chǔ)能的高效運(yùn)行需系統(tǒng)維持在較高的功率狀態(tài)下，此條件較為嚴(yán)苛。以上研究已從多個(gè)場(chǎng)景印證了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，然而抽水蓄能作為儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的模型尚不多見，值得深入研究。
在容量?jī)?yōu)化配置方面，其關(guān)鍵在于對(duì)混合儲(chǔ)能的能量分配，文獻(xiàn)[10]提出一種基于離散傅里葉變換的分解方法，通過簡(jiǎn)易的時(shí)頻變換分析信號(hào)，但該方法分解得到的是長(zhǎng)時(shí)間尺度下的頻率特性，無法確定某一出力信號(hào)發(fā)生時(shí)的具體時(shí)段。針對(duì)此，文獻(xiàn)[11]采用小波包分解對(duì)風(fēng)電功率信號(hào)進(jìn)行多尺度分解與重構(gòu)，對(duì)功率的分解更為精細(xì)，但該方法的儲(chǔ)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，文獻(xiàn)[12]通過自適應(yīng)滑動(dòng)平均濾波法處理功率信號(hào)，避免了人為干擾，但將一個(gè)滑動(dòng)窗內(nèi)所有采樣點(diǎn)的平均功率作為平滑目標(biāo)，易使目標(biāo)功率曲線偏離原始功率曲線；而文獻(xiàn)[13]采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)有效解決了信號(hào)的模態(tài)混疊情況，重構(gòu)信號(hào)時(shí)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(yàn)?zāi)B(tài)分解法相比有所欠缺。
在混合儲(chǔ)能平抑并網(wǎng)型微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率方面，文獻(xiàn)[15]在構(gòu)建復(fù)合儲(chǔ)能的基礎(chǔ)上基于改進(jìn)鯨魚算法對(duì)微網(wǎng)儲(chǔ)能容量配置進(jìn)行優(yōu)化，提高了聯(lián)絡(luò)線功率利用率，但模型中未考慮蓄電池運(yùn)行壽命；文獻(xiàn)[16]在考慮電池設(shè)備壽命的同時(shí)，驗(yàn)證了超級(jí)電容器、蓄電池和壓縮空氣儲(chǔ)能組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)平抑微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的有效性，但該模型僅設(shè)置聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)上下限，未設(shè)具體指標(biāo)分析儲(chǔ)能的平抑作用；文獻(xiàn)[17]以聯(lián)絡(luò)線期望功率的偏差平方最小為目標(biāo)，對(duì)微網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)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(yīng)用場(chǎng)景，利用抽水蓄能容量大、成本低等優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建含抽水蓄能的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，在平抑聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的同時(shí)提高系統(tǒng)綜合價(jià)值，主要包括聯(lián)絡(luò)線功率平抑效果、儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及儲(chǔ)能設(shè)備使用壽命等。其中，為使負(fù)荷需求信號(hào)分頻重構(gòu)后更貼近原始功率，采用完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解對(duì)混合儲(chǔ)能進(jìn)行功率分配。最后，以某地區(qū)微電網(wǎng)為例對(duì)所提結(jié)構(gòu)合理性與配置模型有效性進(jìn)行校驗(yàn)，為混合儲(chǔ)能應(yīng)用提供參考。
1 含抽水蓄能的混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)
當(dāng)前，典型儲(chǔ)能裝置及能力特征如圖1所示。
圖1 儲(chǔ)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(shì)，還能參與長(zhǎng)時(shí)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(jí)電容器的“能量-功率”混合型儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，如圖2所示。
2 基于完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的功率分配策略
如前文所述，集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解在原始信號(hào)中加入白噪聲干擾，改變信號(hào)的極值點(diǎn)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(duì)此，考慮一種改進(jìn)方法——完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，即每完成一階IMF分量計(jì)算，重新給殘值加入白噪聲并計(jì)算IMF分量均值，逐次重復(fù)至函數(shù)單調(diào)無法分解。具體計(jì)算如下。
3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置
3.1 目標(biāo)函數(shù)
3.2 約束條件
3.2.1 充放電功率約束
3.2.2 能量守恒約束
在任意時(shí)刻圖片下，儲(chǔ)能的剩余容量應(yīng)滿足以下約束。
3.2.3 儲(chǔ)能壽命約束
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(tái)下Opti Toolbox中SCIP求解器進(jìn)行求解，流程圖如下。
圖3 混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化求解流程圖
步驟1：收集某地區(qū)微網(wǎng)一年內(nèi)風(fēng)光、負(fù)荷出力數(shù)據(jù)，計(jì)算凈負(fù)荷功率。
步驟2：設(shè)定微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率，根據(jù)式(1)～(2)計(jì)算混合儲(chǔ)能總功率，利用式(4)～(11)對(duì)其進(jìn)行CEEMDAN分解。根據(jù)式(13)計(jì)算混合儲(chǔ)能參考功率。
步驟3：編寫目標(biāo)函數(shù)式(14)～(19)與約束條件式(20)～(36)，構(gòu)建混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型。采用文獻(xiàn)[24]的配置方法對(duì)混合儲(chǔ)能額定功率進(jìn)行配置。
步驟4：調(diào)用MATLAB中SCIP求解器對(duì)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化模型進(jìn)行求解，確定儲(chǔ)能年最小綜合成本以及對(duì)應(yīng)配置方案。
5 算例分析
為便于驗(yàn)證本工作所提結(jié)構(gòu)模型與方法，同時(shí)考慮微電網(wǎng)的最大傳輸功率限制與實(shí)際工程中抽水蓄能的裝機(jī)容量，以典型日凈負(fù)荷功率大致在-20～20 MW范圍內(nèi)波動(dòng)的微網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)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(fù)荷功率、聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率、混合儲(chǔ)能總功率曲線如圖4所示，考慮能量型儲(chǔ)能與功率型儲(chǔ)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7.5 min，一天共有192個(gè)采樣點(diǎn)。
圖4 凈負(fù)荷功率、聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率、混合儲(chǔ)能總功率示意圖
如圖4所示，微網(wǎng)凈負(fù)荷功率波動(dòng)頻率較高，如不加儲(chǔ)能設(shè)備直接并網(wǎng)，將對(duì)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(luò)線功率偏移率目標(biāo)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±10 MW。各時(shí)段的聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率計(jì)算見引文[26]，此處不再贅述。根據(jù)式(2)得到將凈負(fù)荷功率平抑為協(xié)議功率所需要的混合儲(chǔ)能總功率。
混合儲(chǔ)能總功率經(jīng)CEEMDAN分解后結(jié)果如圖5所示。
圖5 混合儲(chǔ)能總功率CEEMDAN分解圖
從圖5可看出，混合儲(chǔ)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(jìn)行希爾伯特變換，得到IMF1~r7的瞬時(shí)頻率-時(shí)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(jí)電容器、抽水蓄能的參考出力功率如圖6所示。
圖6 混合儲(chǔ)能參考出力功率
圖6中超級(jí)電容器負(fù)責(zé)平抑功率變化最快的部分，抽水蓄能負(fù)責(zé)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(chǔ)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(dāng)功率偏移率為0.371時(shí)，系統(tǒng)的綜合效益最高。此時(shí)儲(chǔ)能年綜合成本最小，蓄電池壽命較長(zhǎng)。選擇其為最優(yōu)方案，平抑效果如圖8所示。
圖8 混合儲(chǔ)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(biāo)分析混合儲(chǔ)能平抑前后功率波動(dòng)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(fù)荷功率偏移率為1.147，遠(yuǎn)大于目標(biāo)值0.5，經(jīng)混合儲(chǔ)能平抑后，偏移率下降為0.371，功率波動(dòng)情況得到很大改善，達(dá)到預(yù)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(shì)，本工作設(shè)置對(duì)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。
對(duì)比表3、表4數(shù)據(jù)，采用EEMD進(jìn)行功率分配時(shí)，抽水蓄能的加入降低了聯(lián)絡(luò)線功率偏移率與儲(chǔ)能年綜合成本，但此時(shí)偏移率依然大于0.5，波動(dòng)較大。
對(duì)比表5、表6數(shù)據(jù)，采用CEEMDAN進(jìn)行功率分配時(shí)，抽水蓄能的加入既能進(jìn)一步降低聯(lián)絡(luò)線功率偏移率，提高微電網(wǎng)與主網(wǎng)聯(lián)絡(luò)的穩(wěn)定性；又能在一定程度上降低儲(chǔ)能年綜合成本，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)雙優(yōu)化。
對(duì)比表4、表6數(shù)據(jù)，與EEMD相比，采用CEEMDAN時(shí)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率偏移率更低，平抑效果更好，且儲(chǔ)能容量需求更小，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。這是由于CEEMDAN通過更新殘值、重復(fù)計(jì)算的過程，使分解重構(gòu)后的信號(hào)更貼近原始功率，混合儲(chǔ)能的參考出力功率更為準(zhǔn)確，從而降低混合儲(chǔ)能容量，最終減少了經(jīng)濟(jì)成本。
綜合分析表3～表6數(shù)據(jù)，當(dāng)使用EEMD時(shí)，抽水蓄能的加入使儲(chǔ)能綜合成本減小了8.52%，但使用CEEMDAN時(shí)，抽蓄的加入使綜合成本減小了10.80%?？梢砸姷?，在含抽蓄的微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能模型中使用CEEMDAN具有更高價(jià)值。
6 結(jié)論
本工作提出了一種含抽水蓄能-蓄電池-超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能模型，采用完備集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法對(duì)其容量?jī)?yōu)化配置問題進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：
（1）所構(gòu)建的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用抽水蓄能在長(zhǎng)時(shí)間尺度能量調(diào)控上的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步拓展了混合儲(chǔ)能在功率-能量?jī)蓚€(gè)維度的綜合能力，且有效延長(zhǎng)了儲(chǔ)能設(shè)備使用壽命；
（2）所提系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的微網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)率大幅減小，與不含抽蓄的系統(tǒng)相比，系統(tǒng)綜合成本顯著降低，經(jīng)濟(jì)性得到進(jìn)一步提升；
（3）CEEMDAN較EEMD具有更好的準(zhǔn)確性，能有效降低混合儲(chǔ)能的配置容量及綜合成本，更適用于本工作所構(gòu)建的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。
