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-中国储能网

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

作者：魏震波姚怡欣张雯雯罗紫航李银江任语杰

单位：四川大学电气工程学院

引用：魏震波, 姚怡欣,张雯雯, 等. 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[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(11): 3414-3424.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0432

本文亮点：（1）本文构建了含抽水蓄能、蓄电池、超级电容的混合储能系统结构，实现了三种储能的特性互补，现有文章鲜有考虑三种储能的协同作用；（2）所提混合储能系统对微网与主网间联络线功率进行了有效平抑，与不含抽蓄的系统相比，提高了系统经济性，延长了储能设备使用寿命；（3）基于CEEMDAN对混合储能系统进行容量配置，较EEMD具有更好的准确性，从而降低混合储能的配置容量及综合成本，且与不含抽蓄的系统相比，在本文所提结构中使用CEEMDAN更具优势。

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(complete ensemble empirical mode decomposition， 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[6]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[7]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[8]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[10]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，文献[11]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，文献[12]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；而文献[13]采用集合经验模态分解法(ensemble empirical mode decomposition, 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，文献[15]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；文献[16]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；文献[17]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。

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。

3 混合储能系统容量优化配置

3.1　目标函数

3.2　约束条件

3.2.1　充放电功率约束

3.2.2　能量守恒约束

在任意时刻图片下，储能的剩余容量应满足以下约束。

3.2.3　储能寿命约束

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Opti Toolbox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-20～20 MW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7.5 min，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±10 MW。各时段的联络线协议功率计算见引文[26]，此处不再赘述。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。