火电调频特性的混和储能容量配置优化研究.pdf

2023.8 今日制造与升级 55理论与研究 Theory and Research为了实现“碳达峰”“碳中和”目标，促进能源生产和消费向清洁低碳化的转变，实现可持续发展，我国大力发展风能和光伏等可再生能源。此背景下，火电机组承担的调频任务大幅增加，但限于火电机组调频滞后特性，传统机组频繁响应调频会加速设备老化，增加设备运营维修成本，调频不达标也无法通过电网绩效考核，使电厂经济性效益大打折扣1。储能系统可以进行电力和其他形式能源之间的相互切换，可以迅速、精确地对整个系统的能量供需平衡进行调整，增强了供电系统的稳定性。由于现代电网的能源和功率要求复杂多变，因此单一种类的储能技术常常无法满足实际需要，而将两种或多个储能技术进行合并配置，能发挥各自的技术经济优越性，从而拓宽储能系统的使用场景。因此，充分考虑混合储能参与调频的控制策略、电力系统调频需求、储能的经济性等因素，在满足电力系统多性能需求的前提下，尽可能提升储能系统的经济性。文章提出一种经验模态分解的方法，解决自动发电控制（AutomaticGenerationControl，AGC）信号同储能特性不匹配的问题，同时采用飞轮和锂电池构成混合储能系统，形成储能之间的特性互补；同时从经济性的角度考虑，以储能最低配置成本为目标函数，运用粒子群算法对容量进行配置优化，最后给出了最佳容量功率配置方案以及储能最小投资。1 基于粒子群优化算法容量配置成本模型1.1 经验模态分解方法经验模态分析技术（EmpiricalModeDecomposition，EMD），把多分量信息分解成一系列准单分量信号，即为固有模态函数（IntrinsicModeFunction，IMF），划分后所得的各 IMF 分数又包括了原消息在各个时空尺寸下的局部特性消息。经历模式分析可以通过将非平滑统计消息进行平稳化处理后，再进行希尔伯特转换得到频率图，从而获得更具有物理含义的频率消息。所得 IMF 函数值必须符合以下两个条件：函数值在整个时刻范围内，整个信息中经过零点的平均时间序列数和极大值极小值等于或相差1个；关于每个时刻点内，由局部平均值模型拟合的上包络线和由局部平均值模型拟合的下包络点平均数都是零。对非平稳统计，统计局部均值关系到“局部时间尺度”的定义问题，但这很难界定。因此引入局部极大值包络线与局部最小值包络线之间的距离平均为零来替代，使信息波形局部对称。分解方法如下2。（1）先定义原始序列 X（t）的每个局部最大和局部最小，用3个样条函数通过插值，得出上包络线 emax（t）和下包络线 emin（t），求二者平均数可以得出包络平衡曲线 m1（t）。（2）用原始数据 X（t）减去包络平均曲线 m1（t），得到类距平均距离 h1（t）：h1（t）=X（t）-m1（t）（1）（3）首先确定 h1（t）能否符合 IMF 成立的必要条件，如不符合，将 h1（t）视为新的 X（t），再重复（1）、（2），直到 h1（t）符合 IMF 要求，则把 h1（t）视为新划分出的第一个 IMF。（4）从 X（t）中分离出该 IMF 分量 h1（t）：r1（t）=X（t）-h1（t）（2）（5）将 r1（t）作为新信号带入（1）（4），分解得到新的 IMF：r2=r1-h2，.，rn=rn-1-hn（3）（6）当符合下列要求之一时分解步骤即终止：rn（t）或 hn（t）等于指定值；rn（t）的单调函数，无法再从摘要风电光伏等大规模并网的新能源和“碳达峰”“碳中和”的目标对火电机组二次调频性能提出了更高要求，储能系统参与调频被认为是当前最可靠的辅助手段。当前的问题是 AGC 信号同储能特性结合差，且单一储能配置无法满足调频需求，文中提出一种基于经验模态分解方法的方案，以最小成本为目标函数对混和储能系统容量进行优化配置。关键词容量配置；混合储能；二次调频；经验模态分解中图分类号TM73 文献标志码A火电调频特性的混和储能容量配置优化研究李海强1，强济秀1，苏焕朝1，张忠星1，左文淏2，郝俊红2（1.华电国际电力股份有限公司朔州热电分公司，山西朔州036032；2.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102200）56 今日制造与升级 2023.8理论与研究 Theory and Research中分析出 IMF。将所有 IMF 函数和余项累加起来可得：（4）1.2 基于粒子群优化算法容量配置成本模型图1是混合储能系统协同机组参与调频整体系统拓扑结构，混合储能系统由锂电池和飞轮组成，电池和飞轮通过各自的 DC/DC 变换器连接到直流母线上，再通过 DC/AC 变换器连接到交流母线，火电机组直接与交流母线相连；混合储能系统的输出功率与机组输出功率之和作为并网功率接入电网。其中，PG（t）为机组输出功率，Pout（t）为火储联合输出功率，PHESS（t）为混合储能系统输出功率，Pbat（t）为电池输出功率，Pfly（t）为飞轮输出功率。?P?t?P?t?P?t?P?t?P?t?图1 混合储能系统及机组拓扑图文章设置的约束条件主要考虑两个方面，一个是储能系统充放电功率约束，另一个是 SOC 水平约束。（1）储能系统的充放电能量条件：储能系统的充放电效率具有上下极限，一旦突破将对设备产生不可逆损害，因此需要对系统的充放电效率进行限制：（5）式中，Pd/c（t）为储能体系在t时间内的最高释放输出功率；和分别为储能体系的很小和较大释放输出功率。（2）储能系统的 SOC 水平约束：为保证系统平稳安全的管理工作，对储能体系的 SOC 值约束为：（6）式中，S（t）为t时间储能体系的最高SOC水准，而Smin和Smax则依次为储能体系的最小和较大SOC值水准。储能建设成本需综合考察投入成本费用、维持成本费用以及回收处理费用，具体考虑如下。（1）储能系统投资成本，即发电厂新建储能设备的安装成本和设备购置费用：（7）式中，a、b分别为单位容量下飞轮和锂离子电池投资成本系数；Va、Vb分别为飞轮和锂离子电池最佳容量配置。（2）储能系统惩罚成本：惩罚生产成本，是指设备在参与调频过程中由于过量释放，对设备所形成的寿命造成损失而需要产生的成本费用。具体计算如下：（8）式中，Cp为储能系统惩罚成本函数；a、b分别为飞轮和锂离子电池的出现过度放电的储能惩罚系数；Na、Nb为储能系统飞轮和锂离子电池出现过度放电的次数。综上可知储能调频最佳容量优化目标函数C为：C=Cinv+Cp（9）文中采用粒子群算法对上述模型进行容量配置分析。粒子群算法的好处是运算效率高、收敛性好。使用粒子群算法解决文中给出的容量最大化模式，具体方法流程以下。过程1：设定粒子群维度 D，最高迭代频次 Mmax，迭代精度为，然后初始化各微粒的高度 x 和频率 v，并给出锂离子电池和飞轮的起始容量 Vaa和 Vab。过程2：将各粒子自适应度分配值和各粒子的个体极值问题 ebest，与全局极值问题 hbest对比，如自适应度分配值较小，可更新各粒子的个体极值问题 ebest与全局极值问题 hbest。过程3：确定是否达到精度要求或满足最高迭代时间，如满足则选择当前的 Vaa或者 Vab的最优化容量配置参数；如不满足则按式（10）所示法则，更新各物质的总能量 v和位移 x。（10）式中，n为当前迭代时间；c1、c2为粒子权重系数；为惯性重量；r1、r2为（0，1）之间符合均匀分布规律的随机数；xi和vi分别为第i维微粒的位置和速率；g为约束因子。2 算例求解图2为某电厂660MW 机组典型日内，机组出力与指令偏差结果，数据显示该日机组侧的 AGC 指令调动频繁，且上下限调整功率达到了70MW，但是大部分指令集中在20 20MW 区间；图3是针对图2进行 EMD 分解的结果，得到10个IMF分量，10个分量依照能量频率从高到低分布，IMF7中最大差额为10MW，且大部分缺额分布在 5MW之间，以 IMF7为分界点，IMF1 IMF6可重构为飞轮需消纳的指令缺额，IMF7 IMF10的分量重构后交给锂电2023.8 今日制造与升级 57理论与研究 Theory and Research池储能。?图2 机组功率与AGC指令偏差采样时间（s）功率（MW）1000200030004000IMF1IMF2IMF3IMF4IMF5IMF6IMF7IMF8IMF9IMF1012.66.30.0-6.3-12.60图3 EMD分解结果据粒子群计算得到的容量配置结果为：飞轮配置 容 量 9.27MW/0.96MWh，锂 离 子 电 池 配 置 容 量 为4.53MW/1.88MWh。由表1中参数计算可以得到在该方案下配置混和储能系统的成本。表1 混和储能配置相关参数储能配置初始投资成本（元/kW）运行维护成本（元/kW）更换成本（万元/次）回收成本（万元/次）飞轮储能7830884.400锂电池储能5220120017045飞轮储能的单位成本为：（元/kW），锂电池单位成本：（元/kW）3。计及锂电池寿命5a，20a 内需要回收4次，更换3次，附加成本为：Cli_add=170（1+i）5+（1+i）10+（1+i）15+45（1+d）6+（1+d）11+（1+d）16+（1+d）21=10031.4元/kW。式中 i=0.0632、d=0.0383，代表折现率。最后得到的锂电池成本为10031.4元/kW，飞轮成本为8714.4元/kW。3 结论文章以某电厂660MW 机组典型日调频数据为例，分析电厂实际接收到的各种信号的频次后，取其中某日典型AGC 信号，通过经验模态分解的分析方法，在考虑火电机组爬坡率限制的条件下将 AGC 信号分为不同频段，同时在考虑飞轮、火电机组以及锂离子电池的调节特性下，对不同频段的出力装置进行了分配。最后得到混合储能系统中飞轮配置容量为9.27MW/0.96MWh，锂离子电池配置容量为4.53MW/1.88MWh。在考虑最小成本的情况下，经验模态分解方法充分发挥混合储能系统调频优势，能满足调频实际需求使得机组能够很好的跟踪 AGC 信号。参考文献1 李欣然，黄际元，陈远扬，等.大规模储能电源参与电网调频研究综述J.电力系统保护与控制，2016（7）：145-153.2 韩晓娟，田春光，程成，等.基于经验模态分解的混合储能系统功率分配方法J.太阳能学报，2014（10）：1889-1896.3 蒋华婷.储能系统参与自动发电控制的控制策略和容量配置D.北京：华北电力大学，2019.基金项目中国华电集团重点科技项目（CHDKJ22-01-11）作者简介李海强（1992），男，山西朔州人，本科，工程师，主要研究方向为电气工程及其自动化。