段俊東， 付子恒， 張普勝， 張永輝

(1.河南理工大學(xué) 電氣學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司焦作供電公司，河南 焦作 454000)

0 引言

2019年的“兩會(huì)”期間，國(guó)家電網(wǎng)公司提出了關(guān)于建設(shè)“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的報(bào)告?！胺涸陔娏ξ锫?lián)網(wǎng)”以能源互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)為主體，旨在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)朝著智慧能源的方向發(fā)展[1]。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，DG是必不可少的。然而隨著分布式電源DG在電源結(jié)構(gòu)中的比例日漸提高，DG發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和調(diào)度帶來(lái)了不穩(wěn)定性和困難，甚至某些地方因此出現(xiàn)了大規(guī)模的“棄風(fēng)”、“棄光”現(xiàn)象[2]。儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS的可充、放電特點(diǎn)，可在一定程度上緩解因DG并網(wǎng)帶來(lái)的功率波動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)能起到 “削峰填谷”的作用[3]。

由于技術(shù)、材料等限制，儲(chǔ)能系統(tǒng)ESS的投資成本與其容量大小有關(guān)，且十分高昂，所以如何盡可能地用較小的容量使其在電力系統(tǒng)中發(fā)揮較大的作用成為了研究的熱點(diǎn)。關(guān)于電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化的研究已經(jīng)取得了不少的成果[4-5]。文獻(xiàn)[6]針對(duì)大量DG及電動(dòng)汽車(chē)接入電網(wǎng)產(chǎn)生的問(wèn)題，結(jié)合儲(chǔ)能容量、日負(fù)荷曲線(xiàn)等因素，提出了一種改進(jìn)區(qū)間控制的儲(chǔ)能出力模型，并進(jìn)一步利用點(diǎn)估計(jì)概率潮流算法分析DG、電動(dòng)車(chē)及ESS接入對(duì)配網(wǎng)的影響，然后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)此方法具有改善配網(wǎng)電壓和降低系統(tǒng)功率的作用。文獻(xiàn)[7]利用抽水儲(chǔ)能的方式來(lái)平滑DG的功率波動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)“水光”互補(bǔ)，并通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)證明其可行性。文獻(xiàn)[8]拋棄傳統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用光熱電站儲(chǔ)熱發(fā)電來(lái)調(diào)峰，降低火電調(diào)峰的成本。但上述文獻(xiàn)僅利用ESS進(jìn)行“削峰填谷”，或只平滑DG的功率輸出。若將ESS應(yīng)用于含有DG的配網(wǎng)中，在對(duì)DG功率波動(dòng)進(jìn)行平滑的同時(shí)，也可起到“削峰填谷”的作用，降低“調(diào)峰”壓力。

基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD的方法，對(duì)所得樣本進(jìn)行篩選和分解，在有效降低含DG配網(wǎng)功率波動(dòng)率的前提下，根據(jù)分解結(jié)果構(gòu)成新的功率曲線(xiàn)作為目標(biāo)功率，再考慮ESS充放電效率及SOC(荷電狀態(tài))約束，給出了滿(mǎn)足經(jīng)ESS補(bǔ)償后的目標(biāo)功率所需的ESS最小容量方案。

1 樣本選取原則及EMD處理

1.1 樣本選取原則

平滑含DG配網(wǎng)功率波動(dòng)，需要大量的DG輸出功率和DG所在配網(wǎng)的負(fù)荷功率數(shù)據(jù)并進(jìn)行篩選。由于電網(wǎng)一般以天為單位運(yùn)行，故數(shù)據(jù)片段長(zhǎng)度可選為1 d(由于光伏發(fā)電具有間歇性，可選擇一天內(nèi)光伏出力的時(shí)間段為單位)。在選擇光伏數(shù)據(jù)時(shí)，要考慮到溫度和光照強(qiáng)度對(duì)出力的影響，溫度過(guò)高或陰雨天氣會(huì)造成光伏出力不足的情況，在選擇時(shí)要剔除這些數(shù)據(jù)，否則可能使計(jì)算得到的ESS容量過(guò)小或過(guò)大，從而無(wú)法起到平滑功率的作用或造成投資過(guò)大。風(fēng)電則需考慮到季風(fēng)的影響。算例選取了2018年全年的光伏發(fā)電功率輸出以及所在配網(wǎng)的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，按春、夏、秋、冬四季中光伏發(fā)電權(quán)重，分別隨機(jī)抽取30 d(春，夏，秋)和15 d(冬)的光伏發(fā)電及所在配網(wǎng)的負(fù)荷數(shù)據(jù)，去掉雨雪天等對(duì)光伏發(fā)電不利的極端天氣后，其余每天同一時(shí)刻數(shù)據(jù)相加求平均值作為樣本。現(xiàn)實(shí)中，需要根據(jù)樣本所在環(huán)境，增減取樣天數(shù)，以應(yīng)對(duì)DG發(fā)電的隨機(jī)性、季節(jié)性對(duì)ESS容量選取的影響。

1.2 樣本EMD的處理

設(shè)含DG配網(wǎng)功率隨時(shí)間變化的信號(hào)為P(t)，進(jìn)行EMD處理的步驟如下：

(1)識(shí)別出信號(hào)P(t)所有極值點(diǎn)，并分別擬合出P(t)的上、下包絡(luò)線(xiàn)Eup(t)、Elow(t),計(jì)算其均值為m1(t)。

(2)將P(t)減去m1(t)得到n1(t),將n1(t)視為新的P(t)，重復(fù)步驟(1)，經(jīng)過(guò)k次篩選，直到n1k(t)是基本IMF(本征模函數(shù))分量。

(3)令c1(t)為n1k(t)，則c1(t)為從P(t)中得到的第一個(gè)基本模式分量，殘部分量r1(t)為：

r1(t)=P(t)-c1(t)。

(1)

(4)若殘部分量rn(t)的極值點(diǎn)數(shù)仍多于2個(gè)，需重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)，則

rn(t)=rn-1(t)-cn(t)。

(2)

P(t)最終可表示為：

(3)

EMD方法可以認(rèn)為是對(duì)原始信號(hào)信息的分解、分配過(guò)程，如果從這個(gè)角度來(lái)理解EMD，它就是一種自適應(yīng)濾波方法。

2 ESS功率及容量的確定

2.1 ESS功率的確定

為確定ESS的補(bǔ)償效果，需要引入功率波動(dòng)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)一定時(shí)間段內(nèi)功率波動(dòng)率為Fb,其可由下式表示:

(4)

為保證ESS的連續(xù)運(yùn)行，應(yīng)確定合理的ESS功率輸出，并保證ESS有足夠大的充放電功率。ESS功率可以通過(guò)以下步驟獲得。

(1)確定含DG配網(wǎng)的功率PZS，并對(duì)其進(jìn)行EMD處理。假設(shè)PZS由DG的輸出功率及用電負(fù)荷構(gòu)成，分別由PDG和PTL表示。其間的關(guān)系可表示為：

PTL-PDG=PZS;

(5)

PTL,n-PDG,n=PZS,n,

(6)

式中：PTL,n、PDG,n、PZS,n分別為第n個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)PTL、PDG、PZS的輸出功率，n∈{1，2，…，Ns}，Ns為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(2)經(jīng)過(guò)EMD處理得到目標(biāo)功率PDR后，確定 ESS 所需最大充放電功率為其額定功率。ESS對(duì)外輸出功率可由PES表示，則

PES=PDR-PZS。

(7)

由式(5)～(7)得到的ESS充放電功率PES絕對(duì)值的最大值即為ESS額定功率，即

PES,N=max|PES,n|。

(8)

當(dāng)PES,n為正值代表ESS放電，為負(fù)值則代表充電；由于在沒(méi)有DG并網(wǎng)時(shí)負(fù)荷從電網(wǎng)吸收的功率全部由電網(wǎng)提供，所以PTL也是原日負(fù)荷功率。

(3)確定ESS的實(shí)際輸出功率。由于化學(xué)電池的特性，其在充放電過(guò)程中會(huì)有些許損耗，因此ESS在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生損耗。若用η表示ESS的綜合效率，則根據(jù)ESS的功率額定值，可確定ESS實(shí)際充放電功率，用PESO表示[9]為

(9)

式中：ηd與ηc分別為ESS的放電和充電效率；n為樣本采樣個(gè)數(shù)。設(shè)充電效率與放電效率相等，則

(10)

此外，為保證ESS運(yùn)行的可持續(xù)性，需盡量選擇滿(mǎn)足ESS運(yùn)行一個(gè)周期內(nèi)充放電量累積為0或近似等于0的樣本片段，即

(11)

根據(jù)公式E=PT，因時(shí)間相同，可知能量的平衡表現(xiàn)在功率的平衡上，可將儲(chǔ)能補(bǔ)償?shù)墓β手颠M(jìn)行縱坐標(biāo)上的平移。平移量ΔP可通過(guò)迭代求得，平移后曲線(xiàn)波動(dòng)率不變[5]。

2.2 ESS容量的確定

(1)由ESS實(shí)際輸出功率對(duì)樣本片段內(nèi)充放電量進(jìn)行累加，可得到ESS在時(shí)間點(diǎn)上相對(duì)于初始狀態(tài)的能量波動(dòng)[5]， 即

(12)

式中：PESO,n為ESS實(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)；Ts為采樣周期，s。Ts/3 600的意義在于將單位“s”換算為“h”。

(2)在獲取整個(gè)樣本片段內(nèi)的能量波動(dòng)后，計(jì)算其最大與最小值之差，考慮ESS荷電狀態(tài)的限制，可得到ESS的額定容量：

(13)

式中：Cup、Clow分別為ESS運(yùn)行中SOC上、下限約束；maxEES,m、minEES,m分別為在整個(gè)樣本周期內(nèi)ESS相對(duì)于初始狀態(tài)的最大和最小能量值；在理想情況下，Cup=1，Clow=0，考慮到實(shí)際運(yùn)行時(shí)為避免充電過(guò)量和放電過(guò)量而影響ESS的壽命，一般取Cup=1，Clow=0.3[10]。

2.3 SOC初始值確定及容量校驗(yàn)

SOC表示ESS剩余能量水平， 且0≤SOC≤1。當(dāng)SOC為1時(shí)，表明ESS完全充滿(mǎn)；當(dāng)SOC為0時(shí)則表明ESS放電完全。ESS的SOC過(guò)低會(huì)造成ESS中電極活性物質(zhì)損傷。其中，鉛酸蓄電池會(huì)造成“不可逆硫酸鹽化”，造成大量結(jié)晶鹽附著在電極上；較為昂貴的鋰電池則會(huì)造成正負(fù)電極的永久損傷。這些都會(huì)影響ESS使用壽命，造成充電困難，增加運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本，因此需要對(duì)SOC的范圍進(jìn)行約束，并控制其在此范圍內(nèi)運(yùn)行。由式(13)得到ESS容量后，需對(duì)SOC的運(yùn)行范圍進(jìn)行校驗(yàn)，判斷計(jì)算得出的容量是否滿(mǎn)足約束，計(jì)算式如下[11]：

(14)

式中：C0、Cm分別為SOC的初始值和第m個(gè)采樣時(shí)間段結(jié)束后SOC值。

若由式(13)所得ESS容量滿(mǎn)足需求，則SOC必運(yùn)行在以下約束范圍內(nèi)[12]：

(15)

式中：Cmax和Cmin分別為ESS運(yùn)行時(shí)的最大和最小SOC值，由式(15)得出ESS容量需滿(mǎn)足的條件為：

(16)

由式(13)、(15)、(16)可得ESS初始SOC狀態(tài)為：

(17)

由文獻(xiàn)[9]可知，在滿(mǎn)足SOC約束范圍的ESS額定容量確立之后，相對(duì)應(yīng)的唯一滿(mǎn)足運(yùn)行約束范圍的SOC初值也就確定了，這需要對(duì)ESS采用一定控制策略，并通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即可得到滿(mǎn)足[11-12]。

3 算例分析

樣本中DG數(shù)據(jù)為河南某地光伏電站采樣數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)間隔為5 min，電站最大輸出功率為1.8 MW，電壓為10 kV；配網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率為DG同網(wǎng)數(shù)據(jù)，電壓為10 kV,其功率在30 min內(nèi)最大波動(dòng)率為53.46%。ESS綜合效率η取88%，則ηd、ηc均為93.1%；ESS運(yùn)行過(guò)程中SOC的上限取1，下限取0.3[10]。

所需樣本數(shù)據(jù)主要通過(guò)歷史記錄獲得，并利用前述樣本選取方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算篩選。由于光伏發(fā)電具有間歇性，白天發(fā)電而夜間不發(fā)電，且夜間日負(fù)荷功率波動(dòng)較小，可關(guān)閉ESS提高其使用壽命，因此數(shù)據(jù)片段長(zhǎng)度為早上6:30至下午18:30，此時(shí)段同時(shí)為光伏出力時(shí)段。結(jié)果如圖1所示。

圖1 含DG功率樣本Figure 1 Power samples containing DG

將圖1功率數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行EMD處理，分解結(jié)果如圖2所示，得到4個(gè)IMF分量和一個(gè)余量R，根據(jù)分解結(jié)果重構(gòu)出3條功率曲線(xiàn)，如圖3所示。3條重構(gòu)功率曲線(xiàn)30 min內(nèi)最大波動(dòng)率以及所需的ESS容量的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖2 EMD結(jié)果Figure 2 Empirical mode decomposition results

圖3 重構(gòu)功率曲線(xiàn)Figure 3 Reconstruction power curves

表1 計(jì)算結(jié)果Table 1 Computed results

由圖3和表1可知：3條重構(gòu)曲線(xiàn)在30 min內(nèi)的最大波動(dòng)率分別為57.91%，35.69%和24.67%。曲線(xiàn)2和曲線(xiàn)3在30 min內(nèi)最大波動(dòng)率相對(duì)原樣本均有所減小。相對(duì)于曲線(xiàn)2來(lái)說(shuō)，曲線(xiàn)3對(duì)應(yīng)需要的ESS容量較大，這表明平滑功率所需的ESS投資也較大[13]，但平滑效果也最好。

以曲線(xiàn)3為目標(biāo)功率曲線(xiàn)，則為確保ESS在考慮充放電效率的情況下在所選時(shí)間片段內(nèi)充放電電量相等，可將PESO整體向上平移，迭代得ΔP=43.79 kW。根據(jù)式(9)～(11)對(duì)得到的理論ESS輸出功率進(jìn)行充放電效率與電量平衡修正后得到ESS實(shí)際輸出功率，如圖4所示。根據(jù)式(7)、(12)、(13)、(17)可確定儲(chǔ)能額定功率為831.245 kW，容量如表1所示，SOC初始值為64.32%。對(duì)ESS的SOC進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，可見(jiàn)運(yùn)行過(guò)程中SOC的最大值和最小值分別為100%和30%，正好等于SOC的上下限，如圖5虛線(xiàn)所示；且系統(tǒng)從開(kāi)始運(yùn)行至結(jié)束時(shí)充放電累計(jì)為0，如圖5實(shí)線(xiàn)所示，故該系統(tǒng)可連續(xù)正常運(yùn)行。

圖4 ESS實(shí)際充放電功率Figure 4 ESS actual charge and discharge power

圖5 校驗(yàn)結(jié)果Figure 5 Calibration results

4 結(jié)論

為改善DG對(duì)配電網(wǎng)功率波動(dòng)的影響，研究了一種基于EMD的平滑含DG配網(wǎng)功率波動(dòng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化方法，以某地區(qū)的實(shí)際含DG配網(wǎng)功率樣本為算例，考慮ESS充放電效率以及ESS的荷電狀態(tài)約束，可得到以下結(jié)論：

(1)該方法可有效平滑含DG配網(wǎng)功率波動(dòng)，能以較小的儲(chǔ)能容量使功率最大波動(dòng)率從53.46%降低至24.67%，且系統(tǒng)可正常穩(wěn)定地運(yùn)行。同時(shí)，該方法也具有一定的“削峰填谷”作用，可降低電力系統(tǒng)“調(diào)峰”的壓力，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性。

(2)就目前的技術(shù)而言，儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本較高，由本文計(jì)算方法得出的儲(chǔ)能容量所需投資較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮儲(chǔ)能成本與各方面的利益關(guān)系。