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        基于EMD與模型預測控制算法的風電功率平抑

        2021-05-21 09:59:44張家軍常喜強毛吾蘭買買提依明楊艷磊
        四川電力技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)信號系統(tǒng)

        張家軍,陳 杰,常喜強,李 霞,毛吾蘭·買買提依明,徐 鵬,楊艷磊

        (1.國網(wǎng)烏魯木齊供電公司,新疆 烏魯木齊 830011;2.國網(wǎng)新疆電力有限公司,新疆 烏魯木齊 830002)

        0 引 言

        開發(fā)利用可再生能源是應對能源問題的有效手段。而可再生能源的消納是制約可再生能源發(fā)展的關(guān)鍵因素之一[1-2]。風能、太陽能等可再生能源會實時地受到氣候、季節(jié)、地形、區(qū)域等諸多因素的影響,故其輸出往往伴隨著隨機、不穩(wěn)定、間歇性等特點,當一定規(guī)模的可再生能源發(fā)電并網(wǎng)后對電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了不利影響[3-4]。研究增強可再生能源發(fā)電輸出功率穩(wěn)定性的方法及減小可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響,對發(fā)展可再生能源戰(zhàn)略具有重要意義[5]。

        儲能技術(shù)可將電能儲存起來,在需要時釋放,以平抑可再生能源發(fā)電的功率,保證電能的持續(xù)穩(wěn)定輸出,增加電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的接納能力。文獻[6-7]將蓄電池和超級電容同時引入到發(fā)電系統(tǒng)中構(gòu)成混合儲能系統(tǒng),用能量密度較高的蓄電池儲能平抑能量高、變化慢的低頻波動,用功率密度大的超級電容儲能平抑能量低、變化快的高頻波動。目前,已有多種平抑風電輸出功率波動平抑的控制策略。文獻[8]采用低通濾波器的控制方法,并且用儲能的實時荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)來計算濾波的時間常數(shù),以輸出功率波動為控制目標,在利用模糊控制對儲能的功率進行分配;但是以低通濾波器為基礎(chǔ)的控制算法對功率波動的平抑效果不佳。文獻[9]利用小波包分解將輸出功率分解出低頻部分和高頻部分信號,然后結(jié)合統(tǒng)計分析和支持向量機辨別出功率波動的超限部分,控制風氫混合儲能系統(tǒng);但上述的小波分解、卡爾曼濾波、一階濾波等平抑算法在實時控制方面存在局限性。文獻[10]利用超級電容和儲能電池的能量密度和功率密度的特點,根據(jù)儲能電池的荷電狀態(tài),將控制過程分為優(yōu)化控制層和協(xié)調(diào)控制層來保證儲能系統(tǒng)的整體充放能力。模型預測控制(model predictive control,MPC)算法具有提前預測、優(yōu)先控制等特點,且實時性較好[11]。

        以上文獻充分說明儲能技術(shù)能夠平抑風電場的輸出功率。下面構(gòu)造以經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)算法為基礎(chǔ)對儲能能量進行分配,用能量密度高但功率密度低的蓄電池儲能平抑低頻功率波動,用能量密度低但功率密度高的超級電容平抑高頻功率波動。以MPC算法作為平抑控制策略,以儲能使用量最小為控制目標,對混合儲能系統(tǒng)的充放電進行分配和控制,以達到在儲能功率約束、儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)約束以及并網(wǎng)功率波動約束下,平抑風電場的并網(wǎng)功率,減小并網(wǎng)功率沖擊。最后,用某風電場一天的實際輸出功率數(shù)據(jù)驗證所提方法的可行性和有效性。

        1 混合儲能平抑風電波動模型構(gòu)建

        利用混合儲能技術(shù)對風電功率波動平抑是一種有效手段[12-14]。風電混合儲能發(fā)電系統(tǒng)包括雙饋風力發(fā)電機組、混合儲能系統(tǒng)和混合儲能發(fā)電系統(tǒng)。風電混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 混合儲能平抑風電、波動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        當電網(wǎng)消納不了風電時,可將富余的電能分配給儲能系統(tǒng)用于儲能。系統(tǒng)由風力發(fā)電系統(tǒng)、混合儲能系統(tǒng)、功率分配控制器及連接線組成。當風電過剩時,能量由母線流向混合儲能系統(tǒng);當風電不足時,能量由混合儲能系統(tǒng)流向母線并供給電網(wǎng)?;旌蟽δ芟到y(tǒng)由蓄電池儲能和超級電容儲能構(gòu)成。蓄電池儲能響應速度較慢,但其可儲存容量大,蓄電池儲能承擔低頻的功率波動。而超級電容儲能響應速度快,適用于頻繁充放電,超級電容承擔高頻的功率波動。儲能系統(tǒng)能對風電的輸出功率達到“削峰填谷”的效果,使其輸入電網(wǎng)的功率更加平滑。

        2 混合儲能平抑風電波動優(yōu)化控制策略

        2.1 經(jīng)驗模態(tài)分解原理

        經(jīng)驗模態(tài)分解是一種無須選擇基函數(shù)就能夠自適應地將原始信號分解成一組固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function,IMF)的線性組合,分解后的信號能夠突顯出原始信號的局部特征。

        在EMD分解中,所有的模態(tài)函數(shù)均滿足兩個條件:1)在整個數(shù)據(jù)序列中,極值點數(shù)和過零點數(shù)相等或者相差為1;2)在整個數(shù)據(jù)序列中,信號的局部極大值和局部極小值構(gòu)成的包絡線關(guān)于時間軸對稱,即其均值為0。

        EMD分解的流程如下:

        1)尋找信號的所有極大值點和極小值點,對極大值點做插值形成上包絡線,對極小值點做插值形成下包絡線。

        2)計算出上、下包絡線的均值m,用原始信號s(t)減去m,求出中間信號h(t)。

        h(t)=s(t)-m

        (1)

        3)然后判斷h(t)是否滿足IMF的條件,如不滿足,則對h(t)重復步驟1、步驟2,直到滿足IMF的條件,就得到第1個IMF信號c1(t)。

        c1(t)=h(t)

        (2)

        4)用原始信號減去第1個IMF分量,得到第1個剩余信號r1(t)。

        r1(t)=s(t)-c1(t)

        (3)

        將r1(t)作為新的原始信號,重復步驟1至步驟4,然后分解出剩下的模態(tài)分量c2,c3,…,直至剩余信號呈現(xiàn)為單調(diào)時完成分解,并將其記為剩余分量r(t)。

        綜上,經(jīng)驗模態(tài)分解可把信號s(t)分解為一組模態(tài)函數(shù)ci(t)和一個剩余分量r(t)的線性組合,表示為

        (4)

        式中:ci(t)為信號中各振蕩模態(tài)分量;r(t)為信號中的剩余分量。

        2.2 優(yōu)化控制及其約束

        模型預測控制(MPC)算法能夠根據(jù)歷史信息和現(xiàn)有輸入來提前對輸出作出預測,能夠?qū)崿F(xiàn)提前預測、優(yōu)先控制。該方法具有較好的實時性,因此將其作為功率平抑控制方法。MPC主要由狀態(tài)空間模型和滾動時域策略兩部分組成[15]。

        風電并網(wǎng)功率與風電場輸出功率、儲能功率的關(guān)系為

        Pg(k)=Pes(k)+Pw(k)

        (5)

        式中:Pg(k)為在k時刻的并網(wǎng)功率;Pes(k)為在k時刻的儲能功率;Pw(k)為在k時刻的風電發(fā)出功率。

        則在k+1時刻儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)為

        (6)

        式中:Ses(k)為k時刻的荷電狀態(tài);Ces為儲能容量;Tc為控制周期。

        1)狀態(tài)空間模型:將并網(wǎng)功率Pg和荷電狀態(tài)Ses作為狀態(tài)變量x1和x2;儲能功率Pes作為控制量u;風電實際發(fā)出Pw作為擾動量r;下一時刻的并網(wǎng)功率Pg和荷電狀態(tài)Ses作為輸出y1和y2。構(gòu)建狀態(tài)空間表達式為

        (7)

        2)滾動時域策略:首先,利用式(7)的狀態(tài)空間模型對k+M(M=1,2,3,…)時刻的輸出Pg和Ses進行預測,再結(jié)合二次規(guī)劃對每個控制時域的輸出結(jié)果進行優(yōu)化,即可得到相應的功率控制指令。然后將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化模型求解。其中,以各優(yōu)化周期內(nèi)儲能使用量最少作為優(yōu)化的目標函數(shù),如式(8)所示。

        (8)

        并且同時需要滿足儲能功率約束、對風電并網(wǎng)功率波動率γ的限制和儲能荷電狀態(tài)約束,即約束條件為

        (9)

        式中:Pes_max和Pes_min分別為儲能功率能達到的上下限;Pg_min和Pg_max分別為并網(wǎng)功率的最小值和最大值;Prated為風電的裝機額定功率。

        3 算例分析

        選取某風電場一日的實際功率數(shù)據(jù)為研究對象,采樣時長為1440 min,采樣率為1 min,裝機容量為200 MW。圖2為某風電場實際輸出功率的波形圖。

        圖2 風電實際輸出功率

        3.1 平抑策略

        根據(jù)式(9)的約束條件,以1 min波動率≤2%和30 min波動率≤7%作為風電并網(wǎng)波動率限制,儲能功率約束Pes取9 MW,儲能SOC范圍為0.1~0.9,采用模型預測控制算法對該風電功率曲線進行平抑,平抑后的風電功率如圖3所示。

        圖3 平抑后的風電輸出功率

        可以看出,平抑后的風電功率波動較為平滑,平抑后的1 min和30 min的波動率分別如圖4、圖5所示。

        由圖4、圖5可知,平抑后的波動率大幅度降低,平抑后的1 min的最大波動率為1.19%,30 min的最大波動率為6.17%。滿足并網(wǎng)要求的平抑后1 min波動率≤2%,30 min波動率≤7%。

        圖4 平抑后1 min的波動率

        圖5 平抑后30 min的波動率

        3.2 能量分配

        蓄電池儲能可儲存容量大,充放電響應較慢,承擔了波動的低頻功率指令;而超級電容充放電響應時間在數(shù)毫秒到幾十分鐘,承擔了波動頻繁的高頻功率指令。算例結(jié)果也符合蓄電池儲能和超級電容的性能特點,儲能的能量分配如圖6、圖7所示。

        圖6 蓄電池儲能承擔的功率

        圖7 超級電容儲能承擔的功率

        4 結(jié) 語

        風電具有的隨機性與波動性,使其在并網(wǎng)時給大電網(wǎng)在電壓、頻率的穩(wěn)定性及可靠性上帶來了巨大的挑戰(zhàn)。儲能系統(tǒng)可以作為能量緩沖裝置,能夠彌補風電等可再生能源發(fā)電的波動性和間歇性,使其輸出更容易調(diào)度和可控,減小對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。前面構(gòu)造的以EMD算法來對功率做預處理,將其分解為低頻部分和高頻部分,然后結(jié)合實時性較好的模型預測控制算法控制功率指令,對風電功率進行平抑。對實際風電場數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果論證了該方法可以有效平抑風電場輸出功率,明顯提升風力發(fā)電的穩(wěn)定性,減小對電網(wǎng)的沖擊,為可再生能源的大規(guī)模開發(fā)利用提供了技術(shù)支持。

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