一种基于多元储能的独立型光储微网电-热协同存储方法

本发明属于微电网，具体涉及一种基于多元储能的独立型光储微网电-热协同存储方法。

背景技术：

1、针对部分山区、海岛等偏远地区用能难题，微电网作为可再生能源消纳与管理的载体，通过整合区域内的可再生能源发电系统与用户载荷需求，可脱离主网实现区域内源荷供需自行管理与控制。然而，由于以太阳能为主的可再生能源具有波动性和间歇性等特点，单一的储能技术无法同时满足微电网的稳定性与灵活性。混合储能系统通过结合多种储能设备，实现多种储能装置优势互补，弥补单一储能设备的不足，在平抑可再生能源波动、解决源荷错位等方面起到重要作用。

2、针对混合储能系统的功率分配问题，已有众多学者展开研究。贾东卫等针对联络线功率波动问题，采用集合经验模态分解方法对锂电池与超级电容进行功率分配，并引入模糊控制对超级电容功率指令进行修正。贾伟青等以风电并网功率波动要求为约束，采用小波包分解方法对风电出力功率进行平滑，并引入模糊控制算法实现了混合储能系统功率指令的自适应优化。李鑫等针对光伏出力的波动性，以光储联合发电系统为对象，采用变分模态分解(varitional mode decomposition，vmd)方法对锂电池与超级电容进行了功率划分，实现了光伏输出功率的平滑。李亚楠等采用vmd对风储联合系统中的风电输出功率进行了平抑，并通过实时监测储能设备的荷电状态soc，采用模糊控制对不同储能设备功率进行修正，延长了设备的使用寿命。然而，上述现有技术仅从平抑可再生能源出力波动角度出发构建了混合储能系统，并未从微电网内部的源-荷供需关系考虑对混合储能系统展开研究。

3、fang等针对工业园区内光伏输出功率与工业负荷的波动性与不可调性，通过构建包含锂电池与超级电容的混合储能系统，实现了净负荷的平滑与削峰填谷。韩中合等通过构建含超级电容、锂电池和压缩空气储能的混合储能系统，将孤岛型综合能源系统主动储能策略得到的功率进行了平抑与消纳。刘仲民等针对风光互补发电系统与用户用能需求，提出一种由重力势能、蓄电池与超级电容组成的混合储能系统，从不同储能设备的响应特性出发，实现了功率分配。李想等将光伏出力与负荷之间的不平衡功率进行分解与重构，得到了相应的高频、中频与低频分量，进而确定了超级电容、飞轮与蓄电池等设备的参考功率。然而，上述文献仅从电能双向流动角度出发构建了混合储电系统，很少有文献从用户热负荷需求角度切入，通过集成储热形式的储能设备来消纳可再生能源。

4、综上所述，本发明提出了一种基于多元储能的独立型光储微网电-热协同存储方法。首先，建立了包含锂电池、超级电容和蓄热罐等设备的多元储能系统模型。进而通过vmd对差额电功率进行分解与重构，依据不同储能设备的响应特性确定各设备的出力情况。引入模糊控制算法对多元储能系统设备的分配功率进行实时修正，保证了光储微网的长期运行稳定性，最后通过算例分析对比验证了本方法的有效性。

技术实现思路

1、为提高独立型光储微网的运行可靠性及用户的用能质量，本发明提供了一种基于多元储能的独立型光储微网电-热协同存储方法。

2、为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种基于多元储能的独立型光储微网电-热协同存储方法，包括以下步骤：

4、步骤1，建立含多元储能的独立型光储微网系统，包括微网、光伏阵列、电锅炉、多元储能系统和用户负载，并计算多元储能系统所承担的功率；

5、步骤2，通过变分模态分解将多元储能系统所承担的功率进行分解与重构，确定多元储能系统中各储能设备的分配功率指令，进而确定各储能设备的实际运行情况。

6、进一步，所述多元储能系统包括锂电池、超级电容和蓄热罐，所述用户负载包括用户电负荷和用户热负荷，所述光伏阵列作为源侧向微网输送电能，并通过电锅炉实现电-热能流的转换，以满足用户负荷需求；所述多元储能系统对光伏阵列的出力进行平滑与存储，保证微网中用户用能质量与能量动态平衡；所述微网通过控制系统接收内部各设备的实时状态，进而对各设备发送调度运行指令。

7、进一步，所述步骤1中计算多元储能系统所承担的功率，具体为：将光伏输出功率与用户电负荷功率作差，或超级电容、锂电池和电锅炉承担的电功率作和，公式如下：

8、pmess(t)＝ppv(t)-pload(t)  (1)

9、pmess(t)＝psc(t)+pbat(t)+peb(t)  (2)

10、式中：pmess为多元储能系统所承担的功率，ppv为光伏输出功率，pload为用户电负荷，psc、pbat和peb分别为超级电容、锂电池和电锅炉承担的电功率。

11、进一步，在系统中，电锅炉作为电-热转换设备，其运行公式如下所示：

12、peb(t)＝peb,1(t)+peb,2(t)  (3)

13、qeb(t)＝peb(t)×ηeb＝qeb,1(t)+qeb,2(t)  (4)

14、qeb,2(t)＝qtank,in(t)  (5)

15、qload(t)＝qeb,1(t)+qtank,out(t)  (6)

16、式中：peb,1为电锅炉直供热负荷需求的电功率，peb,2为电锅炉制热存储需求的电功率，qeb为电锅炉的热功率，ηeb为电锅炉制热效率，qload为用户热负荷，qtank,in为输入蓄热罐的热功率，qtank,out为蓄热罐输出的热功率。

17、进一步，所述步骤2中通过变分模态分解将多元储能系统所承担的功率进行分解与重构，具体为：

18、步骤2.1，分解：将高频分量ph(t)作为超级电容的功率指令psc,ref(t)，进而通过第一模糊控制器对其进行修正，得到超级电容修正后的功率指令psc(t)；将低频分量pl(t)通过电-热转换协调控制层获得蓄热罐功率指令qtank(t)，进而得到蓄热罐的运行状态；将电-热转换协调控制层返还的低频分量pl,bat(t)、中频分量pm(t)以及超级电容功率修正量作为锂电池功率指令pbat(t)；

19、步骤2.2，重构：通过分解得到k个本征模态函数后，采用频谱分析法，对每个本征模态函数进行分析并得到相对应的频率划分情况，进而依据不同储能设备的响应特性进行重构，重构后的分量如下式所示：

20、

21、式中：a为分解后的本征模态函数划为低频分量的个数、b为中频分量的个数、uk为分解后得到的本征模态函数。

22、进一步，所述步骤2.1中电-热转换协调控制层包括三种控制模式，具体如下：

23、模式1：当pl(t)为正且处于电锅炉额定功率之内时，若pl(t)通过电制热可以满足qload(t)，则通过电锅炉制热直供该时刻的qload(t)，同时将剩余部分pl(t)通过第二模糊控制器进行修正，然后通过电制热存入蓄热罐内，修正后的分量作为pl,bat(t)返还给锂电池进行存储；反之，若该时刻的pl(t)通过电制热不能够满足qload(t)，则蓄热罐出力对剩余热负荷进行补足，pl,bat(t)为0；

24、模式2：当pl(t)为正，而pl(t)大于电锅炉额定功率时，若电锅炉在额定功率peb,max内可以满足qload(t)，同时将电锅炉额定功率内的部分pl(t)通过第二模糊控制器进行修正，然后通过电制热存入蓄热罐内，修正后的分量与剩余pl(t)同时作为pl,bat(t)返还给锂电池进行存储；反之，若该时刻的电锅炉以额定功率peb,max运行仍不能够满足qload(t)，则蓄热罐出力对剩余热负荷进行补足，pl(t)与peb,max的差值作为pl,bat(t)功率指令；

25、模式3：当pl(t)为负时，此时电锅炉不启动，电负荷、热负荷分别由锂电池与蓄热罐出力满足。

26、进一步，所述第一模糊控制器和第二模糊控制器的输入参数为各储能设备归一化后的soc，其公式如下：

27、

28、式中：i表示超级电容、锂电池或蓄热罐，即sc、bat或tank，socx,i表示各储能设备归一化后的soc；socex,i表示各储能设备的soc期望值，soci,max表示各储能设备的最大容量，soci,min表示各储能设备的最小容量；

29、所述第一模糊控制器的输入参数为socx,sc(t)与socx,bat(t)，在保证锂电池的正常运行情况下，综合考虑超级电容的充放电情况，通过输出修正系数βsc对psc(t)进行修正：

30、(1)当超级电容充电，即psc(t)>0时，若socx,bat(t)处于正常状态时，而socx,sc(t)处于较高状态，则适当降低超级电容的功率，由锂电池承担部分超级电容功率，分担其充电压力；若socx,sc(t)较低，则不进行修正；

31、(2)当超级电容放电，即psc(t)<0时，若socx,bat(t)处于正常状态，而socx,sc(t)处于较低状态，则适当降低超级电容的功率指令，由锂电池进行补偿，若socx,sc(t)较高，则不进行修正；

32、经修正后的超级电容功率指令与修正量如下式所示：

33、

34、式中：δpsc(t)为修正量；

35、所述第二模糊控制器的输入参数为socx,tank(t)与socx,bat(t)，综合考虑二者容量状态，优先考虑电负荷需求，通过输出修正系数βeb对peb,2(t)进行实时修正，修正后的蓄热罐储热功率与修正量如下式所示：

36、

37、超级电容功率与蓄热罐储热功率经模糊控制修正后的修正量由锂电池进行承担，锂电池实际功率如下式所示：

38、pbat(t)＝pbat,ref(t)+δpsc(t)+δpeb,2(t) (21)。

39、进一步，当所述步骤2中功率指令为正时，各储能设备的运行状态与储能功率关系式如下：

40、

41、式中：socsc、socbat和soctank分别为超级电容、锂电池和蓄热罐的容量状态，δt为单位时间，ηch,sc、ηch,bat和ηch,tank分别为超级电容、锂电池和蓄热罐的储能效率，esc,n、ebat,n和etank,n分别为超级电容、锂电池与蓄热罐的额定容量；

42、当所述功率指令为负时，各储能设备的运行状态与功率关系式如下：

43、

44、式中：ηdisch,sc、ηdisch,bat、ηdisch,tank分别为超级电容、锂电池和蓄热罐的释能效率。

45、所述多元储能系统在实际运行时具有以下约束：

46、

47、式中：psc,r、pbat,r和peb,r分别为超级电容、锂电池与电锅炉的额定功率。

48、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

49、本发明首先建立多元储能系统运行模型，其中电锅炉为电-热转换设备，蓄热罐为储热装置，超级电容与锂电池为储电装置；其次通过变分模态分解将多元储能系统需承担的功率进行分解，依据各储能设备的响应特性将分解后得到的分量进行重构，确定各储能设备的出力计划；同时根据各储能设备的容量状态，引入模糊控制算法对储能设备的分配功率指令进行实时修正，最终确定各储能设备的实际运行情况。