風(fēng)光互補(bǔ)混合儲能系統(tǒng)的微電網(wǎng)優(yōu)化及電能質(zhì)量提升

摘要：隨著可再生能源的快速發(fā)展，靈活、*效和經(jīng)濟(jì)的能源存儲系統(tǒng)在維持電網(wǎng)功率平衡方面變得至關(guān)重要。本文通過變分模態(tài)分解方法，建立了一個新能源混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化微網(wǎng)模型，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)中儲能容量的*優(yōu)配置，從而提升供電質(zhì)量。該方法基于頻域和時域之間的能量映射關(guān)系，采用交替方向乘子法迭代求解，以*小化本征模函數(shù)的帶寬和。通過Hilbert變換和模態(tài)混疊能量計算，確定最佳分解模態(tài)數(shù)。在信號重構(gòu)后，根據(jù)超電容和電池的特性選擇高頻和低頻分界點(diǎn)，并計算相應(yīng)的充放電功率及額定容量。最后的案例研究結(jié)果表明，所提出的方法在經(jīng)濟(jì)性和可行性上優(yōu)于現(xiàn)有的能源存儲配置方法，不僅提高了電池的使用壽命，還可以降低年綜合成本。

關(guān)鍵詞：混合儲能系統(tǒng)；微網(wǎng)優(yōu)化；電能質(zhì)量；變分模態(tài)分解；交替方向乘子法

0.引言

隨著社會用電需求的增加，尋找和利用可再生能源成為一個全球性的問題。風(fēng)能和光能無疑是具有代表性的兩種可再生能源，然而這兩種能源都是天然不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，其在使用過程中不可避免地存在功率波動的問題。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)往往在面對這種功率不穩(wěn)定時，可能會產(chǎn)生電網(wǎng)電壓、頻率波動等問題，進(jìn)而影響供電質(zhì)量。因此，如何解決風(fēng)光互補(bǔ)的可再生能源系統(tǒng)中的功率平衡問題就顯得至關(guān)重要。

在此背景下，引申出了混合儲能系統(tǒng)的應(yīng)用。混合儲能系統(tǒng)是一種綜合利用多種儲能技術(shù)，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度和控制，以實(shí)現(xiàn)電能儲存和釋放的*效能源管理系統(tǒng)。在風(fēng)光互補(bǔ)的孤島直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，混合儲能系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各個組件的優(yōu)勢，平滑處理可再生能源發(fā)電與負(fù)載需求之間的功率不平衡。

回顧現(xiàn)有的研究，可以發(fā)現(xiàn)，雖有許多針對微網(wǎng)的優(yōu)化研究來提升電能質(zhì)量，但大部分都是以單一種類的能源為主，例如文獻(xiàn)研究了風(fēng)能和太陽能的并網(wǎng)電能質(zhì)量提升。對于風(fēng)光互補(bǔ)混合儲能系統(tǒng)，文獻(xiàn)研究了儲能系統(tǒng)的電能質(zhì)量提升，但是這些方法存在噪聲過大、參數(shù)選擇不合理等問題。針對上述問題，本文引入變分模態(tài)分解和交替方向乘子法兩種新方法處理微網(wǎng)優(yōu)化和電能質(zhì)量提升問題。

文獻(xiàn)提到的交替方向乘子法（AlternatingDirectionMethodofMultipliers,ADMM）也是一種有效的工具，尤其在處理復(fù)雜優(yōu)化問題時具有顯著優(yōu)勢。文獻(xiàn)在本文中，將利用交替方向乘子法求解基于混合儲能系統(tǒng)年綜合成本的優(yōu)化配置模型。

本文提出了一種基于風(fēng)光互補(bǔ)混合儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)優(yōu)化及電能質(zhì)量提升研究方法。這種方法主要是通過變分模態(tài)分解，建立了一種新的儲能混合系統(tǒng)模型。這種模型不僅可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)配電網(wǎng)中儲能容量的*優(yōu)配置，而且還能提升供電質(zhì)量。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)有兩方面。首先，它能有效地解決了風(fēng)能和光能等可再生能源的不穩(wěn)定問題，從而提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率。其次，引入交替方向乘子法作為優(yōu)化算法，能有效地處理模型的復(fù)雜性，并求得*優(yōu)解。

本文的第二章對新能源微電網(wǎng)中的不平衡功率建模，第三章使用變分模態(tài)分解方法進(jìn)行容量配置，第四章建立了混合能量存儲系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型，第五章通過實(shí)際案例研究驗(yàn)證本文提出方法的有效性，第六章總結(jié)本文研究內(nèi)容并得出結(jié)論。

1.微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)（Microgrid）是一種具有一定規(guī)模的、具備一定能源自主供應(yīng)能力的，在正常情況下可以并網(wǎng)運(yùn)行，在特殊情況下可以孤島運(yùn)行的電力系統(tǒng)。一個微電網(wǎng)系統(tǒng)通常由分布式發(fā)電設(shè)備、負(fù)載、儲能設(shè)備和控制系統(tǒng)等組成。風(fēng)光互補(bǔ)的孤島直流微電網(wǎng)是一種小規(guī)模的發(fā)電和配電系統(tǒng)，由分布式能源系統(tǒng)、負(fù)載、混合能源儲存系統(tǒng)、電力配送設(shè)備、控制器等組成。這種微電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行、調(diào)節(jié)和控制。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微電網(wǎng)系統(tǒng)中的每個單元都通過一個轉(zhuǎn)換器直接連接到電源總線。為了確保電力平衡和提高電力質(zhì)量，這個過程由中央控制器控制。混合儲能系統(tǒng)的功率信號PHESS(t)以微電網(wǎng)中發(fā)電設(shè)備和負(fù)載的不平衡功率Ptun(t)為參考，不平衡Ptun(t)的計算如（1）所示：

其中，P1(t)為負(fù)載功率，Pw(t)為風(fēng)力發(fā)電的輸出功率,Pv(t)為光伏發(fā)電的輸出功率。

.       容量配置的變分模態(tài)分解

變分模態(tài)分解(MariationalModeDecomposition,VMD)的基本原理是通過變分約束自適應(yīng)地將原始信號分解為帶寬受限的本征模函數(shù)(IntrinsicModeFunction,IMF)091。本文使用交替方向乘子法(AlternatingDirectionMultiplierMethodADMM)迭代地搜索變分模型的*優(yōu)解，目的是*小化所有IMF分量帶寬之和，從而允許通過堆疊重構(gòu)原始信號。

.       變分模態(tài)分解的數(shù)學(xué)建模

在本文中，混合儲能系統(tǒng)的功率被看作原始信號，構(gòu)建帶約束的變分模型如下:

其中{}={…,“.,….“}是通過對原始信號進(jìn)行分解而獲得的本征模函數(shù)。={@,@,…,@}是每個本征模函數(shù)的相應(yīng)中心頻率。à是關(guān)于時間t的偏導(dǎo)數(shù)。5(1)是沖激函數(shù)。然后引入二次懲罰項(xiàng)a將方程(2)轉(zhuǎn)化為無約束問題，如公式(3)所示。

使用交替方向乘子法(AltematingDirectionMethodofMultipliers,ADMM)選代更新“"、以"和入"，然后利用傅里葉變換獲得獲得更新后的模函數(shù)及其相應(yīng)的中心頻率。

其中(w)。i(w)和(w)分別是Phess(t)、ui(t)和λ(t)的傅里葉變換。上述迭代過程在滿足公式（6）的條件時停止。

3.1混合儲能系統(tǒng)的額定功率和額定容量

將微電網(wǎng)中的不平衡功率使用VMD分解為K個imf分量后,選擇合適的高低頻分界點(diǎn)，利用混合儲能系統(tǒng)對imyf分量進(jìn)行平滑。重構(gòu)的信號被分為兩部分:前N階imn分量的和作為高頻部分,大于N階的iny的和作為低頻部分。根據(jù)*級電容適用于平渭高頻波動、電池適用于平滑低頻波動的特性，可得公式(17)所示:

配置的能量存儲組件的額定功率應(yīng)能夠平滑電源和負(fù)載之間的最大功率不平衡?？紤]到能量存儲組件的充放電效率，可以得到*級電容和電池的額定功率。

其中1..和1。分別是*級電容的充電和放電效率。1.和1.分別是電池的充電和放電效率。t時刻*級電容的SOC為:

其中SOC是電容初始SOC值。Δt是充放電指令時間間隔。E-是*級電容的額定容量。P.()是考慮充電和放電效率的*級電容功率參考值，如公式(21)所示:

考慮到SOC的約束條件，得到：

以得到如公式（23）所示的電容容量：

同理，可以獲得電池EBN的額定容量。

3.2混合儲能系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型

本文全面考慮了初始投資成本、運(yùn)營維護(hù)成本和更換成本。然后，以優(yōu)化變量和目標(biāo)函數(shù)，建立了混合能量存儲系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型。該模型的流程圖如圖4所示。

.       目標(biāo)函數(shù)

混合儲能系統(tǒng)的年度綜合成本:

混合儲能系統(tǒng)的初始投資成本如公式：

其中c和c分別為電池單位功率和單位容量的投資成本。c和c分別為電容的功率和容量的投資成本。"為資本恢復(fù)系數(shù)如公式(26)所示:

其中，為折現(xiàn)率。為混合儲能系統(tǒng)的額定服務(wù)壽命。

.       案例研究

為了驗(yàn)證本文提出的模型的可行性和成本效益，以中國某地區(qū)一個典型微電網(wǎng)一天的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采樣間隔為5分鐘，采樣時間為24小時，采樣點(diǎn)數(shù)為288個。微電網(wǎng)的風(fēng)電功率、光伏功率和負(fù)載功率數(shù)據(jù)如圖5所示。

根據(jù)公式（1）計算每個采樣點(diǎn)的不平衡功率，即該時刻風(fēng)電和光伏發(fā)電之間的功率差值，計算結(jié)果如圖6所示。

4.1分解模態(tài)數(shù)量

K是根據(jù)*小總模態(tài)混疊能量的原則確定的，當(dāng)K=7時，模態(tài)混疊能量達(dá)到*小。因此，我們選定K=7作為基準(zhǔn)值，對不同分解模態(tài)數(shù)量下的總模態(tài)混疊能量執(zhí)行了歸一化處理。圖7展示了當(dāng)分解模態(tài)數(shù)量由2遞增至35時，歸一化模態(tài)混疊總能量的變化趨勢。

當(dāng)K的范圍從2到6時，表示一種欠分解狀態(tài)，各個imf之間存在相互重疊。隨著K的增加，分解出的imf數(shù)量增加，各模態(tài)之間的分離更加明顯。模態(tài)重疊的總能量通常會減小。當(dāng)K為7時，imf之間明確分離，模態(tài)重疊的總能量達(dá)到*小。隨著K繼續(xù)增加，這表示過度分解狀態(tài)，會產(chǎn)生虛假分量。模態(tài)重疊能量呈現(xiàn)不規(guī)則的波動。因此，選擇K=7作為*優(yōu)分解模態(tài)數(shù)。

4.2頻率分界點(diǎn)

混合儲能系統(tǒng)依據(jù)微電網(wǎng)中的功率不平衡狀況作為調(diào)控基準(zhǔn)，其中，電池組件專門應(yīng)對低頻功率波動，而*級電容則擅長處理高頻功率波動。若在設(shè)置高頻與低頻分界點(diǎn)時不夠*準(zhǔn)，將直接影響電池與*級電容的充放電調(diào)度策略，進(jìn)而干擾整體配置的優(yōu)化效果。為實(shí)現(xiàn)綜合成本的*小化，我們將分界點(diǎn)設(shè)為優(yōu)化參數(shù)，通過模擬不同分界點(diǎn)

下的成本變化，繪制出相應(yīng)的成本曲線。利用公式（24）結(jié)合表1中的參數(shù)進(jìn)行計算分析，結(jié)果顯示，在N=4的設(shè)定下，系統(tǒng)年綜合成本達(dá)到低點(diǎn)。

具體而言，若分界點(diǎn)設(shè)定得過于偏小，電池的充放電指令中將摻雜過多高頻成分，這不僅提升了電池的初期投資成本，還可能縮短其使用壽命。相反，若分界點(diǎn)設(shè)置得過大，*級電容則需承擔(dān)過多低頻波動，同樣會增加其初始投資成本。

進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)N值小于4時，電池需應(yīng)對更多高頻波動，導(dǎo)致所需額定功率和容量較高。隨著N值的遞增，高頻波動得到有效轉(zhuǎn)移至*級電容進(jìn)行平抑，從而使得電池的容量需求逐漸下降。然而，當(dāng)N值超過4后，*級電容開始承擔(dān)更多低頻波動，迫使其額定功率和容量需求上升。綜合考慮，選擇N=4作為*優(yōu)配置點(diǎn)，具體優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

4.3優(yōu)化結(jié)果分析

.       成本分析

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EmpiricalModeDecomposition,EMD）是一種自我適應(yīng)的非線性，非平穩(wěn)時間序列分析方法，它通過局部極值點(diǎn)找出信號內(nèi)在振蕩模式，適合處理復(fù)雜動態(tài)行內(nèi)和非線性分布。變分模態(tài)分解(VMD)是一個耗時較少的信號處理方法可以從觀測數(shù)據(jù)中識別并分離出固定譜寬的固有模式函數(shù)，并能避免EMD中模態(tài)混疊的問題。

本文旨在探討VMD相較于EMD在混合能源儲存系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢，為此，本文深入分析了四種不同的配置方案

方案1:采用單一*級電容作為能源儲存系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于高功率密度但成本高昂

方案I:選用單一電池作為能源儲存系統(tǒng)，電池容量雖大，但成本效益與*級電容相比有所不同。

方案Ш:基于EMD技術(shù)的混合能源儲存系統(tǒng)，旨在結(jié)合多種儲能介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，但受限于EMD的模態(tài)混疊問題。

方案IV:基于VMD技術(shù)的混合能源儲存系統(tǒng)，通過VMD有效解決了模態(tài)混疊和相似頻率模態(tài)難以分離的問題，實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)化的儲能配置。

根據(jù)前文公式計算得出的配置結(jié)果，方案Ⅱ中的電池容量顯著高于方案I中的*級電容容量，然而，*級電容的單位容量初始投資成本遠(yuǎn)高于電池，使得方案I在經(jīng)濟(jì)性上處于劣勢。進(jìn)一步對比方案Ш與方案IV,基于VMD的混合能源儲存系統(tǒng)(方案IV)在配置結(jié)果上顯著優(yōu)于基于EMD的系統(tǒng)(方案II)，這主要?dú)w功于VMD在信號處理上的優(yōu)勢，有效降低了系統(tǒng)的額定容量和額定功率，進(jìn)而減少了年度綜合成本。具體而言，VMD相較于EMD在成本上實(shí)現(xiàn)了15.9%的降低。

綜上所述，混合能源儲存系統(tǒng)相較于單一能源儲存系統(tǒng)展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，而VMD技術(shù)則以其優(yōu)勢超越了EMD不僅在經(jīng)濟(jì)性上有所提升，還通過減少不必要的充放電循環(huán)延長了電池的使用壽命。因此，方案IV--基于VMD的混合能源儲存系統(tǒng)，被推薦為風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)能源儲存配置的*優(yōu)方案。

電池和SOC是其安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。通過分別比較EMD和VMD的SOC，可以證明所提出模型的可行性。兩種算法的SOCbat(t)趨勢基本一致且相對平坦。電池作為一種能量型儲能組件，電池主要用于平滑低頻波動。SOCsc(t)趨勢明顯。*級電容作為一種功率型儲能組件，*級電容主要用平滑高頻波動。基于EMD的SOCsc(t)比基于VMD的更平坦。這是由于EMD的模態(tài)混疊，導(dǎo)致低頻imf與高頻imf混合，使得*級電容可能持續(xù)充電和放電。此外，使用EMD時SOCsc(t)會跨越SOC限制，而VMD可以有效避免此問題。

5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

5.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務(wù)器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1實(shí)時監(jiān)測

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

5.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實(shí)現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實(shí)時監(jiān)測空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測。

5.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

4.5.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.3.5實(shí)時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個設(shè)備下面的紅色按鈕對PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.3.8用戶權(quán)限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。

6.相關(guān)平臺部署硬件選型清單

7.結(jié)束語

本文對微電網(wǎng)中的混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行了深入探討。首先，基于微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，對各個組件的功率流動進(jìn)行了精確建模，并闡述了混合儲能系統(tǒng)在平衡源荷功率方面的重要作用。為此，本文引入了一種基于變分模態(tài)分解(VMD)的方法，該方法能夠?qū)⒃春晒β什黄胶夥纸鉃椴煌l率的本征模態(tài)函數(shù)。通過以源荷功率不平衡的高頻和低頻分界點(diǎn)為優(yōu)化變量，并以混合儲能系統(tǒng)的年度總成本*小化為優(yōu)化目標(biāo)，建立了混合儲能系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型。這一模型使得電池主要應(yīng)對低頻波動，而*級電容則應(yīng)對高頻波動，從而合理地分配了電池和*級電容的負(fù)荷，降低了各個組件的額定容量和額定功率。

案例研究表明，本文所提出的方法能夠準(zhǔn)確確定*優(yōu)的分解模態(tài)數(shù)量，并在此基礎(chǔ)上找到混合儲能系統(tǒng)的最佳頻率分界點(diǎn)。與其他方法相比，基于VMD的混合儲能系統(tǒng)*面考慮了系統(tǒng)的初步投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本和更換成本，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)年度總成本的*小化。這不僅降低了系統(tǒng)的年度綜合成本還有效延長了電池的使用壽命。具體來說混合儲能系統(tǒng)中電池的使用壽命比單一儲能電池高出124%，而混合儲能系統(tǒng)的年綜合成本則比單一儲能*級電容低31%，比單儲能電池低22%。此外，該方法還能有效平滑源荷功率不平衡的低頻波動，解決經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)存在的模態(tài)混疊和狀態(tài)of-charge(soc)限制越界問題，從而顯著提升電能質(zhì)量。

本文為風(fēng)光互補(bǔ)孤島直流微電網(wǎng)提供了一種創(chuàng)新的儲能配置思路。所提出的模型和方法不僅取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還克服了以往配置方法的局限性，有望進(jìn)一步推動混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)優(yōu)化和電能質(zhì)量提升中的應(yīng)用。研究的不足之處和下一步工作是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況對模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使其在微網(wǎng)的優(yōu)化和運(yùn)行中取得更好的效果。

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