基于完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的含抽蓄微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置
作者：魏震波 姚怡欣 張雯雯 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,張雯雯, 等. 基于完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的含抽蓄微電網(wǎng)混合儲能容量優(yōu)化配置[J]. 儲能科學(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、超級電容的混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了三種儲能的特性互補(bǔ)，現(xiàn)有文章鮮有考慮三種儲能的協(xié)同作用；（2）所提混合儲能系統(tǒng)對微網(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，延長了儲能設(shè)備使用壽命；（3）基于CEEMDAN對混合儲能系統(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。
摘 要 為減緩微電網(wǎng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)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?zāi)B(tài)分解(complete ensemble empirical mode decomposition， 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(fù)荷出力確定聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率及混合儲能總功率，并采用完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對混儲系統(tǒng)總功率進(jìn)行分解；最后，建立以儲能年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)的混合儲能系統(tǒng)容量優(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)線功率波動的同時提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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?zāi)B(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(jì)運(yùn)控中得到廣泛應(yīng)用。在并網(wǎng)型微電網(wǎng)中，合理配置儲能裝置，能有效平抑聯(lián)絡(luò)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(xué)者們的研究焦點(diǎn)。
在混合儲能結(jié)構(gòu)特征方面，文獻(xiàn)[6]基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提出儲能電池-電鍋爐-儲熱罐的混合儲能系統(tǒng)，緩解了棄風(fēng)消納問題，但儲熱罐伴隨熱量的損失，能效較低；文獻(xiàn)[7]采用鋰電池和超級電容器組成的混合儲能模型對分布式電源功率波動進(jìn)行平抑，充分發(fā)揮了兩類儲能的優(yōu)點(diǎn)，提高了儲能系統(tǒng)運(yùn)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(jì)性欠缺；文獻(xiàn)[8]采用氫儲能-蓄電池的混合儲能模型，兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與低碳性，但氫儲能的高效運(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。以上研究已從多個場景印證了混合儲能系統(tǒng)的特點(diǎn)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(xiàn)[10]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，文獻(xiàn)[11]采用小波包分解對風(fēng)電功率信號進(jìn)行多尺度分解與重構(gòu)，對功率的分解更為精細(xì)，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，文獻(xiàn)[12]通過自適應(yīng)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(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?zāi)B(tài)分解法(ensemble empirical mode decomposition, 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?zāi)B(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(luò)線功率方面，文獻(xiàn)[15]在構(gòu)建復(fù)合儲能的基礎(chǔ)上基于改進(jìn)鯨魚算法對微網(wǎng)儲能容量配置進(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，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(luò)線功率的有效性，但該模型僅設(shè)置聯(lián)絡(luò)線功率波動上下限，未設(shè)具體指標(biāo)分析儲能的平抑作用；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)，對微網(wǎng)混合儲能系統(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(luò)線功率波動的同時提高系統(tǒng)綜合價值，主要包括聯(lián)絡(luò)線功率平抑效果、儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及儲能設(shè)備使用壽命等。其中，為使負(fù)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?zāi)B(tài)分解對混合儲能進(jìn)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(jìn)行校驗，為混合儲能應(yīng)用提供參考。
1 含抽水蓄能的混合儲能結(jié)構(gòu)
當(dāng)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。
2 基于完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的功率分配策略
如前文所述，集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解在原始信號中加入白噪聲干擾，改變信號的極值點(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，針對此，考慮一種改進(jìn)方法——完備集合經(jīng)驗?zāi)B(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(fù)至函數(shù)單調(diào)無法分解。具體計算如下。
3 混合儲能系統(tǒng)容量優(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
在任意時刻圖片下，儲能的剩余容量應(yīng)滿足以下約束。
3.2.3 儲能壽命約束
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平臺下Opti Toolbox中SCIP求解器進(jìn)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(fēng)光、負(fù)荷出力數(shù)據(jù)，計算凈負(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)計算混合儲能總功率，利用式(4)～(11)對其進(jìn)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(biāo)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(xiàn)[24]的配置方法對混合儲能額定功率進(jìn)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(jìn)行求解，確定儲能年最小綜合成本以及對應(yīng)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(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7.5 min，一天共有192個采樣點(diǎn)。
圖4 凈負(fù)荷功率、聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率、混合儲能總功率示意圖
如圖4所示，微網(wǎng)凈負(fù)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(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。各時段的聯(lián)絡(luò)線協(xié)議功率計算見引文[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能總功率。
混合儲能總功率經(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(jìn)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(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，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(biāo)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(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(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，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。
對比表3、表4數(shù)據(jù)，采用EEMD進(jìn)行功率分配時，抽水蓄能的加入降低了聯(lián)絡(luò)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(jìn)行功率分配時，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(jì)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(luò)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(jì)性。這是由于CEEMDAN通過更新殘值、重復(fù)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(zhǔn)確，從而降低混合儲能容量，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，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?，在含抽蓄的微電網(wǎng)混合儲能模型中使用CEEMDAN具有更高價值。
6 結(jié)論
本工作提出了一種含抽水蓄能-蓄電池-超級電容器的混合儲能模型，采用完備集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對其容量優(yōu)化配置問題進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：
（1）所構(gòu)建的混合儲能系統(tǒng)，利用抽水蓄能在長時間尺度能量調(diào)控上的優(yōu)勢，進(jìn)一步拓展了混合儲能在功率-能量兩個維度的綜合能力，且有效延長了儲能設(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)建的混合儲能系統(tǒng)。
