考虑多元混合储能的微电网功率平滑控制技术.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2 1 0 2 4作者简介:杨少波(1 9 8 7-),男,工程师,主要从事新能源及储能运行控制工作。基金项目:国网河北能源技术服务有限公司(T S S 2 0 2 1 0 8)。考虑多元混合储能的微电网功率平滑控制技术杨少波,胡雪凯,周 文,王 磊,程子玮(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1)摘要:微电网内分布式光伏出力不确定性导致的功率波动,严重影响微电网的运行稳定性,而储能系统因其功率快速双向调节特性可有效平滑功率波动,但单一储能因受功率调节速度和容量的相互制约影响,无法兼顾调节的快速性和精准性。针对以上问题,本文提出了基于多
2、元混合储能的微电网功率控制策略,首先,构建了基于多元混合储能的微电网系统模型;其次,基于变分模态分解算法对光伏波动功率按照频带范围进行模态分解,并利用改进的量子粒子群优化算法分解参数,根据最小能量熵确定分频点,对混合储能系统进行功率分配;最后,提出储能系统S O C均衡控制策略,根据各储能单元的S O C进行能量均衡控制。利用M a t l a b算例对本文方法进行仿真验证,证明所提方法的有效性。关键词:多元混合储能;变分模态分解;量子粒子群优化;S O C均衡控制中图分类号:TM 7 3 文献标志码:B 文章编号:1 0 0 1 9 8 9 8(2 0 2 3)0 3 0 0 3 8 0 7
3、MM ii cc rr oo gg rr ii ddPP oo ww ee rrSS mm oo oo tt hh ii nn ggCC oo nn tt rr oo llTT ee cc hh nn oo ll oo gg yyCC oo nn ss ii dd ee rr ii nn ggMM uu ll tt ii vv aa rr ii aa tt eeHH yy bb rr ii ddEE nn ee rr gg yySS tt oo rr aa gg eeYANGS h a o b o,HUX u e k a i,Z HOU W e n,WANGL e i,CHE NGZ i w
4、e i(S t a t eG r i dH e b e iE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h i j i a z h u a n g0 5 0 0 2 1,C h i n a)AA bb ss tt rr aa cc tt:T h ep o w e r f l u c t u a t i o nc a u s e db yt h eu n c e r t a i n t yo fd i s t r i b u t e dp h o t o v o l t a i co u t p u t i nt h em
5、i c r o g r i ds e r i o u s l ya f f e c t st h eo p e r a t i o ns t a b i l i t yo f t h em i c r o g r i d,a n d t h e e n e r g ys t o r a g e s y s t e mc a ns m o o t ht h ep o w e r f l u c t u a t i o nb a c a u s eo f i t s f a s t b i d i-r e c t i o n a l p o w e r r e g u l a t i o nc h
6、 a r a c t e r i s t i c s.H o w e v e r d u e t o t h em u t u a l r e s t r i c t i o no f p o w e r r e g u l a t i o ns p e e da n dc a p a c i t y,a s i n g l ee n e r g ys t o r a g e c a n n o t t a k e i n t oa c c o u n t t h e r a p i d i t ya n da c c u r a c yo f r e g u l a t i o n.I nv
7、 i e wo f t h e a b o v ep r o b l e m s,t h i sp a p e rp r o p o-s e sam i c r o g r i dp o w e rc o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nm u l t i v a r i a t eh y b r i de n e r g ys t o r a g e.F i r s t l y,am i c r o g r i ds y s t e m m o d e l b a s e do nm u l t i v a r i a t eh y b r i de
8、 n e r g ys t o r a g e i s c o n s t r u c t e d.T h e n t h em o d a l d e c o m p o s i t i o no f p h o t o v o l t a i c f l u c t u a t i o np o w e r i s c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h e f r e q u e n c yb a n dr a n g eb a s e do nv a r i a t i o n a lm o d a l d e c o m p o s i t
9、 i o na l g o r i t h m,a n dt h ep a r a m e t e r sa r ed e c o m p o s e db yt h e i m p r o v e dq u a n t u mp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m,t h ef r e q u e n c yd i v i s i o np o i n t i sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h em i n i m u me n e r g ye n
10、 t r o p y,a n d t h ep o w e r d i s t r i b u t i o no f t h eh y b r i de n e r g y s t o r a g e s y s t e mi s c a r r i e do u t.F i n a l l y,t h eS O Cb a l a n c ec o n t r o l s t r a t e g yo f t h e e n e r g ys t o r a g e s y s t e mi sp r o p o s e d.A c c o r d i n g t o t h eS O Co
11、f e a c he n e r g ys t o r a g eu n i t,i t c a na c h i e v e e n e r-g yb a l a n c e c o n t r o l.T h em e t h o d i n t h i sp a p e r i s s i m u l a t e da n dv e r i f i e db yaM a t l a be x a m p l e,w h i c hp r o v e s t h e e f f e c t i v e n e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o d.K
12、K ee yyww oo rr dd ss:m u l t i v a r i a t eh y b r i de n e r g ys t o r a g e;v a r i a t i o n a lm o d ed e c o m p o s i t i o n;q u a n t u mp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n;S O Cb a l-a n c ec o n t r o l0 引言微电网作为促进分布式电源消纳的重要组网形态,已经成为能源清洁化发展的重要方向1。储能系统可有效解决微电网分布式电源出力不确定性导致的功率
13、波动问题,有效降低微电网运行风险,提升分布式电源渗透率和微电网运行的稳定性。氢能作为一种完全无污染、无碳排放、热值高、能量密度大且可以气、液、固多态存贮运输的83V o l.4 2N o.3 河北电力技术 第4 2卷 第3期J u n.2 0 2 3 HE B E IE L E C T R I CP OWE R 2 0 2 3年6月二次能源,被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源载体。对可再生能源而言,氢气是一种极好的能量存储介质。随着电转气(P o w e r-t o-G a s,P 2 G)技术的发展应用,可再生能源友好并网与氢能的应用耦合度日益紧密23,有效促进可再生能源的消纳。不同能量
14、形式的储能凭借其功率特性或容量特性不同,只有有机组合多种储能形式,并进行应用,才能同时实现高效性和经济性的目标46。合理的功率分配是混合储能系统(H y b r i dE n e r g yS t o r a g eS y s t e m,HE S S)发挥其储能元件运行特性互补优势的关键,而在HE S S功率分配方法方面的研究,国内外已获得较多的研究成果。常用的功率分配方法有单阶/二阶滤波、傅氏变换、小波分解以及经验模态分解(Em p i r i c a lM o d eD e-c o m p o s i t i o n,EMD)等。文献7 通过一阶低通滤波,实现波动功率在混合储能间的分配优
15、化,但低通滤波器在滤波过程中存在延时特性,影响功率的合理分配。文献8 基于小波分解算法对微电网波动功率进行分解,但小波分解结果的准确性对基函数的合理选择要求严格,容易导致局部最优。文献9 利用EMD方法控制HE S S容量的合理分配,但EMD在递归分解过程中频率辨识精度较差,导致模态函数(I n t r i n s i cM o d eF u n c t i o n,I MF)分离准确性不高,在各模态函数中出现模态混叠现象。2 0 1 4年,K o n s t a n t i n等人提出变分模态分解(V a r i a t i o n a lM o d eD e c o m p o s i t
16、 i o n,VMD)算法1 0,该算法解决了EMD算法中模态混叠和频率特征不易分辨等问题,可进行固有模态函数的有效分离和波动功率的频域划分,同时在分解阶段可以自适应地确定各模态的最佳中心频率和带宽,具有更坚实的数学理论 基础和良好 的鲁棒性1 11 2。本文搭建了含有光伏、蓄电池、燃料电池、氢储能及超级电容的微电网系统,对微电网波动功率进行模态分解,通过分频点,对混合储能系统进行功率原始分配,基于提出的S O C均衡控制策略,对各储能单元的S O C进行能量均衡控制,完成混合储能间微电网波动功率分配的二次优化。1 微电网模型构建本文所提微电网是由分布式光伏、蓄电池储能、超级电容9、氢燃料电池
17、储能及电力负载等共同组成的电 氢储能直流微电网,如图1所示。图1 微电网电气接线示意本文所搭建的直流微电网系统中,分布式光伏所用的数学模型表达式为I=Is c1-C1e x pUC2Uo c-1(1)式中:I和Is c分别为光伏电池的输出电流和短路电流;U和Uo c分别为输出电压和开路电压;C1和C2分别为与峰值电压、电流相关的函数。蓄电池储能模型由可调电压源和内阻组成,具体公式为Ub a t=E0-QbQb-ib a ttib a tt-QbQb-ib a ttin-Rbib a t+Ae x p-Bib a tt()(2)式中:Ub a t为电池端电压;E0为电池完全充满电时的开路电压;为
18、极化电阻;Qb为电池的容量;ib a tt为电池实际放电量;A为电压幅度;B为指数区域时间常数的倒数;Rb为蓄电池内阻;ib a t为负载电流;in为负载电流由低通滤波器处理以后的电流值。氢燃料电池储能的输出电压1 3为Uc e l l=EN-Ua c t-Uo m-Uc o n(3)式中:EN为热力学电动势;Ua c t为活化过电压;Uo m为欧姆过电压;Uc o n为浓差过电压。电解槽将水电解为氢气和氧气,制氢速度1 4为Ve l=Fncie l/(2F)(4)式中:F为法拉第常数;F为法拉第效率;nc为电池组的串联个数;ie l为电解槽输出电流。储氢罐的储氢量1 5为93V o l.4
19、2N o.3 河北电力技术 第4 2卷 第3期J u n.2 0 2 3 HE B E IE L E C T R I CP OWE R 2 0 2 3年6月We l=t2t1Ve ldt(5)2 波动功率分配2.1 基于VMD算法的功率分配机制针对微电网内分布式光伏出力不确定性导致的功率波动,本文采用电 氢混合储能进行综合平抑。首先采用移动平均滤波选取合适的窗口长度并网功率的基准值,然后与光伏实际发电功率作差后,得到需要借助H E S S进行平抑的参考功率信号,最后采用VMD算法对功率信号进行有效分解。2.2 VMD算法VMD算法通过对变分模型最优解的迭代搜索,将混合储能系统的初始信号按照频带
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