鄭 浩 謝麗蓉 葉 林 路 朋 王凱豐,3

（1. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)光儲分室（新疆大學(xué)） 烏魯木齊 830047 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 北京 100083 3. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)） 北京 100084）

0 引言

隨著全球面臨能源枯竭危機(jī)，新能源發(fā)展迫在眉睫，以光伏為代表的新型清潔能源正逐步得到發(fā)展。然而，光伏發(fā)電因其不確定性、隨機(jī)性、波動性的特點(diǎn)，在大規(guī)模光伏并網(wǎng)中嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給電網(wǎng)的電能品質(zhì)和穩(wěn)定性帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。利用儲能技術(shù)充/放電能夠靈活調(diào)節(jié)功率不平衡的特點(diǎn)，平滑光伏出力波動，是有效降低光伏功率波動對電網(wǎng)的沖擊、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要手段[3-4]，運(yùn)用混合儲能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage System, HESS）平滑光伏出力波動是眾多研究的熱點(diǎn)之一[5-6]。

在混合儲能有功功率分配方面，文獻(xiàn)[7-8]基于小波包分解提出了混合儲能功率分配策略，通過小波包分解將功率信號分解為高、中、低頻三部分，并進(jìn)行功率重構(gòu)得到最佳分配效果；文獻(xiàn)[9]提出利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）實(shí)現(xiàn)有功功率的分配，但EMD 分解過程中噪聲較大，容易產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象；文獻(xiàn)[10-11]提出了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Ensemble EMD, EEMD）實(shí)現(xiàn)有功功率的分解，借助時(shí)空濾波器得到高頻和低頻功率，但由于光伏功率信號具有不穩(wěn)定性和非線性特征，時(shí)空濾波器濾波階數(shù)不能準(zhǔn)確確定，且EEMD 分解噪聲大，使得功率信號提取不準(zhǔn)確；文獻(xiàn)[12]提出一種分層模型預(yù)測控制動態(tài)有功功率分配策略，得到了較好的分配效果。在光伏混合儲能平滑出力波動控制策略方面，文獻(xiàn)[13]考慮多種約束條件，通過確定一階低通濾波截止頻率，得到儲能系統(tǒng)的充/放電補(bǔ)償功率，實(shí)現(xiàn)了較好的平滑出力波動效果；文獻(xiàn)[14]提出一種光伏最大功率跟蹤工作點(diǎn)控制和混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)平抑光伏并網(wǎng)功率波動策略；文獻(xiàn)[15]利用模型預(yù)測控制提高光伏出力預(yù)測精度來獲得最佳儲能參考功率，降低了出力波動；文獻(xiàn)[16-17]提出利用模糊控制算法平滑風(fēng)電出力波動，得到了較好的平滑效果。但上述文獻(xiàn)在平滑出力波動過程中只考慮了以波動動率為整體目標(biāo)的單一評價(jià)指標(biāo)，在降低波動率的同時(shí)，并未對有功功率波動曲線局部的光滑度作進(jìn)一步分析。

針對上述問題，本文提出一種考慮光伏雙評價(jià)指標(biāo)的混合儲能平滑出力波動控制策略。通過將集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程中的異常信號再進(jìn)行EMD 分解，去除偽分量得到最終的模態(tài)分量；基于灰色關(guān)聯(lián)度對分解分量進(jìn)行功率重構(gòu)，得到超級電容和蓄電池各自的平滑出力波動指令；根據(jù)不同時(shí)間尺度以波動率和光滑度為平滑出力波動目標(biāo)的雙評價(jià)指標(biāo)，以滑動平均濾波為充/放電功率指令，以蓄電池和超級電容器組成的混合儲能電池組進(jìn)行5min 時(shí)間尺度的平滑出力波動和以超級電容器組成的單一電池組進(jìn)行1min 時(shí)間尺度的平順光滑度，平順光滑度跟隨平滑出力波動，進(jìn)行光伏平滑出力波動的協(xié)調(diào)控制；通過算例對EMD、EEMD、互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Complementary EEMD, CEEMD）、自適應(yīng)加噪的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Complete EEMD with Adaptive Noise, CEEMDAN）多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的充/放電功率進(jìn)行對比及不同評價(jià)指標(biāo)波動效果驗(yàn)證，結(jié)果表明所提策略有效。

1 考慮光伏雙評價(jià)指標(biāo)的混合儲能平滑出力波動控制策略總體思路

考慮光伏雙評價(jià)指標(biāo)的混合儲能平滑出力波動控制策略總體框圖如圖1 所示。由圖1 可知，本文將總體思路分為四部分：第一部分根據(jù)光伏有功功率波動特性，根據(jù)不同時(shí)間尺度建立以波動率和光滑度為平滑出力波動目標(biāo)的雙評價(jià)指標(biāo)；第二部分進(jìn)行光伏混合儲能的有功功率分配，主要包括基于MEEMD 有功功率信號分解和灰色關(guān)聯(lián)度有功功率重構(gòu)兩個(gè)模塊；第三部分對光伏混合儲能的充/放電控制策略作進(jìn)一步闡述，包括以滑動平均濾波得到充/放電目標(biāo)參考功率，以蓄電池和超級電容器組成的混合儲能電池組進(jìn)行5min 時(shí)間尺度的出力波動的平滑，以超級電容器組成的單一電池組進(jìn)行1min時(shí)間尺度的平順光滑度的充/放電控制策略；第四部分為算例仿真部分，主要對比分析了MEEMD 與多種功率分解方法（EMD、EEMD、CEEMD、CEEMDAN、VMD、小波包）在充/放電頻次和最大充/放電功率方面的優(yōu)勢，以及雙重評價(jià)指標(biāo)與單一評價(jià)指標(biāo)相比在平滑出力波動效果的優(yōu)勢。

圖1 考慮光伏雙評價(jià)指標(biāo)的混合儲能平滑出力波動控制策略總體框圖Fig.1 Overall block diagram of a hybrid energy storage smoothing output fluctuation control strategy considering photovoltaic dual evaluation indicators

2 構(gòu)建不同時(shí)間尺度平滑出力波動評價(jià)指標(biāo)

本文以光伏有功功率波動率和光滑度為共同研究對象，組成5min 時(shí)間尺度以波動率為評價(jià)指標(biāo)和1min 時(shí)間尺度以光滑度為評價(jià)指標(biāo)的目標(biāo)策略，根據(jù)時(shí)間尺度平滑不同儲能系統(tǒng)的出力波動。國家電網(wǎng)光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[18]，光伏安全并網(wǎng)，光伏有功功率變化1 min 不超出裝機(jī)容量的±10%，而更加平滑的功率曲線能夠提高光伏并網(wǎng)穩(wěn)定性。

2.1 建立5min 時(shí)間尺度平滑出力波動評價(jià)指標(biāo)

光伏有功功率波動率的定義為：在一段時(shí)間T內(nèi)，光伏有功功率最大值減去最小值后與光伏電站額定功率的比值，光伏有功功率波動率表達(dá)式為[19-20]

其中

式中，rpv為光伏有功功率波動率；fpv(·)為計(jì)算光伏有功功率波動率的函數(shù)；Ppv-max、Ppv-min分別為T時(shí)段內(nèi)光伏有功功率的最大值和最小值；Ppv-rated為光伏電站額定功率；Ppv(t) 為t時(shí)刻光伏有功功率；Δt為采樣時(shí)間。

2.2 建立1min 時(shí)間尺度平順光滑度評價(jià)指標(biāo)

反映光伏有功功率光滑度的標(biāo)準(zhǔn)是噪聲的大小，噪聲越小，曲線光滑度越好；反之噪聲越大，光滑度越差。本文采用多尺度排列熵方法對光伏有功功率的噪聲大小進(jìn)行分析，具體步驟如下。

（1）首先對光伏有功功率時(shí)間序列進(jìn)行粗?；?，即

式中，P s(j) 為光伏有功功率多尺度時(shí)間序列；s為尺度因子；iP為長度為N的光伏有功功率時(shí)間序列；

（2）對光伏有功功率多尺度時(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu)，即

式中，Ps為光伏有功功率多尺度時(shí)間序列重構(gòu)矩陣；b為嵌入維數(shù)；τ為時(shí)間延遲；

（3）對重構(gòu)矩陣sP的某一行時(shí)間重構(gòu)序列進(jìn)行升序排列，得到

（5）最終得到光伏有功功率的多尺度時(shí)間序列下的排列熵為

3 基于MEEMD 混合儲能光伏有功功率分配

3.1 基于MEEMD 混合儲能光伏有功功率分解

改進(jìn)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（MEEMD）能夠有效解決經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）過程中產(chǎn)生的模態(tài)混疊現(xiàn)象和集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）過程中計(jì)算量大、存在較多偽分量的問題[21]。光伏有功功率作為一種非線性、非平穩(wěn)性的信號，采用MEEMD 進(jìn)行分解，具體分解步驟如下。

（1）向光伏有功功率Ppv(t)中加入兩組均值為0的正、負(fù)白噪聲Pm(t)和-Pm(t)，并進(jìn)行EEMD 分解，得到第一階IMF 分量，即

式中，Pm(t)為光伏有功功率添加的白噪聲，m=1,2,3,…,Ne，Ne為添加的白噪聲的對數(shù)；am為的白噪聲幅值；Pimf-z(t)為第z個(gè)IMF 分量。

（2）將得到的分量進(jìn)行集成平均后，再進(jìn)行多尺度排列熵分析，將異常信號定義為預(yù)分解IMF 分量，對預(yù)分解IMF 分量進(jìn)行EMD 分解，得到

式中，Pimf-x1(t)為異常IMF 分量Pimf-z(t)經(jīng)EMD 分解后的第一個(gè)IMF 分量；Pimf-g1(t)為剩余IMF 分量的疊加；Pimf-xk(t)為Pimf-z(t)經(jīng) EMD 分解后的第k個(gè)IMF 分量；Pimf-gk(t)為相應(yīng)剩余容量的疊加。

（3）分解完成后，得到最終的MEEMD 分解結(jié)果，即

式中，Pimf-u(t)為經(jīng)MEEMD 分解后的各階IMF 分量；t=1,2,3, …,u；Pr(t)為余波分量。

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度分析光伏混合儲能有功功率重構(gòu)

由于光伏出力具有非線性和不確定的特征，采用時(shí)空濾波器構(gòu)造的濾波階次難以準(zhǔn)確確定，可能存在功率混疊的情況，不能精確地提取光伏功率經(jīng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后各分量的信號特征，而灰色關(guān)聯(lián)度分析的優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡單和計(jì)算量小，能夠適用于光伏有功功率等非線性信號。光伏有功功率經(jīng)MEEMD 分解去除偽分量后得到最終的各階功率信號IMF 分量和余波分量，利用灰色關(guān)聯(lián)分析對各階功率信號IMF 分量和余波分量進(jìn)行重構(gòu)，得到高頻和低頻兩部分，其中高頻功率波動分量由超級電容平滑出力，低頻功率波動分量由蓄電池平滑出力?？紤]各分量之間的波動頻率，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析各階分量的關(guān)聯(lián)度值，將關(guān)聯(lián)度值相近的分量重構(gòu)為高頻組和低頻組，灰色關(guān)聯(lián)度分析步驟如下。

（1）確定各階分量的目標(biāo)序列和比較序列，計(jì)算目標(biāo)序列和比較序列之間的灰色關(guān)聯(lián)度為

式中，ξP(x)為關(guān)聯(lián)系數(shù)；Pmb-e(x)為目標(biāo)序列；Pbj-f(x)為比較序列；ρ為灰色分辨系數(shù)，一般取值為0.5；

（2）將求得的關(guān)聯(lián)系數(shù)值代入關(guān)聯(lián)度公式得到各比較序列與目標(biāo)序列的關(guān)聯(lián)度，即

式中，rhs為關(guān)聯(lián)度；ω(k)為權(quán)重。

（3）根據(jù)各序列的關(guān)聯(lián)度值對IMF 各分量和余波分量進(jìn)行重構(gòu)，將比較序列與目標(biāo)序列關(guān)聯(lián)度相近的分為高頻和低頻分量，得到最終的高頻和低頻平滑出力功率指令，高頻平滑出力功率指令為

式中，Phigh(t) 為高頻平滑出力功率指令。

低頻平滑出力功率指令為

式中，Plow(t) 為低頻平滑出力功率指令。

光伏混合儲能功率分配流程如圖2 所示。

4 制定光伏雙評價(jià)指標(biāo)的混合儲能控制策略

本文選用以蓄電池為代表的能量型儲能和以超級電容為代表的功率型儲能作為混合主儲能[22-23]，提出不同時(shí)間尺度的平滑出力波動策略，用蓄電池和超級電容器組成的混合儲能電池組以5min 時(shí)間尺度對出力波動進(jìn)行平滑，用超級電容器組成的單一電池組以1min 時(shí)間尺度進(jìn)行光滑度平順處理，平順光滑度跟隨平滑出力波動，得到不同時(shí)間尺度的儲能系統(tǒng)優(yōu)先級平滑出力波動策略。

圖2 光伏混合儲能有功功率分配流程Fig.2 Flow chart of active power distribution of photovoltaichybrid energy storage

4.1 選取混合儲能充/放電目標(biāo)參考功率

滑動平均濾波法（Moving Average Filter, MAF）是基于數(shù)據(jù)窗概念，在連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)隊(duì)列中將每次采樣得到的新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾，并去掉原來隊(duì)首的數(shù)據(jù)，將隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)曲線的平滑，滑動平均濾波計(jì)算公式為

式中，Pref(t) 為t時(shí)刻滑動平均濾波目標(biāo)參考功率；N為數(shù)據(jù)窗口長度；w=0,1,2,…,N? 1。

超級電容的充/放電功率指令為

式中，Psc(t) 為t時(shí)刻超級電容充/放電功率指令。Psc(t) 0＞ ，超級電容充電；Psc(t) 0＜ ，超級電容放電。

蓄電池的充/放電功率指令為

式中，Pb(t) 為t時(shí)刻超級電容充/放電功率指令。Pb(t) 0＞ ，蓄電池充電；Pb(t) 0＜，蓄電池放電。

4.2 制定不同時(shí)間尺度混合儲能優(yōu)先級控制策略

將光伏有功功率按時(shí)間單位分為5min 和1min，5min 可以反映光伏輸出功率整體的波動趨勢，1min可以反映光伏輸出功率的光滑度。本文采用5min 以波動率為評價(jià)指標(biāo)，使用超級電容和蓄電池為代表的混合儲能電池組進(jìn)行充/放電控制策略，采用1min 以光滑度為評價(jià)指標(biāo)，使用超級電容器為代表的單一儲能進(jìn)行充/放電控制策略，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度的儲能系統(tǒng)優(yōu)先級充/放電控制策略，控制策略具體如下。

（1）以光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為目標(biāo)，判斷光伏有功功率是否滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，即

式中，Pch(t) 為1min 光伏有功功率變化值；Pmax(t)為1min 最大有功功率值；Pmin(t) 為1min 最小有功功率值；Cpv為光伏總裝機(jī)容量。

（2）光伏有功功率滿足光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，蓄電池儲能電池組處于停機(jī)狀態(tài)，超級電容電池組進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)行1min 時(shí)間尺度的平順光滑度處理，表達(dá)式為

式中，Po(t) 為光伏有功功率光滑度曲線；L為光伏輸出并網(wǎng)功率時(shí)間總長度。若超級電容充電；，超級電容放電。

（3）光伏有功功率超出并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，進(jìn)入平抑波動區(qū)域，蓄電池和超級電容電池組進(jìn)入工作狀態(tài)，以5min 時(shí)間尺度進(jìn)行出力波動平滑處理，平順光滑度跟隨平滑出力波動，出力波動平滑處理后以1min 時(shí)間尺度進(jìn)行光滑度平順處理。主儲能表達(dá)式為

式中，Phess(t) 為混合儲能系統(tǒng)充放電功率。，混合儲能充電；，混合儲能放電。

（4）為防止儲能系統(tǒng)在工作過程中可能存在過充過放的狀態(tài)，需要對超級電容和蓄電池的SOC 進(jìn)行約束，約束條件為

式中，SOCsc(t)、SOCb(t)分別為超級電容和蓄電池在t時(shí)刻的荷電狀態(tài)；SOCsc-min(t)、SOCb-min(t)分別為超級電容和蓄電池在t時(shí)刻的荷電狀態(tài)最小允許范圍；SOCsc-max(t)、SOCb-max(t)分別為超級電容和蓄電池在t時(shí)刻的荷電狀態(tài)最大允許范圍。

混合儲能優(yōu)先級充/放電控制策略流程如圖 3所示。

圖3 光伏混合儲能優(yōu)先級充/放電控制策略Fig.3 Photovoltaic hybrid energy storage charge/discharge control strategy

5 算例分析

為驗(yàn)證本文所提方法的優(yōu)勢，通過與多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法在充/放電功率頻次和以波動率為單一評價(jià)指標(biāo)的傳統(tǒng)混合儲能平滑出力波動效果進(jìn)行比較，并以新疆某光伏電站某典型日數(shù)據(jù)為例，光伏有功功率數(shù)據(jù)如圖4 所示，裝機(jī)容量為20MW，采樣間隔為5min，基于Matlab 進(jìn)行算例分析。由超級電容和蓄電池組成的混合儲能為主儲能系統(tǒng)進(jìn)行min級的出力波動平滑處理，額定功率/額定容量為2MW/20MW·h，由超級電容器為輔助儲能進(jìn)行s 級的光滑度平順處理，額定功率/額定容量為0.4MW/4MW·h。

圖4 光伏有功功率數(shù)據(jù)Fig.4 Photovoltaic active power data

5.1 光伏混合儲能有功功率分配分析

光伏有功功率作為一種非線性、非平穩(wěn)性的信號，在信號分解過程中容易產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象并存在計(jì)算量大的問題，因此本文采用改進(jìn)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法（MEEMD）對光伏有功功率進(jìn)行分解，光伏有功功率進(jìn)行MEEMD 分解后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 光伏有功功率MEEMD 分解Fig.5 MEEMD decomposition of PV active power

由圖5 可知，對光伏有功功率進(jìn)行MEEMD分解后，共得到4 個(gè)IMF 分量和1 個(gè)余波分量R，由高頻到低頻分解較為清晰，而且在分解過程中分解較為準(zhǔn)確，不會產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象，計(jì)算速度也有所提高。對MEEMD 分解后的各分量基于灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行功率重構(gòu)，功率重構(gòu)結(jié)果如圖 6所示。

圖6 各分量灰色關(guān)聯(lián)度分析Fig.6 Grey relational degree of each component

由圖6 可知，比較序列中關(guān)聯(lián)度相近的分量有IMF1 和IMF2，關(guān)聯(lián)度系數(shù)都大于0.2，另一組關(guān)聯(lián)度相近的有IMF3、IMF4 和R，關(guān)聯(lián)度系數(shù)都小于0.1。因此組成的高頻分量為IMF1+IMF2，低頻分量為IMF3+IMF4+R。

5.2 5min 時(shí)間尺度平滑出力波動分析

5.2.1 5min 時(shí)間尺度充/放電功率分析

基于MEEMD 對光伏有功功率重構(gòu)后的高頻部分和低頻部分進(jìn)行滑動平均濾波，分別得到超級電容平抑高頻和蓄電池平抑低頻的充/放電目標(biāo)參考功率指令，如圖7 所示。一般地，N越大，曲線越平滑，出力波動的平滑效果越好，但相應(yīng)的儲能容量也會增加。以光伏有功功率變化1 min 時(shí)間尺度不超出裝機(jī)容量的 ±10% 為目標(biāo)，進(jìn)行N的選取。數(shù)據(jù)窗口的選取見表1，N為10 時(shí)，光伏最大有功功率變化為1.97MW，符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.2 多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解充/放電功率對比

為體現(xiàn)基于MEEMD 信號分解的優(yōu)勢，本文通過多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法與 MEEMD 分解進(jìn)行對比，分別為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EEMD）、互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMD）自適應(yīng)噪聲集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（CEEMDAN），多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程如附錄附圖1 所示，各分解分量排列熵值大小分布如附錄附圖2 所示。由附圖1 和附圖2 可知，MEEMD、EMD、EEMD、CEEMD CEEMDAN 分解分量的個(gè)數(shù)分別為5、6、8、8、8個(gè)，而且MEEMD 每個(gè)分解分量的排列熵值均未超過0.55，不需要進(jìn)行二次分解，計(jì)算時(shí)間較短，而EMD、EEMD、CEEMD、CEEMDAN 都需要進(jìn)行二、、次分解，計(jì)算時(shí)間較長，所以無論是分解分量個(gè)數(shù)還是計(jì)算時(shí)間，MEEMD 分解相較于多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，均具有較好的優(yōu)越性。

圖7 高低頻功率滑動平均濾波Fig.7 Sliding average filtering of high and low frequency power

表1 數(shù)據(jù)窗口的選取Tab.1 Selection of data window

多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解充/放電功率對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解充/放電功率對比Fig. 8 Comparison of charge/discharge power of variouempirical modes decomposition

由圖8 可知，在主儲能系統(tǒng)充/放電功率頻次上，基于MEEMD 分解高頻充/放電共計(jì)25 次，低頻充/放電共計(jì)9 次；基于EMD 分解高頻充/放電共計(jì)50次，低頻充/放電共計(jì)18 次；基于EEMD 分解高頻充/放電共計(jì)61 次，低頻充/放電共計(jì)31 次；基于CEEMD 分解高頻充/放電共計(jì)46 次，低頻充/放電共計(jì)22 次；基于CEEMDAN 分解高頻充/放電共計(jì)55 次，低頻充/放電共計(jì)28 次；無論是高頻超級電容還是低頻蓄電池，基于MEEMD 分解的充/放電次數(shù)是最少的，其次是EMD、CEEMD、CEEMDAN 和EEMD，而充/放電次數(shù)的減少有利于延長儲能系統(tǒng)使用壽命。在充/放電最大功率上，基于MEEMD 分解最大充/放電功率為1.99MW，最大充/放電功率也是最低的，其次為 EEMD（2.85MW）、EMD（2.96MW）、CEEMDAN（3.75MW）和 CEEMD（6.37MW）。

為了證明基于MEEMD 與其他經(jīng)典算法相比在充放電功率上的優(yōu)越性，本文分別對比了基于MEEMD 與小波包分解和變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition, VMD）在充放電功率方面的優(yōu)越性，充放電功率對比如圖9 所示。

圖9 MEEMD、VMD、小波包充/放電功率對比Fig.9 Charging/discharging power comparison of MEEMD, VMD and wavelet packet

由圖9 可知，雖然VMD 在高頻充/放電的次數(shù)是最少的，為13 次，但在低頻由超級電容器補(bǔ)償?shù)某?放電功率需要的儲能容量較大，不利于經(jīng)濟(jì)性。而小波包分解在充/放電功率方面，無論是低頻還是高頻，其充/放電次數(shù)都要高于基于MEEMD 的充/放電功率，綜合比較后，基于MEEMD 的充/放電功率要優(yōu)于其他兩種。

5.3 1min 時(shí)間尺度平順光滑度分析

由超級電容作為單一電池組，主要跟隨5min 時(shí)間尺度平滑出力波動后的1min 時(shí)間尺度平順光滑度，超級電容電池組充/放電功率如圖10 所示。

圖10 輔助儲能系統(tǒng)充/放電功率Fig.10 Charge/discharge power of the auxiliary energy storage system

由圖10 可知，超級電容、電池組在充/放電過程中其充/放電范圍較為廣泛，光伏出力時(shí)間段都為超級電容工作區(qū)間，是因?yàn)楣夥泄β试跐M足并網(wǎng)波動要求的同時(shí)，同樣會對光伏有功功率的光滑度進(jìn)行平滑。而且超級電容其充/放電頻次較為頻繁，總共進(jìn)行了54 次，最大充/放電功率同樣較小，最大充/放電功率僅有0.57MW，是因?yàn)椴捎贸夒娙萜鬟M(jìn)行平滑光伏有功功率中波動比較小、且波動較為頻繁的功率，符合超級電容本身容量小、快速充/放電的特性。

為體現(xiàn)提出的基于波動率和光滑度為雙重評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行平滑出力波動的優(yōu)勢，本文分別對以波動率為單一評價(jià)指標(biāo)和以波動率、光滑度為雙重評價(jià)指標(biāo)的平滑出力波動效果進(jìn)行多尺度排列熵值噪聲對比分析，分析結(jié)果見表2。

表2 光滑度噪聲分析Tab.2 Smooth noise analysis

由表2 可知，雙評價(jià)指標(biāo)平滑出力波動信號相比于單評價(jià)指標(biāo)平滑出力波動信號，排列熵值是最小的，為0.388 3。排列熵值越小，代表噪聲越小，其光滑度越好，得到最終的平滑出力波動效果如圖11 所示。

圖11 光伏平滑出力波動效果Fig.11 Photovoltaic smooth output fluctuation effect

由圖11 可知，從整體評價(jià)來看，光伏有功功率波動發(fā)生了較大變化，波動率由原始有功功率的0.42 降低至平滑出力波動后的0.12，其1min 最大有功功率變化也縮小到1.97MW，滿足并網(wǎng)要求。從局部評價(jià)來看，由局部放大圖可以清晰表達(dá)，單一評價(jià)指標(biāo)平滑出力波動后的有功功率存在小幅度的、較為頻繁的功率波動，容易影響光伏并網(wǎng)的穩(wěn)定性；加入光滑度評價(jià)指標(biāo)后，曲線的光滑度得到了較大提升，在滿足并網(wǎng)波動要求的同時(shí)，提高了并網(wǎng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

本文提出了一種考慮光伏雙評價(jià)指標(biāo)的混合儲能平滑出力波動控制策略，基于該策略既減少了充/放電頻次，延長了使用壽命，又實(shí)現(xiàn)了較好的平滑出力波動效果，主要內(nèi)容如下：

1）根據(jù)光伏有功功率波動特性建立波動率和光滑度為平滑出力波動目標(biāo)的雙評價(jià)指標(biāo)，基于MEEMD 信號分解和灰色關(guān)聯(lián)度功率重構(gòu)，得到了較好的高、低頻功率分配效果。

2）采用5min 時(shí)間尺度平滑出力波動和1min時(shí)間尺度平順光滑度相結(jié)合的形式，平順光滑度跟隨平滑出力波動進(jìn)行優(yōu)先級控制，最終波動率由 0.42 降低到0.12，光滑度噪聲排列熵值由0.511 2 減小到0.388 3，達(dá)到了較好的平滑出力波動效果。

附 錄

附圖1 多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解App. Fig. 1 Multiple empirical modal decomposition

附圖2 多種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解各分量排列熵值分布App.Fig.2 Empirical mode decomposition entropy distribution of each component