基于GAMS的光伏發電消納體系研究

薛 斌

(江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南通 226006)

光伏發電作為一種可再生能源，越來越受到各國學者的關注。對于如何對光伏發電消納也成為了業界一個普遍關注的問題，在該領域已經取得了不少的成果。其中文獻[1]對于并網光伏電站低電壓穿越進行了仿真與分析，文獻[2]對大型光伏電站并網特性及其低碳運行與控制技術進行了深入的分析，通過逆變器多模式控制策略來實現大型光伏電站的低碳調度并以此獲得最高的低碳效益，由于光伏電能在轉換過程中不產生無功也不消耗無功，在逆變過程中要消耗無功，因此就要對光伏電站進行無功補償，文獻[3]對具有無功功率補償和諧波抑制的光伏并網功率調節器的控制和調節方面進行了研究。雖然以上這些文章并不是完全針對光伏發電消納，但是對于光電消納方面還是有一定的借鑒意義的。

就模型而言，現在對于光伏消納模型的研究主要是考慮如何將光伏出力的波動以及不確定性減小到最低。文獻[4]主要就是論述的一種平滑方法，通過該種方法建立一個包括光電，風電和蓄電池的混合儲能系統，以此來將系統的出力波動降到最低。在現有的文獻中，極少有將光伏發電機組和傳統機組綜合起來考慮進行消納。

1 光伏發電消納模型及求解方法

1.1 光伏發電消納分析模型

式（1）中：F為所有機組發電的總費用函數；T為一個調度周期；I為調度機組的臺數；Ci為發電費用函數式；Ci[Pi（t）]=+βPi+γ，其中α，β，γ為機組i的費用函數的系數；ui（t）=1為機組i 在t時段開機；ui（t）=0為關機；Pi（t）為機組i 在t時段的有功出力；Si為機組i的開機費用；xi（t）為以該時段前機組i 最后一次開機時段為時間起點，并且中間沒有停機，整個過程內的時段累計開機時間，為正值；相類似的有機組的連續累計停機時間為負值。

（1）功率平衡約束：

式（2）中：Pload（t），PL（t）分別為t時段的負荷和網損。

（2）旋轉備用約束：

式（4）中：R（t）為t時段所需的旋轉備用。

（3）由于每臺機組都有一定的容量限制，則：

式（5—7）中：Pi，min，Pi，max，Qi，min，Qi，max分別為機組i的有功和無功出力上下限；Ppvi，max為光伏機組i的出力上限。

（4）發電機組在增加功率和減少功率時也要受一定約束：

式（8，9）中：Pi，down，Pi，up分別為機組i的有功出力的下降和上升限制。

（5）機組最小開機和關機時間。機組不能頻繁地開關，必須開機/ 關機一段時間之后才能關機/ 開機，即：ui（t）=1，此時；ui（t）=0，此時

（6）線路功率限制：

式（10，11）中：Pjk，min，Pjk，max為節點j 到節點k 之間線路的最小和最大有功傳輸功率；Qjk，min，Qjk，max為節點j 到節點k 之間線路的最小和最大無功傳輸功率。

（7）節點電壓限制，這里就是要將節點電壓限制在一定范圍內，即：

且有：

1.2 模型求解

該模型采用通用代數建模系統（GAMS）求解。GAMS 是一款數學規劃和優化的高級建模系統，特別為求解線性、非線性和混合整數最優化問題而設計，它允許使用者通過制定簡單的設置來把精力放在建模問題上，使用GAMS，數據僅僅需要一次就能在熟悉的列表和表格形式中輸入，模型以簡練的代數聲明來描述，對于人和機器都很容易讀懂，相關約束的整個集合被輸入到一個聲明中，GAMS 自動生成每個約束等式，至于執行的費時的細節將由GAMS 系統來處理。GAMS的操作大抵可分為3個步驟：（1）建立GAMS輸入文件；（2）執行GAMS 程序；（3）輸出GAMS 求解結果。

2 算例分析

2.1 算例1

用一個IEEE26 機24 節點系統進行測試，其系統圖如圖1 所示。將全天24 h 平均分為24個時段，仿真結果均為標幺值（下同）。

首先為分析方便，暫時不加入光伏機組，只考慮常規機組的機組組合問題。仿真結果如表1、表2 所示（篇幅所限，只列出Unit1，Unit17，Unit19 和Unit26的數據，Unit2—Unit9 與Unit1 類似，此處略去）。

算例1 所有機組發電的總費用為771 981.021 元。Unit1—Unit9 由于運行費用相對其他機組較高，因此從總體上來看，它們的出力較少，并且停機時間也比較長；在第18時段這9 臺機組都有比較多的出力，因為負荷在該時段突然增加，其他機組基本上已經滿發，所以需要通過增加費用相對較高的機組來平衡負荷。

圖1 IEEE26 機24 節點系統圖

表1 機組出力表（1—12時段）p.u.

表2 機組出力表（13—24時段）p.u.

2.2 算例2

將光伏發電加入到該電網中來，和算例1的模型相比，將Unit1 和Unit19 替換為光伏機組，并且Unit19是6 臺光伏機組的并聯。仿真結果如表3、表4 所示（篇幅所限，只列出Unit1，Unit17，Unit19 和Unit26的數據）。

表3 機組出力表（1—12時段）p.u.

表4 機組出力表（13—24時段）p.u.

算例2 所有機組發電的總費用為723 993.231 元。由表3、表4 可見，由于將Unit1 換成光伏機組之后，其在第1 到第24時段內大都是滿發，正是因為光伏出力是不需要消耗煤的，沒有發電成本，所以該機組一般選擇滿發。

對比算例1的結果可看出：

（1）由于Unit1 和Unit17 是在同一節點上，而Unit1 在第1 到第4時段是沒有出力的，為了保持該節點功率平衡，在考慮網絡傳輸功率的條件下就有2 種選擇，Unit17 直接增加發電或者相鄰節點上的Unit26增加出力，最后的結果是Unit17 多出力，原因是Unit 17的發電成本低于Unit26；

（2）在加入光伏機組后，與光伏節點相連線路的流出功率會增加，這樣也符合整個系統的成本最小化。

2.3 算例3

算例2 可看出，光伏機組的加入會使得成本降低，又由于其中有很多線路的傳輸功率值還遠遠沒有達到上限，因此可提高光伏機組的出力值，來看是否會使整個系統的成本更低。在這里將每臺機組的出力放大到原來的10 倍，仿真結果如表5、表6 所示（篇幅所限，只列出Unit19，Unit21，Unit22，Unit23的數據）。

表5 機組出力表（1—12時段）p.u.

表6 機組出力表（13—24時段）p.u.

算例3 所有機組發電的總費用為654 638.688 元。對比算例2 可得出如下結論：

（1）在第8 到第12時段，與Unit19 所在節點鄰近節點的Unit21—Unit23的出力都相應減少或者減少為0，但Unit19 卻沒有滿發，這是因為線路已經接近滿載，這樣雖然費用大大減少，但是長期運行會使得線路老化嚴重，系統風險增加；

（2）算例3 中從Unit19 所在節點流出的無功功率大大減少，說明光伏發電需要消耗大量無功功率，因此在對光伏進行大規模消納的時候，要考慮在光伏節點處注入無功，否則就會造成系統的不穩定。

3 結束語

提出了一個綜合考慮光伏發電機組和傳統機組的消納體系，建立了相應的光伏發電消納分析體系的數學模型，對標準的IEEE26 機24 節點系統及其演變的2個系統算例采用GAMS 求解，通過對計算結果的分析，得出以下結論：

（1）本文所建立的數學模型和采用的GAMS 是有效的。

（2）光伏發電機組的加入會降低機組整體的發電成本，應優先選擇發電成本低的機組增加出力。

（3）要在確保系統穩定的前提下，增加機組出力，可適當在光伏節點注入無功。

再下一步可從以下方面深入研究。選取哪些節點為光伏節點對提高系統的經濟性最佳以及在光伏節點注入無功對系統穩定性的影響。

[1]陳 波，朱凌志，朱曉東.并網光伏電站低電壓穿越仿真與分析[J].江蘇電機工程，2012，31(5)：13-17.

[2]艾 欣，韓曉男，孫英云.大型光伏電站并網特性及其低碳運行與控制技術[J].電網技術，2013，37(1)：15-23.

[3]汪海寧，蘇建徽，張國榮，等.具有無功功率補償和諧波抑制的光伏并網功率調節器控制研究[J].太陽能學報，2006，27(6)：540-544.

[4]LI L L,DING Q,LI H,et al.Optimal Dispatching Method for Smoothing power Fluctuations of the Wind-Photovoltaic-Battery Hybrid Generation System[C].ISGT Asia,Tianjin:IEEE,2012：1-6.