基于面积平衡经验模态分解的储能平抑风电波动控制方法

本发明专利涉及风电波动控制领域，具体为基于面积平衡经验模态分解的储能平抑风电波动控制方法。

背景技术：

1、随着化石能源的逐渐枯竭，风电并网规模持续增加。然而由于风电本身具有间歇性和波动性的特点，其大量并网给电网的安全、稳定运行带来了挑战。

2、为了解决风电波动给电网带来的不稳定性，使用储能技术进行平抑成为一种重要的功率手段。储能系统在平抑风电波动方面发挥着关键作用，通过合理地控制储能的充放电功率能够有效地平抑风电波动，从而提高电网的安全稳定性。

3、在储能平抑风电波动的方法中，经验模态分解(emd)算法受到了越来越多的关注。emd算法在处理非平稳和非线性数据时具有明显的优势，适合分析非线性非平稳的风功率信号。emd算法将风电功率曲线分解为多个本征模态函数，由此推导出的储能控制策略能够在平滑风电波动方面发挥出色的性能。

4、然而，传统的emd算法存在一个问题，即无法保证本征模态函数的上面积和下面积相等。由于本征模态函数的上面积和下面积代表了功率的积分(即电量)，上下面积不等将导致根据本征模态函数推导出的储能功率持续增加或减少，甚至达到电量的限值。当储能电量达到上下限时，储能系统将无法继续有效地平抑风电波动，削弱了储能在平抑风电中的作用。

5、本专利提出了一种基于面积平衡经验模态分解的储能平抑风电波动控制方法。在计算得到风电功率曲线的本征模态函数的基础上，通过修正本征模态函数，平衡本征模态函数的上下面积，并以修正后的本征模态函数为依据，计算储能功率调节指令。本专利能够保证计算得到的储能功率调节指令的上下面积近似相等，进而保证充电/放电电量近似相等，有效地避免了储能系统在平抑风电波动的过程中因电量持续增加或减小而导致的储能电量越限现象的产生，从而提升储能在平抑风电波动方面的有效性。

6、经检索，与专利cn103178538a“混合储能型风力发电系统的风电功率波动抑制方法”的技术对比中；

7、1、专利cn103178538a中，采用混合储能系统对风电功率波动进行平抑，提出的防止储能系统过度充电或放电的策略只是调整了功率在电池和超级电容间的分配，并未考虑到两种储能电量同时达到上限或下限，即整个储能系统电量达到限值时，储能系统无法继续正常工作的问题。本专利所提出的储能控制方法则重点考虑了这一问题，并针对该问题提出了解决方法，能有效避免储能电量的越限。

8、2、专利cn103178538a中，根据经验模态分解设计了储能系统平抑风电波动的策略，但只是使用该算法，并未针对实际平抑时存在的储能越限的问题对算法进行改进。本专利针对这一问题，通过平衡经验模态分解中各个本征模态函数的上下面积对算法进行改进，有效地避免了储能系统在平抑风电波动的过程中因电量持续增加或减小而导致的储能电量越限现象的产生，从而提升储能在平抑风电波动方面的有效性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了基于面积平衡经验模态分解的储能平抑风电波动控制方法，通过平衡本征模态函数的上下面积，避免了储能系统在平抑风电波动的过程中因电量持续增加或减小而导致的储能电量越限现象的产生，从而有效提升储能在平抑风电波动方面的效果。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、基于面积平衡经验模态分解的储能平抑风电波动控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

4、步骤1，输入信号初始化；

5、预测一段时间内的风电功率数据pw(t)，将原始风电功率pw(t)表示为初始输入信号x(t)；

6、步骤2，计算本征模态函数；

7、对输入信号x(t)进行计算，以得到本征模态函数；

8、步骤3，面积平衡修正；

9、针对步骤2计算得到的本征模态函数ci(t)进行面积平衡修正，使得ci(t)的上下面积近似平衡；

10、步骤4，计算残余分量；

11、步骤5，功率调节指令的计算与下发。

12、作为本发明进一步改进，步骤2，具体步骤包括：

13、步骤2.1，计算上下包络线；

14、在信号x(t)中找到所有局部极值点包括极大值或极小值，并对这些极大值点和极小值点分别作三次样条插值，形成上包络线和下包络线，分别记作h(t)和l(t)；

15、步骤2.2，计算平均线；

16、计算h(t)和l(t)的平均曲线，记作m(t)，计算公式为：

17、

18、步骤2.3，计算候选本征模态函数；

19、从x(t)中减去m(t)以获得候选本征模态函数，记作h(t)，计算公式为：

20、h(t)＝x(t)-m(t)   (2)

21、步骤2.4，判断h(t)是否为本征模态函数，如果满足条件，则h(t)是本征模态函数，记作ci(t)；否则将h(t)视为新的信号x(t)，并重复步骤2.1-步骤2.4，直到h(t)达到本征模态函数的条件。

22、作为本发明进一步改进，步骤2.4，判断h(t)是否为本征模态函数的判断条件包括：

23、1)h(t)的过零点数与步骤2.1中的极大、极小值点的总数相同，或最多相差1；

24、2)上包络线h(t)和下包络线l(t)的平均值m(t)近似为0。

25、作为本发明进一步改进，步骤3，具体步骤包括：

26、步骤3.1，确定过零点和极值点；

27、在本征模态函数ci(t)中找到所有的过零点即与t轴交点以及所有的极值点，假设ci(t)的第k个极值点和第k+1个极值点对应的时间分别记为tm,k和tm,k+1，在tm,k和tm,k+1之间ci(t)与t轴交点对应的时间记为ts,k；

28、步骤3.2，计算上下面积；

29、找到步骤3.1所确定的过零点和极值点与ci(t)所包围的所有的上面积和下面积，假设第k个分段上面积和下面积分别记作sh,k和sl,k，考虑ci(t)在实际中的离散采样的特点，将sh,k和sl,k分为两部分，一部分是一组条形区域sh_c,k、sl_c,k，另一部分为靠近过零点的三角形区域sh_t,k、sl_t,k；

30、通过离散梯形积分公式计算条形区域面积sh,k、sl,k，计算公式为：

31、

32、

33、其中，tsl,k和tsr,k分别是ci(t)距离过零点最近的下面积和上面积区域中的采样点，δt表示采样的步长；

34、三角形区域sh_t,k、sl_t,k由离过零点最近的采样点和过零点本身围成，过零点的时间ts,k的计算方法如下：

35、

36、根据(5)，得到三角形面积的计算公式：

37、

38、

39、在得到sh_c,k、sl_c,k、sh_t,k、sl_t,k的基础上，进一步得到第k个分段的上面积sh,k和下面积sl,k，计算公式为：

40、sh,k＝sh_c,k+sh_t,k   (8)

41、sl,k＝sl_c,k+sl_t,k   (9)

42、步骤3.3，计算面积修正的分割线：

43、在计算分割点位置的基础上计算新的分割线，以重新分割上面积和下面积；

44、首先计算分割点的位置，假设分割点的幅值是δci,k，所对应的时间是t's,k，则δci,k和t's,k分别计算为：

45、

46、

47、其中，是ci(t)在ts,k时刻的导数；

48、一旦计算出δci,k和t's,k，分割点的位置用(t's,k，δci,k)表示，在计算所有交点之后，通过对所有交点执行三次样条插值，得到面积修正的分割线bi(t)，分割线bi(t)能将本征模态函数ci(t)分割为上面积和下面积近似相等两部分；

49、步骤3.4，修正本征模态函数；

50、确定了bi(t)后，可以通过从ci(t)中减去bi(t)最终获得修正后的本征模态函数，记作c'i(t)，修正后的本征模态函数曲线c'i(t)的上面积s’h,k和下面积s’l,k近似相等。

51、作为本发明进一步改进，步骤4，具体步骤包括：

52、将输入信号x(t)减去步骤3计算得到的修正后的本征模态函数c'i(t)，得到残余分量，记作ri(t)，计算公式为：

53、ri(t)＝x(t)-c′i(t)   (12)

54、在计算得到ri(t)后，将ri(t)作为输入信号x(t)，重复步骤2-步骤4，直至残余分量满足风电平滑的要求，最终得到的残余分量记作rn(t)。

55、作为本发明进一步改进，步骤5，具体步骤包括：

56、根据步骤4计算得到的修正后的本征模态函数c'i(t)计算储能的功率调整指令pess(t)，计算公式为：

57、

58、然后，通过开环或闭环控制，将功率调整指令pess(t)发送至储能系统，储能系统按照功率指令pess(t)输出功率，从而实现风电功率波动的平抑。

59、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

60、1)通过经验模态分解很好地描述非线性和非平稳的风电波动，从而使得由此方法计算得到的储能功率控制策略能够在平滑风电波动方面发挥更加出色的性能。

61、2)能够保证计算得到的储能功率调节指令的上下积分近似相等，进而保证充电/放电电量近似相等，有效地避免了储能系统在平抑风电波动的过程中因电量持续增加或减小而导致的储能电量越限现象的产生，从而提升储能在平抑风电波动方面的有效性。