顏晨煜，樊艷芳

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

近年來(lái)，光伏發(fā)電憑借其清潔無(wú)污染、可持續(xù)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用[1]，[2]，但光伏出力具有一定的間歇性和隨機(jī)性，若直接將其并網(wǎng)，將會(huì)給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[3]。 如何有效平抑光伏出力的波動(dòng)成為光伏電站大規(guī)模發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。

目前，學(xué)者們大多通過(guò)選取合理、有效的信號(hào)分析方法對(duì)原始出力進(jìn)行分析，并利用儲(chǔ)能技術(shù)協(xié)同改善光伏發(fā)電的電能品質(zhì)，達(dá)到提高光伏并網(wǎng)可靠性的目的。 文獻(xiàn)[4]利用低通濾波算法，并依據(jù)儲(chǔ)能元件荷電狀態(tài) （State of Charge，SOC）對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行了分層優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了功率波動(dòng)的平抑以及儲(chǔ)能元件的合理工作，但濾波時(shí)間常數(shù)難以準(zhǔn)確控制，適用性較差。 文獻(xiàn)[5]結(jié)合聚類經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法和模糊控制法，確定了各儲(chǔ)能元件的功率分配，有效消除了聚類經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解存在的模態(tài)混疊現(xiàn)象，但未充分考慮并網(wǎng)波動(dòng)約束條件，且該分析算法存在頻譜剖分效果不理想等問(wèn)題。上述研究成果主要著眼于功率信號(hào)分析方法的選取，于是建立合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)、確定有效的控制策略就顯得尤為重要。

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的時(shí)空平移，且具有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、快速響應(yīng)等能力，因此被認(rèn)為是抵消高滲透光伏發(fā)電負(fù)面影響的有效手段[6]～[8]。文獻(xiàn)[9]將電動(dòng)汽車作為儲(chǔ)能元件，通過(guò)有序的充、放電達(dá)到平抑光伏功率波動(dòng)的目的，但該方法忽略了電動(dòng)汽車用戶的個(gè)性化充電需求。 文獻(xiàn)[10]利用氫儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑可再生能源的波動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)無(wú)污染物排放，但控制難度較大，工藝過(guò)程也較復(fù)雜。 文獻(xiàn)[11]選用蓄電池與超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將不同的響應(yīng)時(shí)間特性作為功率的劃分依據(jù)，利用模糊控制原理保證儲(chǔ)能元件工作在合理的區(qū)間內(nèi)。 文獻(xiàn)[12]對(duì)光伏出力的幅頻特性進(jìn)行分析，通過(guò)統(tǒng)計(jì)正負(fù)變換次數(shù)實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的功率分配。 文獻(xiàn)[13]，[14]利用雙級(jí)鋰電池與超級(jí)電容組成多元儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中，超級(jí)電容能夠吸收光伏功率波動(dòng)中的高頻分量，但是對(duì)于雙電池系統(tǒng)所具有的可減小儲(chǔ)能元件損耗、提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，該多元儲(chǔ)能系統(tǒng)未能充分利用。

綜上可知，雖然學(xué)者們對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的功率的劃分符合儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，但未充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，導(dǎo)致分析結(jié)果的精度較低，且模糊控制過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的選擇大都基于經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論依據(jù)，一些錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn)會(huì)降低系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果的精度。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，利用不同典型場(chǎng)景下光伏出力的波動(dòng)特性，結(jié)合并網(wǎng)限制的要求，對(duì)光伏出力信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，確定并網(wǎng)目標(biāo)功率和儲(chǔ)能需求功率，并利用閾值補(bǔ)償方法縮短計(jì)算時(shí)間。 為了減少儲(chǔ)能消納的能量波動(dòng)頻率，提高儲(chǔ)能元件的運(yùn)行壽命，在標(biāo)準(zhǔn)充、放電深度限制下，提出充、放電過(guò)程互補(bǔ)的雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同控制策略，能夠有效平抑光伏出力波動(dòng)，同時(shí)減小儲(chǔ)能元件的損耗，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 研究結(jié)果對(duì)光伏電站大規(guī)模并網(wǎng)的發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 變分模態(tài)分解在平抑光伏出力波動(dòng)中的應(yīng)用

1.1 變分模態(tài)分解

變分模態(tài)分解（Variational Mode Decomposition，VMD）是一種新型信號(hào)分析算法。 其本質(zhì)是對(duì)約束變分問(wèn)題進(jìn)行建模與求解，通過(guò)預(yù)設(shè)分解尺度K，將原本復(fù)雜的輸入信號(hào)f（t）分解成K 個(gè)有限帶寬的本征模態(tài)函數(shù)xk（t），且這些子模態(tài)函數(shù)xk（t）中絕大部分緊緊圍繞在其所對(duì)應(yīng)的中心頻率 ωk（t）周圍。

由于VMD 具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，魯棒性良好，并且在相似子模態(tài)信號(hào)的分離與重構(gòu)方面具有優(yōu)良的性能，因此本文著重介紹變分問(wèn)題的構(gòu)造與求解。 VMD 的計(jì)算流程等詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

含約束條件變分問(wèn)題的模型表達(dá)式為

式中：f（t）為輸入信號(hào)；t 為時(shí)間；xk（t）為諧波信號(hào)，該諧波信號(hào)的幅值為 Ak（t）、瞬時(shí)頻率為 ωk（t）；{xk}為所有子模態(tài)的集合，{xk}={x1，x2，…，xK}；k為1 到K 之間的正整數(shù)；ωk為各子模態(tài)相應(yīng)的中心頻率，{ωk}={ω1，ω2，…，ωK}；δ（t）為脈沖函數(shù)。

為了解決上述變分問(wèn)題，本文引入懲罰因子α 和拉格朗日乘子λ，將含約束條件的變分問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束變分問(wèn)題，并采用懲罰算子交替方向法，交替更新尋求最優(yōu)解（n 為迭代次數(shù)），最后利用傅里葉變換將子模態(tài)函數(shù)更新至頻域，求得更新后的子模態(tài)及其對(duì)應(yīng)的中心頻率。

更新后的子模態(tài)及其對(duì)應(yīng)的中心頻率的計(jì)算式分別為

1.2 基于閾值補(bǔ)償?shù)淖兎帜B(tài)分解算法

為了避免光伏出力波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)光伏電站接入電網(wǎng)有功功率變化的最大限制提出了相關(guān)要求[16]，以裝機(jī)容量為15 MW 的小型光伏電站為例，規(guī)定其10，1 min內(nèi)最大有功功率變化值分別不應(yīng)超過(guò)其對(duì)應(yīng)裝機(jī)容量、0.2 MW。 在對(duì)光伏原始出力進(jìn)行分析時(shí)，若對(duì)其出力平穩(wěn)情況未進(jìn)行預(yù)前判斷，即使該時(shí)段出力情況滿足光伏并網(wǎng)限制要求，也會(huì)由于不必要的分解而延長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間。

本文的試驗(yàn)是在兩個(gè)場(chǎng)景下進(jìn)行的。其中，場(chǎng)景1 為非晴天，場(chǎng)景2 為晴天。 不同場(chǎng)景下，光伏原始功率以及無(wú)閾值補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)目標(biāo)功率隨時(shí)間的變化情況如圖1 所示。 由圖1 可知，典型場(chǎng)景1，2 下，不加以判斷時(shí)所得的并網(wǎng)目標(biāo)曲線與光伏原始出力曲線之間均有一定程度的延遲。

圖1 不同典型場(chǎng)景下，無(wú)閾值補(bǔ)償?shù)牟⒕W(wǎng)目標(biāo)功率以及光伏原始功率隨時(shí)間的變化情況Fig.1 No-threshold compensation of the grid-connected target power and original photovoltaic power in difficult typical scenes

根據(jù)以上分析結(jié)果，本文提出了閾值補(bǔ)償控制原理，在充分發(fā)揮VMD 優(yōu)良模態(tài)分離性能的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先判斷，達(dá)到縮短計(jì)算時(shí)間的目的。

10，1 min 的閾值計(jì)算式分別為

式中：S1（t），S2（t）分別為 10，1 min 的閾值；PW，10（t），PW，1（t）分別為 10，1 min 時(shí)段內(nèi)的光伏原始功率。

根據(jù)并網(wǎng)限制要求和實(shí)際光伏電站的類型，本文所選取的閾值波動(dòng)允許范圍為

具體的閾值補(bǔ)償流程：①對(duì)時(shí)間t、光伏原始出力PW（t）進(jìn)行初始化，設(shè)定閾值波動(dòng)的允許范圍；②讀取光伏原始功率數(shù)據(jù)，選取10 min 時(shí)段內(nèi)光伏原始功率的最大值 maxPW，10（t） 和最小值minPW，10（t），并根據(jù)式（4）計(jì)算出閾值 S1（t），判斷S1（t）是否滿足閾值波動(dòng)允許范圍，若滿足，則進(jìn)行下一步驟，若不滿足，則直接對(duì)光伏原始功率進(jìn)行 VMD 分解，使其子模態(tài) 1 分量 Pk=1（t）滿足并網(wǎng)限制要求；③將步驟②中滿足10 min 時(shí)段閾值范圍的 PW（t）在 1 min 時(shí)段內(nèi)進(jìn)行判斷，根據(jù)式（5）計(jì)算閾值 S2（t），并判斷 S2（t）是否滿足閾值范圍，若滿足，說(shuō)明此時(shí)段光伏原始出力滿足并網(wǎng)限制要求，不須分解就可以直接并網(wǎng)，若不滿足，則對(duì)光伏原始功率進(jìn)行VMD 分解，使其子模態(tài)1 分量Pk=1（t）滿足限制要求，并循環(huán)步驟②，③，直至計(jì)算時(shí)間結(jié)束或滿足閾值范圍。

2 光儲(chǔ)協(xié)同平抑功率波動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為使光伏發(fā)電系統(tǒng)具有清潔環(huán)保的特性，因此選擇綠色新型磷酸鐵鋰電池構(gòu)建A，B 儲(chǔ)能單元，每個(gè)儲(chǔ)能單元均由多個(gè)電池元件串、 并聯(lián)構(gòu)成。利用A，B 儲(chǔ)能單元共同組成配置在光伏電站側(cè)的雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)。 該協(xié)調(diào)互補(bǔ)的雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏電站的原始出力波動(dòng)進(jìn)行有效平抑，使平抑后的目標(biāo)功率滿足并網(wǎng)功率波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

本文所提出的協(xié)同控制策略根據(jù)A，B 儲(chǔ)能單元的運(yùn)行狀況確定雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的充、 放電任務(wù)，通過(guò)變流器控制系統(tǒng)對(duì)A，B 儲(chǔ)能單元中變流器的動(dòng)作情況進(jìn)行控制。 當(dāng)變流器在整流狀態(tài)下工作時(shí)，雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存能量；當(dāng)變流器在逆變狀態(tài)下工作時(shí)，雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量。與雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的光儲(chǔ)協(xié)同發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。 圖中：PW（t）為 t 時(shí)刻光伏電站的原始出力；PA（t），PB（t）分別為 t 時(shí)刻雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)中 A，B 儲(chǔ)能單元的充、放電功率；Pout（t）為t 時(shí)刻并網(wǎng)目標(biāo)功率。

圖2 光儲(chǔ)協(xié)同發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of combined photovoltic-energy generation system

為了避免光伏功率波動(dòng)平抑不足或過(guò)量，先利用閾值進(jìn)行判斷，而后根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)波動(dòng)劇烈的光伏原始出力信號(hào)PW（t）進(jìn)行變分模態(tài)分解，使其分解后得到的子模態(tài)1 分量Pk=1（t）滿足各時(shí)間尺度下的波動(dòng)限值要求，將該分量作為并網(wǎng)目標(biāo)功率Pout（t），并進(jìn)一步確定雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求功率PD（t）。 上述相關(guān)功率的關(guān)系式分別為

3 基于雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制策略

3.1 雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地平抑光伏出力的波動(dòng)，抵消可再生能源高滲透率所引起的負(fù)面影響。 本文摒棄由蓄電池與超級(jí)電容器組成的傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，避免引用不精準(zhǔn)的響應(yīng)時(shí)間劃分方法，提出利用磷酸鐵鋰電池構(gòu)成雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)，以達(dá)到平滑效果。 將儲(chǔ)能系統(tǒng)分為A，B 兩個(gè)儲(chǔ)能單元，當(dāng)A 單元處于充、放電狀態(tài)時(shí)，B 單元?jiǎng)t處于待機(jī)狀態(tài)，反之亦然。因此A，B 單元的額定充、放電能力均為整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的1/2。

各儲(chǔ)能單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率和額定容量的關(guān)系式分別為

A，B 儲(chǔ)能單元的SOC 遞推公式為

式中：SA（t），SB（t）分別為 t 時(shí)刻，A，B 儲(chǔ)能單元的SOC；ZAc，ZAd分別為 A 儲(chǔ)能單元的充、放電運(yùn)行的標(biāo)志位；ZBc，ZBd分別為 B 儲(chǔ)能單元的充、 放電運(yùn)行標(biāo)志位；ωc，ωd分別為 t 時(shí)刻，雙儲(chǔ)能單元是否執(zhí)行充、 放電任務(wù)的標(biāo)志位；ηc，ηd分別為儲(chǔ)能單元的充、放電轉(zhuǎn)換效率。

儲(chǔ)能單元的充、放電狀態(tài)及其充、放電標(biāo)志位見(jiàn)表1 所示。 表中：Ae，Be分別表示 A，B 儲(chǔ)能單元處于停止工作狀態(tài)；Ac，Bc分別表示 A，B 儲(chǔ)能單元處于充電工作狀態(tài)；Ad，Bd分別表示 A，B 儲(chǔ)能單元處于放電工作狀態(tài)。

表1 儲(chǔ)能單元的充、放電狀態(tài)及其標(biāo)志位關(guān)系對(duì)照表Table 1 Comparison table of charge and discharge states of energy storage units and their state marks

由 A，B 儲(chǔ)能單元的 SOC 遞推公式[式（10）]和狀態(tài)標(biāo)志位表[表（1）]可以看出，基于雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制過(guò)程是一個(gè)多階段決策過(guò)程。雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)完成一次充、 放電循環(huán)過(guò)程須經(jīng)歷多個(gè)階段，不同階段對(duì)應(yīng)不同的SOC 遞推公式，同時(shí)也對(duì)應(yīng)著不同的控制機(jī)制。在本文所提出的協(xié)同控制策略下，雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在標(biāo)準(zhǔn)充、放電深度內(nèi)保持運(yùn)行，顯著減少了充、放電循環(huán)的次數(shù)，從而提高了儲(chǔ)能元件的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 基于雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制策略

為了解決儲(chǔ)能系統(tǒng)充、 放電任務(wù)切換頻繁的問(wèn)題。 本文基于雙向互補(bǔ)的雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)建立協(xié)同控制策略，使A，B 儲(chǔ)能單元能夠共同承擔(dān)儲(chǔ)能需求功率 PD（t）。 在運(yùn)行狀態(tài)下，若 A 或 B 儲(chǔ)能單元的SOC 首先達(dá)到充電臨界狀態(tài)或放電臨界狀態(tài)，無(wú)論另一個(gè)儲(chǔ)能單元處于何種工作狀態(tài)，均會(huì)通過(guò)協(xié)同控制系統(tǒng)向變流器控制系統(tǒng)下達(dá)命令，以控制變流器的動(dòng)作，切換兩儲(chǔ)能單元的充、放電工作狀態(tài)。 圖3 為雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制流程圖。 圖中：T 為協(xié)同控制過(guò)程的最終時(shí)刻；Dref為儲(chǔ)能單元的標(biāo)準(zhǔn)充、放電深度，可由廠家所提供的生產(chǎn)數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)[14]所提出的計(jì)算方法得出。

圖3 雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制流程圖Fig.3 Dual units energy storage system collaborative optimization control process

由圖3 可知，在此協(xié)同控制過(guò)程中，首先假定初始運(yùn)行狀態(tài)為A 儲(chǔ)能單元承擔(dān)放電任務(wù)，B 儲(chǔ)能單元承擔(dān)充電任務(wù)，由于當(dāng)儲(chǔ)能元件充、放電深度為標(biāo)準(zhǔn)深度時(shí)，對(duì)儲(chǔ)能元件壽命的衰減程度影響較小，故設(shè)A，B 儲(chǔ)能單元均工作在標(biāo)準(zhǔn)充、放電深度下，其中，A 儲(chǔ)能單元的初始 SOC 為 （1+Dref）/2，B 儲(chǔ)能單元的初始 SOC 為（1-Dref）/2。 若 SA（t）達(dá)到放電臨界值（1-Dref）/2，或 SB（t）達(dá)到充電臨界值（1+Dref）/2，則立即交換鋰電池的 A，B 儲(chǔ)能單元運(yùn)行模式，即A 儲(chǔ)能單元由初始放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成充電狀態(tài)、B 儲(chǔ)能單元由初始充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成放電狀態(tài)。同理，在下一階段，若SA（t）達(dá)到充電臨界值（1+Dref）/2，或 SB（t）達(dá)到放電臨界值（1-Dref）/2，則繼續(xù)交換 A，B 儲(chǔ)能單元的運(yùn)行模式，如此循環(huán)，直到協(xié)同控制過(guò)程的最終時(shí)刻。 即當(dāng)A，B 儲(chǔ)能單元中任一單元達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)立即切換充、放電模式，且A，B 儲(chǔ)能單元不同時(shí)處于充、放電工作狀態(tài)。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證多場(chǎng)景下本文所提出的功率信號(hào)分析算法以及基于雙儲(chǔ)能單元的協(xié)同控制策略的優(yōu)越性，本文在MATLABsimulink 平臺(tái)上進(jìn)行模擬仿真，以國(guó)內(nèi)某總裝機(jī)容量為15 MW 的光伏電站為研究對(duì)象，以典型工況下的光伏出力 PW1（t），PW2（t）為研究目標(biāo)，采樣間隔為 1 s。

近年來(lái)，許多地區(qū)已經(jīng)對(duì)古樹(shù)名木進(jìn)行了摸底調(diào)查，但調(diào)查指標(biāo)設(shè)置不合理，數(shù)據(jù)較為粗放，不能準(zhǔn)確反映當(dāng)前古樹(shù)名木的生存現(xiàn)狀。筆者以濟(jì)源市王屋鎮(zhèn)為例，通過(guò)設(shè)置一些完善的調(diào)查指標(biāo)，對(duì)古樹(shù)名木的樹(shù)種構(gòu)成、生長(zhǎng)狀況、存在問(wèn)題等進(jìn)行調(diào)查分析，并針對(duì)性地提出一系列保護(hù)措施，以期為古樹(shù)名木調(diào)查指標(biāo)的合理化、標(biāo)準(zhǔn)化提供參考，也為古樹(shù)名木的精準(zhǔn)保護(hù)提供支持。

由于光伏出力具有明顯的時(shí)間分段性，因此本文重點(diǎn)研究5：00-17：00 的光伏出力。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用磷酸鐵鋰電池，該儲(chǔ)能系統(tǒng)由2 個(gè)額定容量均為 4.5 MW·h 的儲(chǔ)能單元 （A，B 儲(chǔ)能單元）組成，A，B 儲(chǔ)能單元的充、 放電轉(zhuǎn)換效率均為0.9，初始運(yùn)行狀態(tài)為A 儲(chǔ)能單元承擔(dān)放電任務(wù)、B 儲(chǔ)能單元承擔(dān)充電任務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)充、 放電深度設(shè)定為0.95。通過(guò)計(jì)算可得到，A，B 儲(chǔ)能單元的初始SOC分別為 0.975，0.025。

4.1 多場(chǎng)景下基于閾值補(bǔ)償?shù)墓夥隽MD平滑效果分析

為了驗(yàn)證多場(chǎng)景下，本文所提出的基于閾值補(bǔ)償?shù)腣MD 分解算法的普適性，依據(jù)光伏并網(wǎng)波動(dòng)的限制要求，將波動(dòng)較劇烈的典型場(chǎng)景1 的分解尺度設(shè)定為6、 波動(dòng)較平緩的典型場(chǎng)景2 的分解尺度設(shè)定為5，并將所得出的子模態(tài)1 分量Pk=1（t）作為并網(wǎng)目標(biāo)功率與光伏原始功率進(jìn)行比對(duì)，如圖4 所示。

圖4 不同典型場(chǎng)景下，并網(wǎng)目標(biāo)功率隨時(shí)間的變化情況Fig.4 Changes of grid-connected target power over time in different typical scenes

由圖4 可明顯看出，相對(duì)于光伏原始輸出功率曲線，經(jīng)過(guò)VMD 處理得到的并網(wǎng)目標(biāo)功率的波動(dòng)頻率較低，且該波動(dòng)頻率能夠表征光伏功率信號(hào)的整體態(tài)勢(shì)。 此外，通過(guò)閾值補(bǔ)償后，縮短了由于不必要的計(jì)算分析所造成的延遲時(shí)間。 在滿足并網(wǎng)限制要求的前提下，根據(jù)實(shí)際儲(chǔ)能容量等級(jí)，可將閾值范圍進(jìn)行合理調(diào)整。

為了驗(yàn)證不同典型場(chǎng)景下所選分解尺度的準(zhǔn)確性，對(duì)比分析了不同的取值間隔以及場(chǎng)景條件下，并網(wǎng)最大有功功率變化量隨時(shí)間的變化情況，如圖5 所示。 由圖5 可明顯看出，場(chǎng)景 1，2 下，1，10 min 級(jí)的最大有功功率變化量均沒(méi)有超出并網(wǎng)波動(dòng)限制要求的情況出現(xiàn)。 表明不同典型場(chǎng)景下，基于閾值補(bǔ)償VMD 算法平抑光伏功率波動(dòng)的適用性較好。

圖5 不同的取值間隔以及場(chǎng)景下，并網(wǎng)最大有功功率變化量隨時(shí)間的變化情況Fig.5 Changes in the maximum of grid-connected power variation over time in different value intervals and scenes

4.2 多場(chǎng)景下雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)同控制策略驗(yàn)證

上文基于光伏并網(wǎng)波動(dòng)限制要求，對(duì)典型光伏出力場(chǎng)景進(jìn)行分解，得到場(chǎng)景1 下的分解尺度為6、場(chǎng)景2 下的分解尺度為5。 多場(chǎng)景下光伏原始功率經(jīng)VMD 分解后，子模態(tài)1 分量成為并網(wǎng)目標(biāo)功率Pout（t），將剩余子模態(tài)分量進(jìn)行重構(gòu)，作為儲(chǔ)能需求功率。

除了并網(wǎng)目標(biāo)功率外，場(chǎng)景1 中子模態(tài)2～6分量[Pk=2（t）～Pk=6（t）]隨時(shí)間的變化情況如圖6（a）所示。 場(chǎng)景 2 中子模態(tài) 2～5 分量[Pk=2（t）～Pk=5（t）]隨時(shí)間的變化情況如圖6（b）所示。

目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部能量的劃分方法大多利用能量型儲(chǔ)能與功率型儲(chǔ)能之間不同的響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)功率分配。 一般選用1 min 作為劃分界限，但該劃分方法沒(méi)有充分考慮實(shí)際情況下各儲(chǔ)能元件的運(yùn)行狀態(tài)，因此不夠嚴(yán)謹(jǐn)，且沒(méi)有考慮功率型儲(chǔ)能元件初期建設(shè)成本較高的問(wèn)題。 故本文將儲(chǔ)能系統(tǒng)劃分為雙向互補(bǔ)的A，B 儲(chǔ)能單元，這兩個(gè)儲(chǔ)能單元共同對(duì)儲(chǔ)能需求功率進(jìn)行消納。

圖6 不同典型場(chǎng)景下，子模態(tài)功率分量隨時(shí)間的變化情況Fig.6 Changes of sub-modal power component over time in different typical scenes

圖7 不同典型場(chǎng)景下，優(yōu)化后的各儲(chǔ)能單元SOC 隨時(shí)間的變化情況Fig.7 Changes of optimized SOC of each energy storage unit over time in different typical scenes

由圖7 可知，基于雙儲(chǔ)能單元協(xié)同控制優(yōu)化后，場(chǎng)景 1 下 A，B 儲(chǔ)能單元分別在 9.6，11.3，12.8，14.2 h 切換運(yùn)行狀態(tài)，場(chǎng)景2 下A，B 儲(chǔ)能單元分別在 9.2，11.5，13.2，14.6 h 切換運(yùn)行狀態(tài)。 這樣有效地避免了粗糙的儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間的劃分，同時(shí)保持A，B 儲(chǔ)能單元持續(xù)在最佳充、放電循環(huán)深度范圍內(nèi)工作，顯著降低了各儲(chǔ)能元件的充、放電頻率以及壽命衰減程度、 有效提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖8 為采用雙儲(chǔ)能單元協(xié)同控制優(yōu)化后，各儲(chǔ)能單元儲(chǔ)能需求功率隨時(shí)間的變化情況。

圖8 不同典型場(chǎng)景下，優(yōu)化后的各儲(chǔ)能單元需求功率隨時(shí)間的變化情況Fig.8 Changes of optimized demand power of each energy storage unit over time in different typical scenes

A，B 儲(chǔ)能單元需求功率的總和為優(yōu)化控制前的儲(chǔ)能需求功率。由圖8 可以看出，優(yōu)化前的儲(chǔ)能需求功率（A 儲(chǔ)能單元需求功率）不僅波動(dòng)幅度較大，波動(dòng)頻率也較為頻繁，若此時(shí)的儲(chǔ)能需求功率直接由單儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行承擔(dān)，將會(huì)對(duì)儲(chǔ)能元件造成嚴(yán)重?fù)p耗，且會(huì)降低儲(chǔ)能元件的正常運(yùn)行壽命。經(jīng)雙儲(chǔ)能單元協(xié)同控制策略優(yōu)化后，顯著降低了各儲(chǔ)能單元的充、放電幅度及頻率，且各儲(chǔ)能單元的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)刻與儲(chǔ)能單元SOC 到達(dá)臨界值的時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，證明了所提出的協(xié)同控制策略的有效性及合理性，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文針對(duì)多個(gè)場(chǎng)景下的光伏出力波動(dòng)特性，結(jié)合光伏并網(wǎng)的限制要求，對(duì)光伏原始功率信號(hào)進(jìn)行變分模態(tài)分解，同時(shí)提出了在協(xié)同控制策略下可獨(dú)立承擔(dān)充、放電任務(wù)的雙單元儲(chǔ)能系統(tǒng)。根據(jù)仿真結(jié)果得到如下結(jié)論。

①在不同的場(chǎng)景下，光伏原始功率經(jīng)VMD算法分析后，所得并網(wǎng)目標(biāo)功率均滿足并網(wǎng)限制要求，且功率波動(dòng)得到了有效的平抑，同時(shí)通過(guò)閾值補(bǔ)償方法，縮短了不必要的計(jì)算延時(shí)。

②經(jīng)雙儲(chǔ)能單元協(xié)同控制優(yōu)化后，各個(gè)儲(chǔ)能單元均能持續(xù)地運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的充、 放電循環(huán)深度范圍內(nèi)，顯著地減少了單儲(chǔ)能系統(tǒng)充、放電頻繁等問(wèn)題，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

后續(xù)的工作將針對(duì)光伏電站的在線實(shí)時(shí)控制以及儲(chǔ)能元件容量的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化等方面展開(kāi)進(jìn)一步的研究。