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《储能科学与技术》推荐|宋杰等： 基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划

日期： 来源：储能科学与技术收集编辑：宋杰 ​耿林霄等

作者：宋杰1(), 耿林霄1, 桑永福1, 温荣斌1, 孙鹏2, 弓林娟1

单位：1. 西安热工研究院有限公司；2. 西安益通热工技术服务有限责任公司

引用： 宋杰,耿林霄,桑永福等.基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划[J].储能科学与技术,2023,12(02):496-503.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0588

摘 要 高新能源渗透率的新型电力系统更容易发生发电侧与用户侧的负荷失衡，从而造成电网频率波动，这对电网安全带来了巨大的挑战。提升发电侧主动调频支撑成为解决这一问题的关键。储能技术辅助调频主力的火电机组参与发电侧一次调频不仅可以提升电网安全性，也能降低机组磨损，提升机组运行的经济性。现存一次调频储能容量配置方法比较单一。因此，本文提出了一种基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划方法。使用EMD对储能的目标功率进行处理，并将处理后的IMF分量进行重构，从而确定混合储能的功率与能量配额，以归一化成本为最优目标，完成储能系统规划，弥补了现存研究未充分考虑功率高低频响应导致的储能配置方案不合理，不能充分利用不同形式储能特性造成的储能投资成本高、储能系统收益低、调频效果不理想等缺点。并以宿迁660 MW机组为一次调频算例验证了本文方法的可行性与经济性。研究结果可以为参与一次调频的火电机组储能规划提供一定技术参考。
关键词 EMD；混合储能；容量规划
为实现“30.60”目标，深入贯彻电力系统新发展理念，构建电力系统新发展格局，在确保电力生产安全，推动电力产业高质量新发展的前提下，中央财经委提出构建高新能源渗透率的新型电力系统，进而形成清洁低碳安全高效的能源体系。以风光为主体的新能源间歇性强，波动性大，接入电网后容易造成发电侧与用户侧负荷失衡从而显著影响电网频率稳定，严重威胁电力系统安全。如何提升发电侧主动调频支撑已成为新型电力系统的关键所在。
混合储能系统可以综合发挥不同形式储能的特征优势来提升储能系统的性能，同时降低系统内部损耗，提升储能系统经济性。对于火电机组调频过程中产生的高频分量可以选择响应速度快、允许频繁充放电的功率型储能设备——飞轮承担。较为平缓的中低频分量在能量上有更多的需求，可以选择能量型特征明显的蓄电池储能，同时中低频分量也减少了蓄电池充放电的次数，保持蓄电池荷电状态(state of charge，SOC)在合理范围内，进一步提升了储能系统的寿命，降低了储能系统的全生命周期投资成本。为火电机组配置合适容量的混合储能既能提升电力系统调频裕度，保障电网稳定运行，又能在调频峰值处降低机组峰值出力波动，减轻机组磨损，保障机组安全运行，减小机组被考核成本，提升机组参与调频的经济效益，加强机组参与调频的积极性。因此，如何在火电机组参与一次调频的过程中，合理配置混合储能的容量成为当前亟待研究的热点课题。
汤杰等提出了一种以净效益最大为目标基于遗传算法辅助求解的储能电池参与二次调频的容量配置方法，构建了储能电池全生命周期成本-效益计算模型。罗耀东等基于调频电量考核贡献的经济收益对参与一次调频的飞轮储能容量进行了优化配置，提出了一种储能电池持续性管理的火-储协调控制策略。韩健民等针对600 MW供热机组提出了一种混合储能辅助燃煤机组调频的控制策略，稳定了调频过程中的主汽压力，降低了汽机输出波动从而减缓了电网频率波动。洪烽等使用飞轮储能系统设计了一种飞轮储能参与电网一次调频的自适应下垂控制策略，有效降低了网侧的最大频差和稳态频差。
以上研究要么侧重于配置储能后火-储协同系统的控制策略，要么侧重点落在火-储系统中单一储能容量的配置，且在容量配置时未考虑调频机组实时功率缺额高低频状况。以至于功率特性明显的飞轮储能需要承担联合系统中一部分能量型输出导致飞轮容量增大，或者能量型的蓄电池储能需要频繁充放电响应机组高频功率波动导致蓄电池系统自损耗加剧。这些不仅提升了储能系统前期投资成本，也缩短了储能系统的生命周期，降低全生命周期储能系统的经济性。
合适的混合储能容量可以有效提升机组参与调频经济效益，提升机组调频积极性，进而维护网侧频率稳定，保障电力系统安全。但当前研究对于机组一次调频过程中的储能容量配置方法还是比较单一，没有充分考虑功率高低频响应的特性，导致储能配置方案不够合理，也不能充分利用不同形式的储能特性，加剧储能系统内部自损耗，导致储能投资成本高，储能系统收益低等。
因此，本文提出了一种基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划方法。以宿迁660 MW机组为例，选择使用飞轮与蓄电池作为储能规划方案。采用经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)对调频缺额功率进行处理，结合分解得到的高低频模态分量确定储能功率与容量配置方案。在考虑储能特性的前提下，以混合储能全生命周期归一化成本为优化目标，确定EMD重构策略，优化储能系统的容量配置方案。

1 基础原理

1.1　火-储混合系统一次调频构架

在机组并网运行的过程中，混合储能系统通常以主动介入的方式参与电力系统的一次调频。混合储能系统作为辅助机组调频的重要手段，需要根据一次调频调度与预测进行储能容量规划。混合储能辅助机组参与一次调频调度结构如图1所示。一次调频事件发生后，由火电机组和储能系统同时响应，在调频过程中火电机组不足份额中的高频分量由功率型的飞轮群组承担，中低频分量由能量型的蓄电池组实时响应。

图 1   混合储能辅助火电机组参与一次调频调度结构图
对于以火电机组为主的一次调频调度系统，基于调频周期内的一次调频指令与火电机组实时出力统计数据，得到调频过程中的叠加一次调频后的指令与机组实际出力，从而确定混合储能系统的目标功率，三者之间应有如下关系：

(1)
由于机组出力实际情况复杂导致既含有高频的功率分量又含有中低频的能量分量。针对的实际特点，为满足调频过程中功率与能量的双重需求，需要对进行基于EMD的非线性分解，并对分解后的高低频分量进行重构。将重构后的高频分量分配给飞轮系统响应，中低频分量分配给蓄电池系统响应。充分利用两种储能形式的特性优势，快速准确响应的需求。

(2)

1.2　基于EMD的混合储能分解与重构

在当前研究中，对于储能系统目标功率的分解一般采用高通滤波，小波变换，短时傅里叶变换等方法。但是这些方法在处理非线性混合储能目标功率信号的时候无法准确提取原始信号的高、中、低频特征模态分量。因此，本文选择EMD方法对储能系统目标功率进行基于频率特性的分解，避免了因人为因素造成分解失衡的情况，根据设定的分解条件得到若干条(一般小于10条)本征模态分量(intrinsic mode function，IMF)。
本文以宿迁660 MW机组为研究对象，选择机组一年内的调频出力数据如图2所示，剔除机组不参与一次调频时间段，设定采样时间为1 s，一个调频周期为60 s(一次调频考核周期一般不超过60 s)通过公式(1)计算混合储能系统的目标功率如图2所示。

图2   混合储能出力目标功率
对于主动储能系统目标功率进行EMD分解重构。依据EMD算法的设计可以得到若干模态分量和余量，原始信号与模态分量和余量之间的关系如下：

(3)
在进行储能目标功率信号分解时需要找到目标函数的所有极大值点与极小值点，并通过三次样条函数拟合出目标函数的极大值包络线与极小值包络线，并保证所有极值点都被与所包含。

(4)

(5)
使用中间信号重复本操作k次直到中间信号满足的定义即：整个数据长度中极值点和过零点的数目必须相等或至多相差一个；三次样条拟合最大值和最小值点确定的上、下包络线的平均值是0。此时即可获得的一阶模态分量。

(6)

(7)
使用重复公式(3)～(7)得到，反复如此，一直到第n阶的IMF分量和其余量，直到为单调函数或者常量时停止分解。
分解结束后的EMD分量可以使用式(8)表示：

(8)
然而，实际情况中，对于的上下包络线均值无法为0的情况下，认为当满足下条件时即可认为的包络线均值为0。

(9)
使用公式(3)～(9)对本文主动储能系统的目标功率进行EMD分解，得到模态分量和余量。
由图3可知，分解结果从高频递进转向低频，呈现从高频功率型分量向低频能量型分量转换的趋势。排序低的模态分量频率高、瞬时功率大，呈现为特点。排序高的模态分量频率低、功率周期长，呈现为能量型特点。

图3   分解后的IMF模态分量
EMD分解可以将原始信号在能量型特征与功率型特征之间进行转换。模态分量呈现最强的功率型特征，因此默认分配给功率型的飞轮群组进行响应，模态分量呈现最强的能量型特征，因此默认分配给能量型蓄电池组进行响应。
分解后模态分量的箱线统计图如图4所示。由图可知，排序越高，箱体越窄且异常值越少，体现在功率上就越集中，展现了很好的能量型特征。排序越低，异常值越多，体现在功率上就越离散，表现出了强烈的功率型特性。这也与前文的分析一致，排序低的离散分量分配给功率性的储能飞轮群组承担，排序高的集中分量分配给能量型的蓄电池组承担。

图4   模态分量箱线统计图
当分解结束后即可获得所有的IMF分量与最后的残量。可以通过下式对IMF的各个分量进行重构得到高频分量和中低频分量。

(10)

(11)
在得知IMF重构方案后，本次模态分量的重构方案综合考虑各模态分量的具体信息。通过对EMD分解后的各模态分量进行重组，确定更合理的混合储能规划方案，在此基础上对EMD的重构进行一定改进。表1中H代表分配给飞轮组的高频功率分量，L代表分配给蓄电池的中低频分量。

表1   IMF重构方案表


按表1的重构方案1则

(12)

(13)
…
重构方案9则

(14)

(15)

2 混合储能规划

由于主动储能持续运行过程中存在自耗电的因素，在规划主动储能系统的额定功率时要求储能系统的额定功率不小于当前系统的目标功率，从而完成主动储能系统的功率规划。

(16)

(17)
式中，分别为飞轮储能和蓄电池储能的额定规划功率；分别为飞轮储能和蓄电池储能的充放电效率(0～1)。、表示储能设备放电，、表示储能设备充电。
电网规定一次调频的时间周期一般不超过60 s，以60 s为一个周期分别计算飞轮储能和蓄电池储能的容量变化量。

(18)

(19)
式中，分别为飞轮储能与蓄电池储能在一个储能周期即60 s内的累计运行容量。
为了提升储能效益，保障储能设备安全，储能设备应该运行在储能SOC界限内，以运行时间的调频周期内储能设备容量变化量最大值和最小值为基础完成储能容量规划。

(20)

(21)
式中，分别为飞轮储能与蓄电池储能的额定容量；分别为飞轮储能的SOC上下限；分别为蓄电池储能的SOC上下限；为保障储能设备的安全，本文选择，，，。
以本小节理论为基础分别计算2.3小节9种重构方案下飞轮储能与蓄电池储能各自的规划功率与规划容量，其结果如表2所示。

表2   不同重构方案下储能容量与功率


2.1　混合储能容量优化

目前制约储能设备容量主要有两个方面，储能投资成本与储能寿命折旧成本。因此在考虑储能配备时需要考虑不同储能充放电方式对储能生命周期的影响。使用日均折算成本作为量化标准：

(22)

(23)

(24)
式中，分别为储能设备的运行、维护、处置成本系数；为储能设备的折旧系数；为储能设备的容量单价和功率单价。
由于飞轮储能为物理性质的储能形式，有固定的设备迭代时间，其使用过程基本不受充放电次数和工作环境温度等影响，因此，本文定义飞轮储能的固定更换时间T倒数为飞轮的折旧系数：

(25)
电化学性质的蓄电池储能生命周期主要受充放电深度与充放电周期影响，此外蓄电池的蓄能材料与工作温度也有一定影响。本文选择N阶函数法拟合了蓄电池放电深度与循环次数之间的函数关系。得到拟合公式(26)：

(26)

图5   蓄电池数据拟合
由上述拟合可以计算蓄电池的等效循环寿命：

(27)
式中，为蓄电池第i个循环深度，为完全充放电时电池的循环寿命，为任意充放电深度时的循环寿命。
则蓄电池的日均折旧系数为：

(28)
混合储能设备其他参数如表3所示。

表3   混合储能其他参数

① a为飞轮系统循环寿命的一个常数。


2.2　混合储能配置对比

确定混合储能目标规划后使用混合储能目标规划下的优化函数对重构后的储能策略进行混合储能全生命周期成本计算，在横向上对本文所有重构方案的经济性进行对比，同时与配置单一飞轮或单一蓄电池在纵向上进行对比，选择经济性最高的一组作为本章节混合储能最终优化容量。
表4为各种重构方案下储能容量与功率的归一化成本，由表可知，重构方案5的重构策略折算为归一化成本最低为4058.91元，在本文所有重构策略中成本最低，也低于单一飞轮或单一蓄电池成本。基于成本最优考虑，因此选择重构方案5的重构策略为最终混合储能配置方案。在此方案下飞轮储能系统的功率规划为9.32 MW，容量规划为61.23 kWh，蓄电池系统的功率规划为5.68 MW，容量规划为121.01 kWh。在此规划下混合储能系统既满足了调频初始阶段中高频的功率需求，又满足了调频时间尺度下中低频的能量需求。

表4   储能归一化成本


混合储能设备的出力情况如图6所示，由图可知，飞轮储能系统承担了波动频繁的功率信号处于频繁动作的状态下。蓄电池系统在时间尺度上承担了波动缓慢但时间尺度较长的能量信号。两种储能形式相互配合，共同作用，用以提升系统的经济效益。

图6   混合储能出力

3 结论

为加强电网消纳新能源的能力，保障电力系统安全稳定运行，提升发电侧主动调频支撑，本文提出了一种基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划方法，对目标功率的分解与重构过程进行了研究。得到以下结论。
（1）相比较于配置单一储能，本方案充分考虑目标功率的高低频分量，将其合理分配给飞轮群组与蓄电池组，可以有效降低储能系统内部自损耗，减少储能系统全生命周期投资成本，提升储能系统经济效益。
（2）以本研究为指导，宿迁660 MW机组混合储能系统最优容量配置结果为飞轮群组的功率为9.32 MW，容量为61.23 kWh，蓄电池组的功率为5.68 MW，容量为121.01 kWh。通过对不同重构方案的横向对比与单一储能的纵向对比，验证了本文所提方案的可行性与经济性。
（3）本文方案在考虑混合储能系统中飞轮群组和蓄电池组的物理特性的基础上，对EMD分解后的模态分量进行了合理的重构，以储能系统全生命周期归一化成本最低为最终目标确定混合储能系统的容量配置方案，可以为参与一次调频的火电机组混合储能容量规划提供一定技术参考。


通讯作者：宋杰（1995—），男，硕士，工程师，研究方向为储能辅助电力系统调频，E-mail：songjie@tpri.com.cn

第一作者：宋杰（1995—），男，硕士，工程师，研究方向为储能辅助电力系统调频，E-mail：songjie@tpri.com.cn

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