光伏接入配電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制方法研究

周俊宇，邱桂華，陸家比

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.煙臺(tái)海頤軟件股份有限公司，山東煙臺(tái) 264001）

目前，光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，許多光伏企業(yè)逐漸進(jìn)入電網(wǎng)。但并網(wǎng)光伏發(fā)電的功率波動(dòng)大、預(yù)測(cè)困難、不具備調(diào)峰調(diào)頻等特點(diǎn)，給電網(wǎng)的有功均衡造成很大的沖擊。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的容量可以被接受，以最大限度地利用可再生能源。光伏并網(wǎng)后，不僅使電網(wǎng)的凈負(fù)荷峰谷差增大、調(diào)峰容量得到提升，同時(shí)也會(huì)使電力系統(tǒng)的凈負(fù)荷短期波動(dòng)加大，使機(jī)組調(diào)頻變得更加困難，降低了經(jīng)濟(jì)效益。

文獻(xiàn)[1]提出了基于飛蛾火焰優(yōu)化算法的火電調(diào)峰負(fù)荷分配研究。火電調(diào)峰是以最小成本為目標(biāo)構(gòu)建的調(diào)峰負(fù)荷分配模型，使用飛蛾火焰算法求解。文獻(xiàn)[2]提出了復(fù)雜約束下梯級(jí)水電站短期廠網(wǎng)協(xié)調(diào)多目標(biāo)MILP 模型。水電調(diào)峰是以梯級(jí)發(fā)電量和剩余負(fù)荷峰谷差為依據(jù)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)的，對(duì)目標(biāo)函數(shù)歸一化處理后，結(jié)合權(quán)重法求解。由于光伏接入配電網(wǎng)時(shí)輸出功率具有不確定性，因此當(dāng)負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，負(fù)載波動(dòng)時(shí)，峰值和谷差將會(huì)增大。為此，提出了光伏接入配電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制方法研究。

1 光伏接入配電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰影響分析

為了實(shí)現(xiàn)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，設(shè)計(jì)了光伏接入配電網(wǎng)系統(tǒng)。光伏接入配電網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間階段，以確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也可以通過在線的時(shí)間級(jí)來(lái)安排機(jī)組的功率以保持電力的供求均衡。其最終目的在于維持電力系統(tǒng)的有效平衡，而風(fēng)電的逆變則會(huì)使原有的負(fù)載特性發(fā)生變化，使電網(wǎng)能夠正常調(diào)峰[3-5]。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)峰特征是顯著的，也就是說，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電量與原來(lái)的峰谷差相疊加時(shí)，其峰谷差要比原來(lái)的大，因此需要機(jī)組的調(diào)峰容量足夠大[6]。光伏接入配電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰影響機(jī)理如圖1 所示。

圖1 光伏接入配電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰影響機(jī)理

由圖1 可知，p1為正常情況下機(jī)組最小出力；p2為光伏接入配電網(wǎng)機(jī)組最小出力；p3為光伏接入配電網(wǎng)機(jī)組最小出力與機(jī)組旋轉(zhuǎn)備用出力之和[7]。在低谷時(shí)期存在c1和c2兩種等效負(fù)荷，這兩種負(fù)荷的時(shí)間交點(diǎn)分別為t1和t2。

正常情況下，常規(guī)機(jī)組不滿足c1調(diào)峰需求，但滿足c2調(diào)峰需求；實(shí)際運(yùn)行情況下，c1和c2在t1時(shí)刻均達(dá)到了p3最大出力，但沒有精準(zhǔn)預(yù)測(cè)這兩個(gè)容量最小值。為了確保機(jī)組具有較大出力效果，應(yīng)在t1時(shí)刻制定出力計(jì)劃，并采取調(diào)峰調(diào)度控制策略。

2 基于削峰填谷調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制策略

在系統(tǒng)運(yùn)行模式的控制上，根據(jù)光伏接入配電網(wǎng)對(duì)調(diào)峰影響分析結(jié)果可知，在電力系統(tǒng)負(fù)載達(dá)到高峰時(shí)，利用蓄電池的放電進(jìn)行調(diào)峰[8-10]。在低電壓區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)可以根據(jù)電池的狀況來(lái)判斷是否要進(jìn)行充電。以此為根據(jù)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制模型，根據(jù)模型劃分調(diào)峰和非調(diào)峰時(shí)段，對(duì)于調(diào)峰時(shí)間采用削峰填谷方法優(yōu)化調(diào)度控制光伏接入配電網(wǎng)調(diào)峰。

2.1 調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制模型構(gòu)建

對(duì)于蓄電池狀態(tài)判斷，設(shè)計(jì)詳細(xì)的過程：確定單個(gè)蓄電池充電狀態(tài)，分析蓄電池組在充電過程中最大的充電狀態(tài)權(quán)重，計(jì)算公式為：

式中，mean(q)表示蓄電池充電狀態(tài)值；q表示荷電值。當(dāng)自變量趨向于完全放電狀態(tài)時(shí)，權(quán)重計(jì)算結(jié)果較小；當(dāng)自變量趨向于完全充電狀態(tài)時(shí)，權(quán)重計(jì)算結(jié)果較大[11]。

同時(shí)，由于光伏發(fā)電效率的影響，在實(shí)際的光伏輸出功率很小的情況下，系統(tǒng)的效率會(huì)降低[12]。通過對(duì)不同運(yùn)行工況的分析，提出了在不同時(shí)段進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)峰的方法。該系統(tǒng)通過對(duì)電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)電網(wǎng)傳輸狀況進(jìn)行判定，從而確定配電網(wǎng)目前是否在調(diào)峰范圍內(nèi)[13]。

在調(diào)峰時(shí)段，構(gòu)建調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制模型，如圖2 所示。

圖2 調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制模型

由圖2 可知，監(jiān)測(cè)光伏蓄電池的充放電功率，如果充放電功率大于或等于系統(tǒng)供電功率跟隨的負(fù)載功率，則該時(shí)段為非調(diào)峰時(shí)段，反之則為調(diào)峰時(shí)段。在非調(diào)峰時(shí)段，通過控制光伏發(fā)電功率調(diào)整負(fù)荷[14]。而在調(diào)峰時(shí)段，需要通過削峰填谷優(yōu)化調(diào)度控制方式調(diào)整負(fù)荷，使光伏接入配電網(wǎng)的負(fù)荷滿足用電需求。

2.2 削峰填谷優(yōu)化調(diào)度控制流程設(shè)計(jì)

光伏接入配電網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電網(wǎng)的頻次變化，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)峰運(yùn)行，在此模式下，光伏接入配電網(wǎng)絡(luò)的調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制由以下三個(gè)部分組成：1）在光電系統(tǒng)中，最大功率跟蹤控制由光儲(chǔ)協(xié)同控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的頻率并判斷其是否在調(diào)頻死區(qū)；2）在電網(wǎng)頻率為FM 死區(qū)的情況下，蓄能電池工作在調(diào)峰狀態(tài)[15]。這時(shí)，蓄電池組按照調(diào)峰周期進(jìn)行充放電，而在網(wǎng)頻超出調(diào)頻死區(qū)時(shí)，蓄電池組處于調(diào)頻狀態(tài)，并依據(jù)頻偏方向計(jì)算出蓄電池組的一次基準(zhǔn)功率；3）通過與逆變器的閑置能力對(duì)比，將二者中較低的值的作為輔助基準(zhǔn)，通過對(duì)蓄電池組的最大輸出限制因子進(jìn)行優(yōu)化，并將其作為最后的參考功率。

基于此，設(shè)計(jì)的削峰填谷優(yōu)化調(diào)度控制流程如圖3 所示。

圖3 削峰填谷優(yōu)化調(diào)度控制流程

在滿足電網(wǎng)調(diào)峰要求的情況下，如果采用恒定功率充放電，則會(huì)導(dǎo)致光伏電池不能充分充電或充分放電，導(dǎo)致電能的浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致電能損耗[16]。為此，必須設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的最大輸出限制因子，以保證其可以在變流電源系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)峰。

在充放電情況下，光伏儲(chǔ)能電池最大出力約束系數(shù)分別為γ充、γ放，可表示為：

結(jié)合式（2）、（3）得到最終參考功率與荷電狀態(tài)約束關(guān)系，基于此，設(shè)計(jì)詳細(xì)調(diào)峰方案，主要有以下兩種情況：

情況一：當(dāng)荷電狀態(tài)較高時(shí)，即q>0.5，按照最終參考進(jìn)行放電處理，以此調(diào)峰；當(dāng)荷電狀態(tài)較低時(shí)，即q<0.5，為了充分利用光伏儲(chǔ)能電池容量，避免出現(xiàn)過放現(xiàn)象，光伏儲(chǔ)能電池以參考功率乘以一個(gè)小于1 的荷電狀態(tài)進(jìn)行放電，且最大出力隨著荷電狀態(tài)下降而逐漸減小。

情況二：當(dāng)荷電狀態(tài)較低時(shí)，即q<0.5，按照最終參考進(jìn)行充電處理，以此調(diào)峰；當(dāng)荷電狀態(tài)較高時(shí)，即q>0.5，為了充分利用光伏儲(chǔ)能電池容量，避免出現(xiàn)過充現(xiàn)象，光伏儲(chǔ)能電池以參考功率乘以一個(gè)小于1 的荷電狀態(tài)進(jìn)行充電，且最大出力隨著荷電狀態(tài)上升而逐漸減小。

在這兩種情況下，當(dāng)光伏接入配電網(wǎng)后，能夠保證光伏儲(chǔ)能電池具有快速響應(yīng)能力，同時(shí)又能通過充放電調(diào)峰，避免出現(xiàn)過充/過放現(xiàn)象[17]。

3 實(shí) 驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方法有效性，在Matlab 上進(jìn)行全時(shí)段光伏供電調(diào)峰效果驗(yàn)證分析。

3.1 全時(shí)段光伏供電調(diào)峰效果分析

充分考慮在蓄電池全天放電過程中，某個(gè)時(shí)間段調(diào)峰動(dòng)作時(shí)間短的情況，為此，設(shè)置一個(gè)10%的預(yù)留容量。以夏季為例，日光照強(qiáng)度如表1 所示。

表1 日光照強(qiáng)度

基于表1 數(shù)據(jù)，對(duì)全時(shí)段光伏供電調(diào)峰情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。當(dāng)光伏接入配電網(wǎng)后參與調(diào)峰控制的全時(shí)段傳輸功率變化情況，如圖4 所示。

圖4 全時(shí)段傳輸功率變化情況分析

由圖4 可知，0-4 點(diǎn)用戶用電情況較少，配電網(wǎng)傳輸功率波動(dòng)變化情況較小，處于穩(wěn)定變化狀態(tài)，此時(shí)配電網(wǎng)也處于非調(diào)峰時(shí)段；在夏季4 點(diǎn)左右，太陽(yáng)開始升起，光伏功率逐漸增加，但增加的功率較小，只能對(duì)配電網(wǎng)蓄電池充電。配電網(wǎng)輸出功率達(dá)到20%以上時(shí)，逐漸以該額定功率為基礎(chǔ)進(jìn)行并網(wǎng)，使蓄電池繼續(xù)充電直到充滿為止；在12 點(diǎn)左右時(shí)，配電網(wǎng)傳輸功率出現(xiàn)一個(gè)高峰，此時(shí)光伏功率輸出最大，供用電處于一個(gè)平衡狀態(tài)，此時(shí)電壓波動(dòng)情況并不大，無(wú)須調(diào)峰；在20-24 點(diǎn)時(shí)配電網(wǎng)傳輸功率又出現(xiàn)一個(gè)高峰，此時(shí)基本沒有光伏功率，為了保證供電平衡，需要蓄電池放電，此時(shí)需要調(diào)峰處理。

當(dāng)蓄電池放電時(shí)，配電網(wǎng)電壓是處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的，且在參考電壓附近波動(dòng)。當(dāng)蓄電池放電程度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，蓄電池停止放電，配電網(wǎng)繼續(xù)充電。整個(gè)調(diào)峰前后過程電壓變化情況如表2所示。

表2 調(diào)峰前后電壓變化情況分析

由表2 可知，調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制的作用，使得調(diào)峰后的電壓始終穩(wěn)定在參考值電壓附近，因此，所研究的策略具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到調(diào)峰的目的。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法和所提方法，對(duì)比分析調(diào)峰后的傳輸功率，對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 三種方法調(diào)峰后傳輸功率對(duì)比分析

由圖5 可知，文獻(xiàn)[1]方法在中午時(shí)段最高傳輸功率為20 kW，與理想最高22 kW 存在2 kW 的誤差。在晚上，傳輸功率穩(wěn)定在1 kW；文獻(xiàn)[2]方法在中午時(shí)段最高傳輸功率為19 kW，與理想最高22 kW存在3 kW 的誤差。在晚上，傳輸功率穩(wěn)定在4 kW；所提方法在中午時(shí)段最高傳輸功率為22 kW，與理想最高22 kW 一致。在晚上，傳輸功率穩(wěn)定在0 kW。由此可知，所提方法調(diào)峰后的傳輸功率與理想情況一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中提出的光伏接入配電網(wǎng)調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度控制方法，能夠有效地利用太陽(yáng)能電池的空余容量，對(duì)調(diào)峰和不調(diào)峰進(jìn)行分區(qū)。針對(duì)蓄能電池的充放電特點(diǎn)，采用以充電狀態(tài)為基礎(chǔ)的最大輸出因子，以限制其輸出。這種方法能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的調(diào)峰工作做出迅速的反應(yīng)，為電網(wǎng)的調(diào)峰工作提供了有力的支撐。