1、第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划宋杰1，耿林霄1，桑永福1，温荣斌1，孙鹏2，弓林娟1（1西安热工研究院有限公司；2西安益通热工技术服务有限责任公司，陕西 西安 710000）摘要：高新能源渗透率的新型电力系统更容易发生发电侧与用户侧的负荷失衡，从而造成电网频率波动，这对电网安全带来了巨大的挑战。提升发电侧主动调频支撑成为解决这一问题的关键。储能技术辅助调频主力的火电机组参与发电侧一次调频不仅可以提升电网安
2、全性，也能降低机组磨损，提升机组运行的经济性。现存一次调频储能容量配置方法比较单一。因此，本文提出了一种基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划方法。使用EMD对储能的目标功率进行处理，并将处理后的IMF分量进行重构，从而确定混合储能的功率与能量配额，以归一化成本为最优目标，完成储能系统规划，弥补了现存研究未充分考虑功率高低频响应导致的储能配置方案不合理，不能充分利用不同形式储能特性造成的储能投资成本高、储能系统收益低、调频效果不理想等缺点。并以宿迁660 MW机组为一次调频算例验证了本文方法的可行性与经济性。研究结果可以为参与一次调频的火电机组储能规划提供一定技术参考。关键词：E
3、MD；混合储能；容量规划doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0588 中图分类号：TM 712 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-496-08Study on primary frequency modulation capacity planning of thermal power unit assisted by hybrid energy storage based on EMD decompositionSONG Jie1,GENG Linxiao1,SANG Yongfu1,WEN Rongbin1,SUN Peng2,GONG
4、 Linjuan1(1Xian Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.;2Xian Yitong Thermal Technology Service Co.,Ltd.,Xian 710000,Shaanxi,China)Abstract:The new power grids with the high penetration of new energies are more prone to load imbalance between the generation side and the user side,resulting in fluc
5、tuations in the grid frequency,which brings great challenges to frequency safety.Improving the active frequency modulation support is an effective method for the generation side.The energy storage technology,which assists the thermal power units participating in the primary frequency regulation,can
6、not only improve the safety of power grids,but can also reduce the wear of the units and for more economic unit operations.The existing configuration method of the primary frequency modulation energy storage capacity is relatively simple.Hence,a configuration method is proposed for the hybrid energy
7、 storage system to assist the thermal power frequency modulation,based on the empirical mode decomposition(EMD).By adopting the EMD,the hybrid energy storage system power obtained by the target power is processed,and the modal components obtained from the EMD decomposition are 储能系统与工程收稿日期：2022-10-14
8、；修改稿日期：2022-10-27。第一作者及通讯联系人：宋杰（1995），男，硕士，工程师，研究方向为储能辅助电力系统调频，E-mail：。第 2 期宋杰等：基于EMD分解的混合储能辅助火电机组一次调频容量规划reconstructed to determine the energy storage power allocation.Moreover,the power and capacity planning is conducted,and the optimal optimization scheme of the hybrid energy storage system is de
9、termined by taking the whole life cycle cost of the hybrid energy storage as the optimization objective.Our proposed method makes up for the unreasonable energy storage configuration scheme without fully considering the high-and low-frequency response of power unit,the high investment cost of energy
10、 storage caused by the inability to fully utilize different forms of energy storage characteristics,the low income of energy storage system,and the unsatisfactory frequency modulation effect.Finally,the effectiveness and economic aspects of the above planning methods are verified using a specific ex
11、ample in Suqian.This study can provide some technical references for the planning of hybrid energy storage in the frequency modulation of thermal power units.Keywords:EMD;hybrid energy storage;capacity planning为实现“30.60”目标，深入贯彻电力系统新发展理念，构建电力系统新发展格局，在确保电力生产安全，推动电力产业高质量新发展的前提下，中央财经委提出构建高新能源渗透率的新型电力系统，
12、进而形成清洁低碳安全高效的能源体系1。以风光为主体的新能源间歇性强，波动性大，接入电网后容易造成发电侧与用户侧负荷失衡从而显著影响电网频率稳定，严重威胁电力系统安全。如何提升发电侧主动调频支撑已成为新型电力系统的关键所在2。混合储能系统可以综合发挥不同形式储能的特征优势来提升储能系统的性能，同时降低系统内部损耗，提升储能系统经济性3。对于火电机组调频过程中产生的高频分量可以选择响应速度快、允许频繁充放电的功率型储能设备飞轮承担。较为平缓的中低频分量在能量上有更多的需求，可以选择能量型特征明显的蓄电池储能，同时中低频分量也减少了蓄电池充放电的次数，保持蓄电池荷电状态(state of charg
13、e，SOC)在合理范围内，进一步提升了储能系统的寿命，降低了储能系统的全生命周期投资成本。为火电机组配置合适容量的混合储能既能提升电力系统调频裕度，保障电网稳定运行，又能在调频峰值处降低机组峰值出力波动，减轻机组磨损，保障机组安全运行，减小机组被考核成本，提升机组参与调频的经济效益，加强机组参与调频的积极性。因此，如何在火电机组参与一次调频的过程中，合理配置混合储能的容量成为当前亟待研究的热点课题。汤杰等4提出了一种以净效益最大为目标基于遗传算法辅助求解的储能电池参与二次调频的容量配置方法，构建了储能电池全生命周期成本-效益计算模型。罗耀东等5基于调频电量考核贡献的经济收益对参与一次调频的飞轮
14、储能容量进行了优化配置，提出了一种储能电池持续性管理的火-储协调控制策略。韩健民等6针对600 MW供热机组提出了一种混合储能辅助燃煤机组调频的控制策略，稳定了调频过程中的主汽压力，降低了汽机输出波动从而减缓了电网频率波动。洪烽等7使用飞轮储能系统设计了一种飞轮储能参与电网一次调频的自适应下垂控制策略，有效降低了网侧的最大频差和稳态频差。以上研究要么侧重于配置储能后火-储协同系统的控制策略，要么侧重点落在火-储系统中单一储能容量的配置，且在容量配置时未考虑调频机组实时功率缺额高低频状况。以至于功率特性明显的飞轮储能需要承担联合系统中一部分能量型输出导致飞轮容量增大，或者能量型的蓄电池储能需要频
15、繁充放电响应机组高频功率波动导致蓄电池系统自损耗加剧。这些不仅提升了储能系统前期投资成本，也缩短了储能系统的生命周期，降低全生命周期储能系统的经济性。合适的混合储能容量可以有效提升机组参与调频经济效益，提升机组调频积极性，进而维护网侧频率稳定，保障电力系统安全。但当前研究对于机组一次调频过程中的储能容量配置方法还是比较单一，没有充分考虑功率高低频响应的特性，导致储能配置方案不够合理，也不能充分利用不同形式的储能特性，加剧储能系统内部自损耗，导致储能投资成本高，储能系统收益低等。因此，本文提出了一种基于EMD分解的混合4972023 年第 12 卷储能科学与技术储能辅助火电机组一次调频容量规划方
16、法。以宿迁660 MW机组为例，选择使用飞轮与蓄电池作为储能规划方案。采用经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)对调频缺额功率进行处理，结合分解得到的高低频模态分量确定储能功率与容量配置方案8。在考虑储能特性的前提下，以混合储能全生命周期归一化成本为优化目标，确定EMD重构策略，优化储能系统的容量配置方案。1 基础原理1.1火-储混合系统一次调频构架在机组并网运行的过程中，混合储能系统通常以主动介入的方式参与电力系统的一次调频。混合储能系统作为辅助机组调频的重要手段，需要根据一次调频调度与预测进行储能容量规划9。混合储能辅助机组参与一次调频调度结构如图1所示。一次调频事件发生后，由火电机组和储能系统同时响应，在调频过程中火电机组不足份额中的高频分量由功率型的飞轮群组承担10，中低频分量由能量型的蓄电池组实时响应。对于以火电机组为主的一次调频调度系统，基于调频周期内的一次调频指令与火电机组实时出力统计数据，得到调频过程中的叠加一次调频后的指令Pload(t)与机组实际出力Poutput(t)，从而确定混合储能系统的目标功率Ptarget()t，三
