基于完备集合经验模态分解的含抽蓄微电网混合储能容量优化配置

摘要

为减缓微电网并网联络线功率波动，拓展混合储能参与系统调节的能力边界，提出一种含抽蓄的微电网混合储能系统结构及基于完备集合经验模态分解(completeensembleempiricalmodedecomposition，CEEMDAN)的容量优化配置方法。首先，考虑抽水蓄能、蓄电池的能量型储能特性与超级电容器的功率型储能特性，在微电网中搭建混合储能系统结构模型；其次，根据负荷出力确定联络线协议功率及混合储能总功率，并采用完备集合经验模态分解法对混储系统总功率进行分解；最后，建立以储能年综合成本最小为优化目标的混合储能系统容量优化配置模型，并给出相应求解方法。算例结果表明：较不含抽蓄的混储系统，该结构模型的调控能力得到提升，在有效平抑联络线功率波动的同时提高系统经济性，且蓄电池设备动作频次有所减少，提升了其使用寿命，验证了所提混合储能结构的合理性及优化模型的有效性。关键词

微电网；混合储能系统；完备集合经验模态分解；容量配置；抽水蓄能储能作为一种高效的灵活性资源在现代电网安全、经济运控中得到广泛应用。在并网型微电网中，合理配置储能装置，能有效平抑联络线功率波动，保障微电网与主网协同作用的稳定性。纵观现有研究，大都仅考虑单一型储能装置，而有研究发现，若采用能量型储能和功率型储能相结合的混合储能，可大幅提升储能系统在功率与能量两个维度的调节能力。因此，混合储能结构特征与功能、容量优化配置等，成为学者们的研究焦点。在混合储能结构特征方面，文献基于热电联产机组提出储能电池-电锅炉-储热罐的混合储能系统，缓解了弃风消纳问题，但储热罐伴随热量的损失，能效较低；文献采用锂电池和超级电容器组成的混合储能模型对分布式电源功率波动进行平抑，充分发挥了两类储能的优点，提高了储能系统运行效率，但由于超级电容器与蓄电池的成本偏高，此模型的经济性欠缺；文献采用氢储能-蓄电池的混合储能模型，兼顾系统的经济性与低碳性，但氢储能的高效运行需系统维持在较高的功率状态下，此条件较为严苛。以上研究已从多个场景印证了混合储能系统的特点与优势，然而抽水蓄能作为储能典型代表，技术成熟且成本较低，但将抽水蓄能加入混合储能系统的模型尚不多见，值得深入研究。在容量优化配置方面，其关键在于对混合储能的能量分配，文献提出一种基于离散傅里叶变换的分解方法，通过简易的时频变换分析信号，但该方法分解得到的是长时间尺度下的频率特性，无法确定某一出力信号发生时的具体时段。针对此，采用小波包分解对风电功率信号进行多尺度分解与重构，对功率的分解更为精细，但该方法的储能配置结果与人为确定的小波包分解层数关联较大。因此，为克服主观因素影响，通过自适应滑动平均滤波法处理功率信号，避免了人为干扰，但将一个滑动窗内所有采样点的平均功率作为平滑目标，易使目标功率曲线偏离原始功率曲线；而采用集合经验模态分解法(ensembleempiricalmodedecomposition,EEMD)有效解决了信号的模态混叠情况，重构信号时产生的偏差较小，但在处理白噪声问题上，其效果与完备集合经验模态分解法相比有所欠缺。在混合储能平抑并网型微网联络线功率方面，在构建复合储能的基础上基于改进鲸鱼算法对微网储能容量配置进行优化，提高了联络线功率利用率，但模型中未考虑蓄电池运行寿命；在考虑电池设备寿命的同时，验证了超级电容器、蓄电池和压缩空气储能组成的混合储能系统对平抑微网联络线功率的有效性，但该模型仅设置联络线功率波动上下限，未设具体指标分析储能的平抑作用；以联络线期望功率的偏差平方最小为目标，对微网混合储能系统的经济性进行优化，但该文采用的分频方法为传统低通滤波法，与前文所提多种能量分配方法相比精度太低，分解后功率与原始功率曲线偏差较大。综上现状与问题，本工作以并网型微电网为应用场景，利用抽水蓄能容量大、成本低等优势，构建含抽水蓄能的混合储能系统，在平抑联络线功率波动的同时提高系统综合价值，主要包括联络线功率平抑效果、储能系统经济性及储能设备使用寿命等。其中，为使负荷需求信号分频重构后更贴近原始功率，采用完备集合经验模态分解对混合储能进行功率分配。最后，以某地区微电网为例对所提结构合理性与配置模型有效性进行校验，为混合储能应用提供参考。1含抽水蓄能的混合储能结构当前，典型储能装置及能力特征如图1所示。图1

储能技术特性分析不难看出，抽水蓄能不仅具有调节容量大、单位容量成本低的优势，还能参与长时间尺度下的系统调控。因此，本工作构建含抽水蓄能、蓄电池、超级电容器的“能量-功率”混合型储能结构，如图2所示。图2

微电网混合储能系统结构图中，为风光联合出力功率；为负荷出力；为净负荷功率；为联络线协议功率，由微网调度部门预先设定。该系统可以利用能量型储能特性填补功率型储能不足，将微电网中净负荷功率平抑为联络线协议功率，保障与主网的交互安全，提升系统性能。该系统功率平衡关系如下。(1)(2)式中，为系统混合储能总功率，由蓄电池参考出力、超级电容器参考出力、抽水蓄能参考出力三者组成，具体如下。(3)某时刻下，当时，抽水蓄能的抽水参考出力为；当时，抽水蓄能的发电参考出力为。2基于完备集合经验模态分解的功率分配策略如前文所述，集合经验模态分解在原始信号中加入白噪声干扰，改变信号的极值点特性从而抑制混叠情况。但白噪声存在高低频的转移与传递问题，针对此，考虑一种改进方法——完备集合经验模态分解，即每完成一阶IMF分量计算，重新给残值加入白噪声并计算IMF分量均值，逐次重复至函数单调无法分解。具体计算如下。(4)式中，为时间；为加入白噪声的次数；为原始功率分解信号；为加入的白噪声扰动；为初始计算中第阶IMF分量；为残余分量。IMF分量均值计算如下。(5)式中，为总阶数；为一阶IMF分量。残值更新为(6)经次计算后，函数无法分解。则最终结果为(7)将分解结果与冲击信号作卷积得到希尔伯特变换式。(8)(9)以为实部，为虚部构造函数：(10)将的相位表示为，第阶IMF分量的瞬时频率计算如下。(11)为频率从高到低的一组序列，根据储能参与调节的不同时间尺度，将1min作为超级电容器与蓄电池参与调控的能力分界，得到高-中频的分频点为(12)将式(7)中划为高频分量，由超级电容器平抑。通过文献[22]方法计算得到蓄电池与抽水蓄能的分频点为，将划为中频分量，由蓄电池平抑；剩余部分为低频分量，由抽水蓄能平抑。由此，超级电容器、蓄电池、抽水蓄能的参考功率为(13)3混合储能系统容量优化配置3.1目标函数本工作采用储能系统年最小综合成本为目标进行容量优化配置，表示为(14)式中，为混合储能年投资成本；为混合储能年运维成本。(15)(16)式中，、、分别为蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的年投资成本；、、分别为蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的年运维成本系数。其中，、、的计算如下。(17)(18)(19)式中，为折现率；、、分别为蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的实际使用寿命；、、分别为蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的单位功率成本；、、分别为蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的单位容量成本；、分别为蓄电池、超级电容器的额定功率；、、分别为蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的额定容量；、分别为抽水蓄能的抽水额定功率及发电额定功率。3.2约束条件3.2.1充放电功率约束在任意时刻下，储能的实际充放电功率应满足下列约束。(20)(21)(22)(23)式中，为蓄电池在时刻的实际充放电功率；为超级电容在时刻的实际充放电功率；、分别为抽水蓄能在时刻的实际抽水与发电功率；、为抽水蓄能抽/发标志，为0/1变量，。3.2.2能量守恒约束在任意时刻下，储能的剩余容量应满足以下约束。(24)(25)(26)(27)(28)(29)式中，、分别为蓄电池在、时刻的剩余容量；、分别为超级电容、时刻的剩余容量；、分别为抽水蓄能在、时刻的剩余蓄水量；、分别为蓄电池、超级电容的充放电效率；、分别为抽水蓄能的抽水效率及发电效率。蓄电池、超级电容还应满足荷电状态约束：(30)(31)其中(32)(33)式中，、分别为蓄电池荷电状态上下限；、分别为超级电容器荷电状态上下限；、分别为时刻蓄电池、超级电容器的荷电状态。3.2.3储能寿命约束考虑到超级电容器与抽水蓄能的使用寿命远大于蓄电池，本工作仅对蓄电池设备进行寿命分析。设蓄电池在研究时段内基准放电深度为，对应循环次数为。第次循环的实际放电深度为，对应等效循环次数为(34)则储能的等效寿命估计为(35)式中，为蓄电池一年内的研究时段数。3.2.4联络线功率偏移率约束为衡量混合储能系统的平抑效果，将联络线功率偏移率定义为(36)式中，为采样数目，为时刻联络线协议功率；为时刻经储能平抑后联络线功率。4模型求解由于本工作所建模型为非线性规划问题，可选用MATLAB平台下OptiToolbox中SCIP求解器进行求解，流程图如下。图3

混合储能容量优化求解流程图

步骤1：收集某地区微网一年内风光、负荷出力数据，计算净负荷功率。步骤2：设定微网联络线协议功率，根据式(1)～(2)计算混合储能总功率，利用式(4)～(11)对其进行CEEMDAN分解。根据式(13)计算混合储能参考功率。步骤3：编写目标函数式(14)～(19)与约束条件式(20)～(36)，构建混合储能容量优化模型。采用文献[24]的配置方法对混合储能额定功率进行配置。步骤4：调用MATLAB中SCIP求解器对混合储能容量优化模型进行求解，确定储能年最小综合成本以及对应配置方案。5算例分析为便于验证本工作所提结构模型与方法，同时考虑微电网的最大传输功率限制与实际工程中抽水蓄能的装机容量，以典型日净负荷功率大致在-20～20MW范围内波动的微网数据为基础进行仿真分析。相关参数如附录A表A1所示。5.1功率分配典型日净负荷功率、联络线协议功率、混合储能总功率曲线如图4所示，考虑能量型储能与功率型储能的协同调控与采样数据量不宜过大，设置采样间隔为7.5min，一天共有192个采样点。图4

净负荷功率、联络线协议功率、混合储能总功率示意图

如图4所示，微网净负荷功率波动频率较高，如不加储能设备直接并网，将对主网的稳定性产生较大影响。根据微网并网要求，本工作将联络线功率偏移率目标设置在0～0.5，与主网交互的最大协议功率设定为±10MW。根据式(2)得到将净负荷功率平抑为协议功率所需要的混合储能总功率。混合储能总功率经CEEMDAN分解后结果如图5所示。图5

混合储能总功率CEEMDAN分解图

从图5可看出，混合储能总功率被分解为8段频率不同的IMF分量。IMF1为最高频分量，r7为最低频分量。将图5分解结果进行希尔伯特变换，得到IMF1~r7的瞬时频率-时间曲线图，如附录A图A1所示。结合附录A图A1与式(13)确定蓄电池、超级电容器、抽水蓄能的参考出力功率如图6所示。图6

混合储能参考出力功率图6中超级电容器负责平抑功率变化最快的部分，抽水蓄能负责平抑功率变化最慢的部分，其余部分由蓄电池平抑。5.2平抑效果不同偏移率下蓄电池寿命与储能年综合成本变化如图7所示。图7

不同偏移率下寿命与成本从图7可以看出，当功率偏移率为0.371时，系统的综合效益最高。此时储能年综合成本最小，蓄电池寿命较长。选择其为最优方案，平抑效果如图8所示。图8

混合储能平抑效果结合图4与图8，以式(36)所示功率偏移率为指标分析混合储能平抑前后功率波动情况，如表1所示。表1

平抑前后功率偏移率由表1可知，平抑前净负荷功率偏移率为1.147，远大于目标值0.5，经混合储能平抑后，偏移率下降为0.371，功率波动情况得到很大改善，达到预期效果。5.3容量配置为体现本工作所提模型与CEEMDAN方法结合的优势，本工作设置对比方案如表2所示。表2

方案设置四种方案的容量配置结果如表3～表6所示。表3

方案1容量优化配置结果表4

方案2容量优化配置结果表5

方案3容量优化配置结果表6

方案4容量优化配置结果对比表3、表4数据，采用EEMD进行功率分配时，抽水蓄能的加入降低了联络线功率偏移率与储能年综合成本，但此时偏移率依然大于0.5，波动较大。对比表5、表6数据，采用CEEMDAN进行功率分配时，抽水蓄能的加入既能进一步降低联络线功率偏移率，提高微电网与主网联络的稳定性；又能在一定程度上降低储能年综合成本，延长蓄电池使用寿命，实现技术与经济双优化。对比表4、表6数据，与EEMD相比，采用CEEMDAN时系统联络线功率偏移率更低，平抑效果更好，且储能容量需求更小，提升了系统经济性。这是由于CEEMDAN通过更新残值、重复计算的过程，使分解重构后的信号更贴近原始功率，混合储能的参考出力功率更为准确，从而降低混合储能容量，最终减少了经济成本。综合分析表3～表6数据，当使用EEMD时，抽水蓄能的加入使储能综合成本减小了8.52%，但使用CEEMDAN时，抽蓄的加入使综合成本减小了10.80%。可以见得，在含抽蓄的微电网混合储能模型