摘要：隨著可再生能源的快速發(fā)展，靈活、*效和經(jīng)濟的能源存儲系統(tǒng)在維持電網(wǎng)功率平衡方面變得至關重要。本文通過變分模態(tài)分解方法，建立了一個新能源混合儲能系統(tǒng)的容量優(yōu)化微網(wǎng)模型，以實現(xiàn)風光互補微電網(wǎng)中儲能容量的*優(yōu)配置，從而提升供電質(zhì)量。該方法基于頻域和時域之間的能量映射關系，采用交替方向乘子法迭代求解，以*小化本征模函數(shù)的帶寬和。通過Hilbert變換和模態(tài)混疊能量計算，確定最佳分解模態(tài)數(shù)。在信號重構后，根據(jù)超電容和電池的特性選擇高頻和低頻分界點，并計算相應的充放電功率及額定容量。最后的案例研究結(jié)果表明，所提出的方法在經(jīng)濟性和可行性上優(yōu)于現(xiàn)有的能源存儲配置方法，不僅提高了電池的使用壽命，還可以降低年綜合成本。

關鍵詞：混合儲能系統(tǒng)；微網(wǎng)優(yōu)化；電能質(zhì)量；變分模態(tài)分解；交替方向乘子法

0.引言

隨著社會用電需求的增加，尋找和利用可再生能源成為一個全球性的問題。風能和光能無疑是具有代表性的兩種可再生能源，然而這兩種能源都是天然不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，其在使用過程中不可避免地存在功率波動的問題。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)往往在面對這種功率不穩(wěn)定時，可能會產(chǎn)生電網(wǎng)電壓、頻率波動等問題，進而影響供電質(zhì)量。因此，如何解決風光互補的可再生能源系統(tǒng)中的功率平衡問題就顯得至關重要。

在此背景下，引申出了混合儲能系統(tǒng)的應用。混合儲能系統(tǒng)是一種綜合利用多種儲能技術，進行聯(lián)合調(diào)度和控制，以實現(xiàn)電能儲存和釋放的*效能源管理系統(tǒng)。在風光互補的孤島直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，混合儲能系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各個組件的優(yōu)勢，平滑處理可再生能源發(fā)電與負載需求之間的功率不平衡。

回顧現(xiàn)有的研究，可以發(fā)現(xiàn)，雖有許多針對微網(wǎng)的優(yōu)化研究來提升電能質(zhì)量，但大部分都是以單一種類的能源為主，例如文獻研究了風能和太陽能的并網(wǎng)電能質(zhì)量提升。對于風光互補混合儲能系統(tǒng)，文獻研究了儲能系統(tǒng)的電能質(zhì)量提升，但是這些方法存在噪聲過大、參數(shù)選擇不合理等問題。針對上述問題，本文引入變分模態(tài)分解和交替方向乘子法兩種新方法處理微網(wǎng)優(yōu)化和電能質(zhì)量提升問題。

文獻提到的交替方向乘子法（AlternatingDirectionMethodofMultipliers,ADMM）也是一種有效的工具，尤其在處理復雜優(yōu)化問題時具有顯著優(yōu)勢。文獻在本文中，將利用交替方向乘子法求解基于混合儲能系統(tǒng)年綜合成本的優(yōu)化配置模型。

本文提出了一種基于風光互補混合儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)優(yōu)化及電能質(zhì)量提升研究方法。這種方法主要是通過變分模態(tài)分解，建立了一種新的儲能混合系統(tǒng)模型。這種模型不僅可以實現(xiàn)風光互補配電網(wǎng)中儲能容量的*優(yōu)配置，而且還能提升供電質(zhì)量。該方法的主要優(yōu)點有兩方面。首先，它能有效地解決了風能和光能等可再生能源的不穩(wěn)定問題，從而提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和效率。其次，引入交替方向乘子法作為優(yōu)化算法，能有效地處理模型的復雜性，并求得*優(yōu)解。

本文的第二章對新能源微電網(wǎng)中的不平衡功率建模，第三章使用變分模態(tài)分解方法進行容量配置，第四章建立了混合能量存儲系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型，第五章通過實際案例研究驗證本文提出方法的有效性，第六章總結(jié)本文研究內(nèi)容并得出結(jié)論。

1.微電網(wǎng)的結(jié)構

微電網(wǎng)（Microgrid）是一種具有一定規(guī)模的、具備一定能源自主供應能力的，在正常情況下可以并網(wǎng)運行，在特殊情況下可以孤島運行的電力系統(tǒng)。一個微電網(wǎng)系統(tǒng)通常由分布式發(fā)電設備、負載、儲能設備和控制系統(tǒng)等組成。風光互補的孤島直流微電網(wǎng)是一種小規(guī)模的發(fā)電和配電系統(tǒng)，由分布式能源系統(tǒng)、負載、混合能源儲存系統(tǒng)、電力配送設備、控制器等組成。這種微電網(wǎng)可以實現(xiàn)自主運行、調(diào)節(jié)和控制。其結(jié)構如圖1所示。

微電網(wǎng)系統(tǒng)中的每個單元都通過一個轉(zhuǎn)換器直接連接到電源總線。為了確保電力平衡和提高電力質(zhì)量，這個過程由中央控制器控制。混合儲能系統(tǒng)的功率信號PHESS(t)以微電網(wǎng)中發(fā)電設備和負載的不平衡功率Ptun(t)為參考，不平衡Ptun(t)的計算如（1）所示：

其中，P1(t)為負載功率，Pw(t)為風力發(fā)電的輸出功率,Pv(t)為光伏發(fā)電的輸出功率。

.       容量配置的變分模態(tài)分解

變分模態(tài)分解(MariationalModeDecomposition,VMD)的基本原理是通過變分約束自適應地將原始信號分解為帶寬受限的本征模函數(shù)(IntrinsicModeFunction,IMF)091。本文使用交替方向乘子法(AlternatingDirectionMultiplierMethodADMM)迭代地搜索變分模型的*優(yōu)解，目的是*小化所有IMF分量帶寬之和，從而允許通過堆疊重構原始信號。

.       變分模態(tài)分解的數(shù)學建模

在本文中，混合儲能系統(tǒng)的功率被看作原始信號，構建帶約束的變分模型如下:

其中{}={…,“.,….“}是通過對原始信號進行分解而獲得的本征模函數(shù)。={@,@,…,@}是每個本征模函數(shù)的相應中心頻率。à是關于時間t的偏導數(shù)。5(1)是沖激函數(shù)。然后引入二次懲罰項a將方程(2)轉(zhuǎn)化為無約束問題，如公式(3)所示。

使用交替方向乘子法(AltematingDirectionMethodofMultipliers,ADMM)選代更新“"、以"和入"，然后利用傅里葉變換獲得獲得更新后的模函數(shù)及其相應的中心頻率。

其中(w)。i(w)和(w)分別是Phess(t)、ui(t)和λ(t)的傅里葉變換。上述迭代過程在滿足公式（6）的條件時停止。

3.1混合儲能系統(tǒng)的額定功率和額定容量

將微電網(wǎng)中的不平衡功率使用VMD分解為K個imf分量后,選擇合適的高低頻分界點，利用混合儲能系統(tǒng)對imyf分量進行平滑。重構的信號被分為兩部分:前N階imn分量的和作為高頻部分,大于N階的iny的和作為低頻部分。根據(jù)*級電容適用于平渭高頻波動、電池適用于平滑低頻波動的特性，可得公式(17)所示:

配置的能量存儲組件的額定功率應能夠平滑電源和負載之間的最大功率不平衡?？紤]到能量存儲組件的充放電效率，可以得到*級電容和電池的額定功率。

其中1..和1。分別是*級電容的充電和放電效率。1.和1.分別是電池的充電和放電效率。t時刻*級電容的SOC為:

其中SOC是電容初始SOC值。Δt是充放電指令時間間隔。E-是*級電容的額定容量。P.()是考慮充電和放電效率的*級電容功率參考值，如公式(21)所示:

考慮到SOC的約束條件，得到：

以得到如公式（23）所示的電容容量：

同理，可以獲得電池EBN的額定容量。

3.2混合儲能系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型

本文全面考慮了初始投資成本、運營維護成本和更換成本。然后，以優(yōu)化變量和目標函數(shù)，建立了混合能量存儲系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型。該模型的流程圖如圖4所示。

.       目標函數(shù)

混合儲能系統(tǒng)的年度綜合成本:

混合儲能系統(tǒng)的初始投資成本如公式：

其中c和c分別為電池單位功率和單位容量的投資成本。c和c分別為電容的功率和容量的投資成本。"為資本恢復系數(shù)如公式(26)所示:

其中，為折現(xiàn)率。為混合儲能系統(tǒng)的額定服務壽命。

.       案例研究

為了驗證本文提出的模型的可行性和成本效益，以中國某地區(qū)一個典型微電網(wǎng)一天的數(shù)據(jù)為例進行分析。數(shù)據(jù)采樣間隔為5分鐘，采樣時間為24小時，采樣點數(shù)為288個。微電網(wǎng)的風電功率、光伏功率和負載功率數(shù)據(jù)如圖5所示。

根據(jù)公式（1）計算每個采樣點的不平衡功率，即該時刻風電和光伏發(fā)電之間的功率差值，計算結(jié)果如圖6所示。

4.1分解模態(tài)數(shù)量

K是根據(jù)*小總模態(tài)混疊能量的原則確定的，當K=7時，模態(tài)混疊能量達到*小。因此，我們選定K=7作為基準值，對不同分解模態(tài)數(shù)量下的總模態(tài)混疊能量執(zhí)行了歸一化處理。圖7展示了當分解模態(tài)數(shù)量由2遞增至35時，歸一化模態(tài)混疊總能量的變化趨勢。

當K的范圍從2到6時，表示一種欠分解狀態(tài)，各個imf之間存在相互重疊。隨著K的增加，分解出的imf數(shù)量增加，各模態(tài)之間的分離更加明顯。模態(tài)重疊的總能量通常會減小。當K為7時，imf之間明確分離，模態(tài)重疊的總能量達到*小。隨著K繼續(xù)增加，這表示過度分解狀態(tài)，會產(chǎn)生虛假分量。模態(tài)重疊能量呈現(xiàn)不規(guī)則的波動。因此，選擇K=7作為*優(yōu)分解模態(tài)數(shù)。

4.2頻率分界點

混合儲能系統(tǒng)依據(jù)微電網(wǎng)中的功率不平衡狀況作為調(diào)控基準，其中，電池組件專門應對低頻功率波動，而*級電容則擅長處理高頻功率波動。若在設置高頻與低頻分界點時不夠*準，將直接影響電池與*級電容的充放電調(diào)度策略，進而干擾整體配置的優(yōu)化效果。為實現(xiàn)綜合成本的*小化，我們將分界點設為優(yōu)化參數(shù)，通過模擬不同分界點

下的成本變化，繪制出相應的成本曲線。利用公式（24）結(jié)合表1中的參數(shù)進行計算分析，結(jié)果顯示，在N=4的設定下，系統(tǒng)年綜合成本達到低點。

具體而言，若分界點設定得過于偏小，電池的充放電指令中將摻雜過多高頻成分，這不僅提升了電池的初期投資成本，還可能縮短其使用壽命。相反，若分界點設置得過大，*級電容則需承擔過多低頻波動，同樣會增加其初始投資成本。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，當N值小于4時，電池需應對更多高頻波動，導致所需額定功率和容量較高。隨著N值的遞增，高頻波動得到有效轉(zhuǎn)移至*級電容進行平抑，從而使得電池的容量需求逐漸下降。然而，當N值超過4后，*級電容開始承擔更多低頻波動，迫使其額定功率和容量需求上升。綜合考慮，選擇N=4作為*優(yōu)配置點，具體優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

4.3優(yōu)化結(jié)果分析

.       成本分析

經(jīng)驗模態(tài)分解（EmpiricalModeDecomposition,EMD）是一種自我適應的非線性，非平穩(wěn)時間序列分析方法，它通過局部極值點找出信號內(nèi)在振蕩模式，適合處理復雜動態(tài)行內(nèi)和非線性分布。變分模態(tài)分解(VMD)是一個耗時較少的信號處理方法可以從觀測數(shù)據(jù)中識別并分離出固定譜寬的固有模式函數(shù)，并能避免EMD中模態(tài)混疊的問題。

本文旨在探討VMD相較于EMD在混合能源儲存系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢，為此，本文深入分析了四種不同的配置方案

方案1:采用單一*級電容作為能源儲存系統(tǒng)，其特點在于高功率密度但成本高昂

方案I:選用單一電池作為能源儲存系統(tǒng)，電池容量雖大，但成本效益與*級電容相比有所不同。

方案Ш:基于EMD技術的混合能源儲存系統(tǒng)，旨在結(jié)合多種儲能介質(zhì)的優(yōu)點，但受限于EMD的模態(tài)混疊問題。

方案IV:基于VMD技術的混合能源儲存系統(tǒng)，通過VMD有效解決了模態(tài)混疊和相似頻率模態(tài)難以分離的問題，實現(xiàn)了更優(yōu)化的儲能配置。

根據(jù)前文公式計算得出的配置結(jié)果，方案Ⅱ中的電池容量顯著高于方案I中的*級電容容量，然而，*級電容的單位容量初始投資成本遠高于電池，使得方案I在經(jīng)濟性上處于劣勢。進一步對比方案Ш與方案IV,基于VMD的混合能源儲存系統(tǒng)(方案IV)在配置結(jié)果上顯著優(yōu)于基于EMD的系統(tǒng)(方案II)，這主要歸功于VMD在信號處理上的優(yōu)勢，有效降低了系統(tǒng)的額定容量和額定功率，進而減少了年度綜合成本。具體而言，VMD相較于EMD在成本上實現(xiàn)了15.9%的降低。

綜上所述，混合能源儲存系統(tǒng)相較于單一能源儲存系統(tǒng)展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，而VMD技術則以其優(yōu)勢超越了EMD不僅在經(jīng)濟性上有所提升，還通過減少不必要的充放電循環(huán)延長了電池的使用壽命。因此，方案IV--基于VMD的混合能源儲存系統(tǒng)，被推薦為風光互補微電網(wǎng)能源儲存配置的*優(yōu)方案。

電池和SOC是其安全穩(wěn)定運行的關鍵指標。通過分別比較EMD和VMD的SOC，可以證明所提出模型的可行性。兩種算法的SOCbat(t)趨勢基本一致且相對平坦。電池作為一種能量型儲能組件，電池主要用于平滑低頻波動。SOCsc(t)趨勢明顯。*級電容作為一種功率型儲能組件，*級電容主要用平滑高頻波動。基于EMD的SOCsc(t)比基于VMD的更平坦。這是由于EMD的模態(tài)混疊，導致低頻imf與高頻imf混合，使得*級電容可能持續(xù)充電和放電。此外，使用EMD時SOCsc(t)會跨越SOC限制，而VMD可以有效避免此問題。

5.Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統(tǒng)

5.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對工商業(yè)儲能柜、儲能集裝箱研發(fā)的一款儲能EMS，具有完善的儲能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲能系統(tǒng)設備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細信息,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表等功能。在高級應用上支持能量調(diào)度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

5.2系統(tǒng)結(jié)構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內(nèi)部的設備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構如下：

5.3系統(tǒng)功能

5.3.1實時監(jiān)測

系統(tǒng)人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

5.3.2設備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機等設備的運行狀態(tài)及運行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲能變流器的參數(shù)與限值設置；運行模式設置；實現(xiàn)儲能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設置；實現(xiàn)儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測；實現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測，可根據(jù)設置的閾值進行空調(diào)溫度的聯(lián)動調(diào)節(jié)，并實時監(jiān)測空調(diào)的運行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運行狀態(tài)及相關電參量監(jiān)測。

5.3.3曲線報表

系統(tǒng)能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

4.5.3.4策略配置

滿足儲能系統(tǒng)設備參數(shù)的配置、電價參數(shù)與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

5.3.5實時報警

儲能能量管理系統(tǒng)具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)δ艹浞烹娫较?、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

5.3.6事件查詢統(tǒng)計

儲能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和報警進行歷史追溯，查詢統(tǒng)計、事故分析。

5.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調(diào)控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態(tài)。

5.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經(jīng)授權的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫修改等）?？梢远x不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

6.相關平臺部署硬件選型清單

7.結(jié)束語

本文對微電網(wǎng)中的混合儲能系統(tǒng)進行了深入探討。首先，基于微電網(wǎng)的結(jié)構，對各個組件的功率流動進行了精確建模，并闡述了混合儲能系統(tǒng)在平衡源荷功率方面的重要作用。為此，本文引入了一種基于變分模態(tài)分解(VMD)的方法，該方法能夠?qū)⒃春晒β什黄胶夥纸鉃椴煌l率的本征模態(tài)函數(shù)。通過以源荷功率不平衡的高頻和低頻分界點為優(yōu)化變量，并以混合儲能系統(tǒng)的年度總成本*小化為優(yōu)化目標，建立了混合儲能系統(tǒng)的*優(yōu)配置模型。這一模型使得電池主要應對低頻波動，而*級電容則應對高頻波動，從而合理地分配了電池和*級電容的負荷，降低了各個組件的額定容量和額定功率。

案例研究表明，本文所提出的方法能夠準確確定*優(yōu)的分解模態(tài)數(shù)量，并在此基礎上找到混合儲能系統(tǒng)的最佳頻率分界點。與其他方法相比，基于VMD的混合儲能系統(tǒng)*面考慮了系統(tǒng)的初步投資成本、運行維護成本和更換成本，以實現(xiàn)系統(tǒng)年度總成本的*小化。這不僅降低了系統(tǒng)的年度綜合成本還有效延長了電池的使用壽命。具體來說混合儲能系統(tǒng)中電池的使用壽命比單一儲能電池高出124%，而混合儲能系統(tǒng)的年綜合成本則比單一儲能*級電容低31%，比單儲能電池低22%。此外，該方法還能有效平滑源荷功率不平衡的低頻波動，解決經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)存在的模態(tài)混疊和狀態(tài)of-charge(soc)限制越界問題，從而顯著提升電能質(zhì)量。

本文為風光互補孤島直流微電網(wǎng)提供了一種創(chuàng)新的儲能配置思路。所提出的模型和方法不僅取得了顯著的經(jīng)濟效益，還克服了以往配置方法的局限性，有望進一步推動混合儲能系統(tǒng)在微網(wǎng)優(yōu)化和電能質(zhì)量提升中的應用。研究的不足之處和下一步工作是根據(jù)實際應用情況對模型進行優(yōu)化和改進，使其在微網(wǎng)的優(yōu)化和運行中取得更好的效果。

參考文獻

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