吳倩,王洋,王琳媛,王夢帆,鄭建勇
(1. 國網(wǎng)江蘇電力設(shè)計咨詢有限公司,南京 210008; 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院,南京 210008; 3. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院,南京 210096)
近年來,全球范圍內(nèi)對能源的可持續(xù)性以及傳統(tǒng)發(fā)電方式帶來的環(huán)境問題的關(guān)注,為可再生能源的發(fā)展提供了動力[1]。微網(wǎng)作為可再生能源發(fā)電設(shè)備接入電網(wǎng)的一種重要方式,其運行的安全穩(wěn)定性受可再生能源發(fā)電的隨機性和間歇性影響[2-4]。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)利用風(fēng)光互補特性,在一定程度緩解了可再生能源發(fā)電的自然缺陷對微網(wǎng)造成的不利影響,再配置一定容量的儲能裝置填補氣象的隨機變化,組成風(fēng)光儲混合發(fā)電系統(tǒng),可以平抑可再生能源出力波動,提高能源利用率,保證微網(wǎng)電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性[5-6]。
目前廣泛采用混合儲能系統(tǒng),充分利用能量型儲能和功率型儲能在技術(shù)、經(jīng)濟性能上的強互補性,克服單一儲能系統(tǒng)的缺點[7-8]。然而在現(xiàn)有技術(shù)條件下,儲能裝置的造價較為高昂,如何合理配置HESS的容量,在滿足系統(tǒng)平抑風(fēng)、光功率波動要求的同時,降低建設(shè)成本成為HESS應(yīng)用于風(fēng)光儲系統(tǒng)的研究熱點之一[9]。
國內(nèi)外學(xué)者針對HESS容量優(yōu)化配置問題進(jìn)行了大量研究,并取得相關(guān)成果。文獻(xiàn)[10]基于一階低通濾波法和限風(fēng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性分析,兼顧風(fēng)電功率波動平抑效果與風(fēng)電消納能力,以HESS綜合收益最大為目標(biāo)確定最優(yōu)容量配置方案;文獻(xiàn)[11-12]采用小波包分解技術(shù)將風(fēng)電功率分解為高頻、低頻分量,分別作為超級電容器和蓄電池的參考功率,計及電池壽命損耗建立混合儲能容量經(jīng)濟優(yōu)化模型;文獻(xiàn)[13]采用小波理論對風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行多層分解,結(jié)合模型控制算法對HESS進(jìn)行充放電控制,平滑風(fēng)電功率波動,并確定HESS容量配置方案;文獻(xiàn)[14]分別采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和離散傅里葉變換分解將風(fēng)電場輸出功率的波動分量進(jìn)行兩階段分解,進(jìn)而得出HESS容量大小,在降低風(fēng)電功率波動的同時,避免了EMD分解中的模態(tài)混疊現(xiàn)象;文獻(xiàn)[15]提出一種根據(jù)儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)自適應(yīng)調(diào)整EMD分解濾波階數(shù)的HESS功率分配方法,在有效平抑風(fēng)電波動的同時維持儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的穩(wěn)定。
上述研究大多針對風(fēng)儲或光儲系統(tǒng),而對風(fēng)光儲系統(tǒng)中的HESS容量配置問題的研究較少,且目前常用的低通濾波、小波包分解、EMD分解等方法存在延遲、準(zhǔn)確性差、易產(chǎn)生模態(tài)混疊等問題,而采用VMD分解可以在一定程度上解決上述問題。因此,文中以微網(wǎng)中含HESS的風(fēng)光儲系統(tǒng)為研究對象,以平滑風(fēng)、光合成輸出功率波動為目標(biāo)。首先采用滑動平均法確定風(fēng)光儲系統(tǒng)的并網(wǎng)參考功率和HESS參考功率,利用VMD分解和希爾伯特變換確定分界頻率,根據(jù)分界頻率和儲能荷電狀態(tài)等約束制定HESS控制策略。接著,定義指標(biāo)分別描述風(fēng)、光輸出功率波動特性與風(fēng)光儲系統(tǒng)輸出功率平滑程度,利用仿真得到的大量儲能參數(shù)、風(fēng)光輸出功率波動特性和功率平滑度指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系,訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。然后,以平滑效果最優(yōu)和HESS投資建設(shè)成本最低為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建HESS容量配置模型。最后結(jié)合某風(fēng)電場和某光伏電站出力數(shù)據(jù),仿真驗證文中所提方法的有效性。
相比于交流組網(wǎng)方式,基于直流母線的組網(wǎng)方式結(jié)構(gòu)簡單、便于控制,具有明顯優(yōu)勢[16],因此文中以圖1所示的基于直流組網(wǎng)方式的典型風(fēng)光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。
圖1 基于直流組網(wǎng)方式的風(fēng)光儲系統(tǒng)
圖1中,PPV(t)和PWG(t)分別為光伏發(fā)電機組和風(fēng)力發(fā)電機組t時刻的輸出功率;PB(t)和PC(t)分別為蓄電池和超級電容t時刻的充放電功率,放電時為正,充電時為負(fù)。
文中采用蓄電池和超級電容器構(gòu)成混合儲能系統(tǒng),其中蓄電池用于平抑能量高的低頻波動,超級電容器用于平抑能量低的高頻波動。當(dāng)風(fēng)、光合成輸出功率大于由滑動平均法[17]得到的并網(wǎng)參考功率時,HESS充電;當(dāng)風(fēng)、光合成輸出功率小于由滑動平均法得到的并網(wǎng)參考功率時,HESS放電。蓄電池和超級電容器的荷電狀態(tài)與充放電功率的關(guān)系可表示為:
(1)
(2)
(3)
(4)
式中Δt為采樣時間間隔;SOCB(t)、SOCC(t)、SOCB(t+Δt)、SOCC(t+Δt)分別為蓄電池和超級電容器在t時刻和t+Δt時刻時的荷電狀態(tài);EB、EC分別為蓄電池和超級電容器的額定容量;ηBc、ηCc、ηBd、ηCd分別為蓄電池和超級電容器的充電、放電效率。
由于可再生能源發(fā)電受天氣、季節(jié)等因素變化的影響,通常風(fēng)、光合成輸出功率波動較大,無法滿足并網(wǎng)要求。依據(jù)文獻(xiàn)[17]所述方法,選定長度為N的滑動時間窗口,對風(fēng)、光合成輸出功率進(jìn)行滑動平均濾波,得到t時刻風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)參考功率Pout(t)。
取風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)參考功率Pout(t)與風(fēng)、光合成輸出功率PG(t)之差作為HESS參考功率:
PG(t)=PPV(t)+PWG(t)
(5)
PHESS(t)=Pout(t)-PG(t)=PB0(t)+PC0(t)(6)
式中PB0(t)、PC0(t)分別表示蓄電池參考功率和超級電容器參考功率。
VMD分解過程不易受噪聲影響,預(yù)設(shè)合適的分解模態(tài)數(shù)k時,可有效緩解模態(tài)混疊現(xiàn)象,比傳統(tǒng)的EMD分解更具優(yōu)勢[18-20]。對HESS參考功率進(jìn)行VMD分解,得到k個中心頻率分別為ωk的固有模態(tài)分量uk(t):
(7)
對每個固有模態(tài)分量進(jìn)行Hilbert變換,得到相應(yīng)的k條瞬時頻率-時間曲線fk(t)。由于蓄電池負(fù)責(zé)平抑低頻波動,超級電容器負(fù)責(zé)平抑高頻波動,應(yīng)尋找合適的分頻頻率fm,使得與fm緊鄰的曲線fi(t)和fi+1(t)模態(tài)混疊最少,實現(xiàn)HESS內(nèi)部功率合理分配。
曲線fi+1(t)的頻率低于fm時,對應(yīng)的時間為tl(l=1,…,j),對應(yīng)的功率為ul(tl);曲線fi(t)的頻率高于fm時,對應(yīng)的時間為th(h=1,…,k),對應(yīng)的功率為uh(th)。定義模態(tài)混疊部分對應(yīng)的功率的絕對值與對應(yīng)時間的乘積為模態(tài)混疊能量,表達(dá)式如下:
(8)
記fi+1(t)的最大值為fmax,fi(t)的最小值為fmin。從fmin開始取值,以fmax為終點,每次增加0.000 1 Hz,作為臨時分頻頻率,計算對應(yīng)的模態(tài)混疊能量。模態(tài)混疊能量最小時對應(yīng)的頻率即為高頻和低頻的分界頻率fm。
則蓄電池和超級電容器的充放電功率可表示為:
(9)
(10)
考慮儲能系統(tǒng)的容量和功率約束,制定如圖2所示的HESS控制策略。
圖2 HESS控制策略
則蓄電池和超級電容器在t時刻的實際充放電功率PB(t)和PC(t)分別為:
(11)
(12)
(13)
(14)
式中PB,e和PC,e分別為蓄電池額定功率和超級電容器額定功率;EB,max、EC,max、EB,min、EC,min分別為蓄電池和超級電容器剩余電量的上下限,且滿足:
(15)
式中SOCB,max、SOCC,max、SOCB,min、SOCC,min分別為蓄電池和超級電容器允許的荷電狀態(tài)上下限。
此時,風(fēng)光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的實際輸出功率為:
Pout,r(t)=PG(t)+PB(t)+PC(t)
(16)
由式(16)可知,HESS對風(fēng)、光功率的平滑效果不僅與配置的蓄電池和超級電容器的功率、容量有關(guān),也與風(fēng)、光合成輸出功率有關(guān)。因此,定義以下8項指標(biāo)表征每日風(fēng)、光合成輸出功率的波動特性。其中采樣時間間隔Δt為5 min,即一天內(nèi)共采集289次風(fēng)、光合成輸出功率。
一日內(nèi)功率波動特性指標(biāo)如下:
(17)
式中ˉPG為風(fēng)、光合成輸出功率平均值;PG,max和PG,min分別為風(fēng)、光合成輸出功率的最大值和最小值;σ為風(fēng)、光合成輸出功率標(biāo)準(zhǔn)差;ΔPG,10min,max和ΔPG,60min,max分別為10 min內(nèi)和60 min最大功率變化的最大值;ΔPG,10min和ΔPG,60min分別為10 min內(nèi)和60 min功率變化值的平均值。
針對某一日的風(fēng)、光合成輸出功率,在不同的儲能系統(tǒng)參數(shù)組合下,采用2.3所述HESS控制策略進(jìn)行仿真,得到的風(fēng)、光功率平滑效果有所不同。定義短期功率平滑度指標(biāo)rLOS10和rLOS60,分別反映一天中10 min和60 min內(nèi)有功功率波動不滿足要求的比例。因此rLOS10和rLOS60越小,說明配置的HESS對風(fēng)、光功率波動的平滑效果越好。短期功率平滑度指標(biāo)如下所示:
(18)
(19)
且:
(20)
(21)
式中ΔP10(i)和ΔP60(i)分別為第i個10 min和60 min時段內(nèi)風(fēng)光儲系統(tǒng)輸出有功功率的最大變化量;ΔP10max和ΔP60max分別為10 min和60 min內(nèi)有功功率最大變化量的限定值。
構(gòu)造如圖3中實線框內(nèi)所示短期HESS容量配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。訓(xùn)練該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),擬合儲能參數(shù)、波動特性與平滑度指標(biāo)間的對應(yīng)關(guān)系。從而可以直接通過輸入儲能系統(tǒng)參數(shù)、功率波動特性指標(biāo),得到對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)rLOS10和rLOS60,避開復(fù)雜的仿真過程,提高計算效率。
為了研究不同儲能參數(shù)在一段較長的時間(n天)內(nèi)與平抑風(fēng)、光輸出功率波動的效果的關(guān)系,構(gòu)造如圖3所示的長期HESS容量配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,其中包含n個擬合了當(dāng)日儲能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與短期功率平滑度指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系的短期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及n天風(fēng)、光輸出功率的功率波動特性指標(biāo)。
定義長期功率平滑度指標(biāo)E:
(22)
其中:
(23)
rLOS(i)=[rLOS10(i)+rLOS60(i)]/2
(24)
式中R為風(fēng)光儲系統(tǒng)輸出有功功率的短期平滑度指標(biāo)的限定標(biāo)準(zhǔn)。
圖3 長期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
儲能系統(tǒng)參數(shù)輸入后,與n組功率波動特性共同帶入短期HESS容量配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到n天短期功率波動評價指標(biāo)rLOS10和rLOS60,按照式(22)~式(24)可計算出對應(yīng)的指標(biāo)E。以儲能系統(tǒng)參數(shù)為輸入,長期功率平滑度指標(biāo)E為輸出,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí),得到長期HESS容量配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。
文中兼顧HESS對風(fēng)、光合成輸出功率波動的平抑效果與經(jīng)濟性,制定以下目標(biāo)函數(shù):
minF=f1+f2
(25)
其中:
(26)
(27)
Gmax=max(K1PB,e+K2PC,e+K3EB+K4EC)(28)
式中E為長期功率平滑度指標(biāo),可由選定儲能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)輸入訓(xùn)練好的長期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到;Y為指標(biāo)E的限定值;U為任意的大值,且U?Gmax,當(dāng)指標(biāo)E不滿足限定要求即E>Y時,取f1=U可以保證將平抑效果較差的HESS配置方案淘汰;K1、K2、K3、K4分別為蓄電池和超級電容器功率的單位功率成本和單位容量成本;Gmax為HESS投資成本最大值。
優(yōu)化配置模型的約束條件包括:HESS的荷電狀態(tài)約束,即式(1)~式(4);HESS的充放電功率約束,即式(11)~式(14);HESS安裝容量約束,即式(29)、式(30);HESS額定功率約束,即式(31)、式(32)。
0≤EB≤EB1
(29)
0≤EC≤EC1
(30)
0≤PB,e≤PB,e1
(31)
0≤PC,e≤PC,e1
(32)
式中EB1、EC1分別為蓄電池和超級電容器的配置的容量上限值;PB,e1、PC,e1分別為蓄電池和超級電容器的配置的額定功率上限值。
考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)PB,e、PC,e、EB、EC、N在約束條件規(guī)定的范圍內(nèi)任意取值會有無窮多種組合,從而對應(yīng)著無窮多個長期功率平滑度指標(biāo)E的預(yù)測結(jié)果和成本,從中選取最小值耗時巨大且繁瑣。因此,把包含訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果的式(25)作為個體適應(yīng)度,采用遺傳算法求解HESS最優(yōu)容量配置,算法具體原理可參考文獻(xiàn)[21],文中所提的風(fēng)光儲系統(tǒng)容量優(yōu)化配置整體流程可歸納如下:
Step.1初始數(shù)據(jù)輸入,包括風(fēng)光出力數(shù)據(jù)、混合儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、長短期功率平滑度指標(biāo)限值等;
Step.2采用滑動平均法確定HESS參考功率,利用VMD和希爾伯特變換確定分解頻率,根據(jù)分界頻率和儲能系統(tǒng)約束條件制定HESS控制策略;
Step.3仿真計算不同儲能參數(shù)組合時的功率平滑度指標(biāo),并作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,擬合出儲能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)與風(fēng)光儲系統(tǒng)輸出功率平滑度指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系;
Step.4以平滑效果最優(yōu)和HESS投資成本最低為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)建HESS容量配置模型。結(jié)合遺傳算法進(jìn)行模型求解,得到HESS最優(yōu)容量配置。
以某8.4 MW光伏電站和某18 MW風(fēng)電場2018年全年輸出有功功率數(shù)據(jù)為例進(jìn)行算例仿真。風(fēng)、光合成輸出功率曲線如圖4所示,采樣間隔為5 min,混合儲能系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。
圖4 風(fēng)光合成輸出功率
表1 HESS參數(shù)
分別取ΔP10max和ΔP60max為0.7 MW和2 MW;EB1、EC1分別為15 MW·h和5 MW·h;PB,e1、PC,e1分別為2.5 MW和5 MW,且經(jīng)過計算可知使風(fēng)、光合成輸出功率平滑度指標(biāo)完全滿足限定要求時的最長滑動時間窗長度為34。因此,對各儲能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)在上述選定范圍內(nèi)分別按照不同步長進(jìn)行選擇,算例中取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練集內(nèi)EB/MW·h=1、3、5、10、15;PB,e/MW=0.5、1、1.5、2、2.5;EC/MW·h=0.5、1、1.5、3、5;PC,e/MW=1、2、3、4、5;N=22、28、34即共1 875組不同的儲能系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù),采用圖2所示HESS控制策略,對每月5、10、25日共36天進(jìn)行仿真,從而獲得36×1875即67 500組輸入輸出數(shù)據(jù)。訓(xùn)練短期HESS容量配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,經(jīng)過214步訓(xùn)練后收斂。采用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗,部分測試結(jié)果及誤差如表2所示。其中,如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差無法收斂或測試誤差較大,則縮小步長再次選擇訓(xùn)練集內(nèi)數(shù)據(jù),重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
表2 部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果及誤差
將1 875組不同的儲能參數(shù)與每日風(fēng)光輸出功率波動特性組合,輸入訓(xùn)練好的短期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,得到全年365組rLOS10和rLOS60,代入式(22)~式(24),計算不同儲能參數(shù)組合下對應(yīng)的長期功率平滑度指標(biāo)E,其中取R為0.1。將上述1 875組對應(yīng)數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù),訓(xùn)練長期HESS容量配置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。經(jīng)過1 079步訓(xùn)練后,訓(xùn)練誤差小于0.000 1。
取Y為0.03,U為5 000,采用遺傳算法求解。尋得既保證HESS對風(fēng)光合成輸出功率的平抑效果又盡可能降低HESS投資成本的HESS最優(yōu)容量配置方案如表3所示,即選取滑動時間窗長度為29,蓄電池容量和功率分別為5.456 MW·h和1.432 MW,超級電容器容量和功率分別為0.336 MW·h和1.034 MW時,目標(biāo)函數(shù)值最小,此時長期功率波動評價指標(biāo)E為0.011,HESS投資成本為1 798.124萬元。
表3 HESS容量配置結(jié)果
按照上述方法,采用EMD分解對HESS進(jìn)行容量配置優(yōu)化,與基于VMD的HESS容量配置結(jié)果進(jìn)行對比。由表3可知,采用VMD分解對HESS進(jìn)行功率分配時,配置的超級電容器容量和蓄電池容量和功率相比采用EMD分解時均有所降低。由于超級電容器單位容量成本較高,減少其容量可以有效降低HESS投資成本,如表3所示,采用VMD分解時,投資成本相比采用EMD分解時下降了23.39%。這都是因為VMD分解避免了EMD分解造成的模態(tài)混疊問題,從而更合理地配置HESS容量,減少了投資成本。此外,比較基于這兩種方法優(yōu)化HESS容量配置后得到的指標(biāo)E的大小,可知VMD分解相比EMD分解,可以獲得更好的波動平抑效果。
以3月11日為例,比較采用VMD和EMD兩種不同方法對HESS進(jìn)行功率分配后,對風(fēng)光合成輸出功率的平滑效果,平滑結(jié)果如圖5所示。
圖5 平抑前后風(fēng)光合成輸出功率曲線
由圖5可以看出分別采用兩種方法時,風(fēng)、光合成輸出功率波動均得到有效抑制,且由于滑動時間窗長度均為29,兩種方法的平抑效果相差不大,但采用基于EMD分解的平抑方法得到的平抑后風(fēng)光合成輸出功率曲線有幾處波動更明顯,說明采用EMD分解方法的平抑效果略差于采用VMD分解的方法。為了進(jìn)一步比較VMD分解和EMD分解對于HESS容量配置結(jié)果影響,繪制HESS中兩類儲能裝置的充放電功率曲線如圖6所示。
圖6 HESS輸出功率曲線
由圖6可知,EMD分解和VMD分解均將HESS參考功率分解為高頻、低頻兩部分,其中超級電容器承擔(dān)高頻分量,蓄電池承擔(dān)低頻分量。比較兩種方法下HESS中兩類儲能裝置的輸出功率曲線,采用基于VMD分解的HESS控制策略時,超級電容器的輸出功率小于采用基于EMD分解的HESS控制策略時的超級電容器的輸出功率,有利于減少超級電容配置的容量,降低系統(tǒng)投資成本。
EMD分解存在模態(tài)混疊問題,會使配置的超級電容器容量增加,蓄電池充放電次數(shù)變多、壽命降低,而VMD分解解決了EMD分解時的模態(tài)混疊問題,更好地分解了風(fēng)、光輸出功率中的波動分量,使HESS控制策略充分利用蓄電池和超級電容器的互補特性,達(dá)到提高平抑效果,降低投資成本的目標(biāo)。
文中提出一種針對風(fēng)光儲系統(tǒng)輸出功率波動平抑的HESS容量優(yōu)化配置方法。采用滑動平均法和VMD分解,并結(jié)合儲能的荷電狀態(tài)等約束,制定HESS充放電策略。定義相應(yīng)指標(biāo)描述風(fēng)、光合成輸出功率的波動特性及HESS對風(fēng)、光功率波動的平滑效果。訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,擬合HESS參數(shù)與平滑效果之間的關(guān)系。最后,為提高計算效率,采用遺傳算法求解HESS最優(yōu)容量配置。仿真分析表明,文中提出的HESS容量配置方法不僅可以給出適用于長時間范圍內(nèi)的HESS容量配置方案,而且可以避免模態(tài)混疊問題,在明顯降低風(fēng)光儲系統(tǒng)輸出功率波動的同時,減少HESS的容量配置,降低HESS投資成本,保證了經(jīng)濟性。