交直流混合配電臺區光伏消納優化控制

陳 斌，馬仲坤，劉文龍，呂志鵬，黃奇峰，戚星宇

（1.國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213003；2.國網上海能源互聯網研究院有限公司，上海 201210；3.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016）

光伏發電系統并網裝置能夠將光伏電池的電能傳輸到電力網絡中進行消納。然而，目前的光伏并網裝置多采用交流并網方式將光伏發電量轉移至交流電網，忽視了直流電網，因而其適用面較窄，難以適應多種類的用電需要。光伏發電系統大規模接入交直流混合配電臺區對輸出電壓控制和繼電保護都會產生一定影響。因此，如何有效地控制配電臺區光伏消納能力，提高光伏并網效率，是當前的重點研究內容。

近幾年有學者對配電臺區光伏消納控制方法做出了研究。文獻[1]在光伏并網大規模應用情況下，使用光伏發電消納序列重構技術，構建配電臺區約束精細化模型；文獻[2]提出了一種基于負荷曲線等效斜率提升的控制方法，該方法通過控制負荷曲線等效斜率，分析用戶不同用電需求程度。根據等效斜率計算公式，將時間尺度轉移到光伏發電系統最佳工作模式，由此管控光伏消納。

上述兩種方法容易受到外部環境影響，例如外物遮擋導致光伏消納效果不佳，為此提出交直流混合配電臺區光伏消納優化控制方法。

1 配電臺區互聯結構

在交直流混合配電臺區互聯結構中，與光伏電源能源供給相關的是電動汽車。當電動汽車電池存儲量消耗到一定程度時，就必須對充電裝置進行能量補給。由此得到的光伏電源接入充電站的配電臺區互聯結構如圖1 所示。

圖1 光伏電源接入充電站的配電臺區互聯結構

在圖1 所示的結構中，融合終端與交流、直流微網的控制可以按照其工作方式和功能需求劃分為操作功能控制和流程級協同控制。在互聯平臺區域內配備一種新型的智能融合終端，能夠全面監測平臺區域的操作信息，監測并網的逆變器、智能斷路器（或光電邊緣開關）[3-4]。以配電臺區融合終端裝置為樞紐，結合多主體信息交互方式，可實現配電臺區與電力系統直接進行信息交互，定期地調用和檢測主站點獲取的數據[5]。交直流混合配電臺區的智能融合終端間可直接進行數據匯總，也為光伏消納優化控制提供數據支持。

2 光伏消納優化控制

2.1 多臺區光伏消納分區管理

在正常工作的情況下，MPPT 運行模式可以達到最大發電功率。光伏發電系統的輸出與目前的光照強度有很大關系，而不同的光照強度則對應不同發電功率[6]。因此，如果使用光照強度作為指標調整控制參量，那么必須先確定不同光照強度下光伏消納的效果。依據光照強度，劃分多臺區光伏消納區間，其中，第一區間光照強度在800 W/m2以上，第二區間光照強度大于400 W/m2小于800 W/m2，第三區間光照強度在400 W/m2以下[7-9]。

由于不同光照強度下調節工作效率存在差異，使得光伏發電系統的功率輸出通常會因光照強度的不同而有所變化[10]。為了方便后續控制，充分考慮不同光照強度區間下的光伏消納，綜合全部消納結果可得到如下計算公式：

式中，W1、W2、W3分別表示在光強大于800 W/m2、大于400 W/m2小于800 W/m2、小于400 W/m2的光伏陣列消納[11]，V1、V2、V3分別表示與W1、W2、W3相對應的權重。根據不同環境下的光伏消納分區管理模式，能夠跟蹤光伏陣列全局的最佳輸出電壓。依據該原理，優化控制光伏消納。

2.2 基于多能耦合交互的控制模型構建

考慮能源轉換設備的運行條件，將外部能源供應作為主體，根據自身調節特點，構建火電-光伏-用電設備出力模型，以期最大程度消納光伏[12]。基于此，構建火電-光伏-用電設備出力模型如下：

式中，ω1表示火電機組運行權重；ω2表示光伏未消納權重；ω3表示負荷需求響應補償權重；E1、E2、E3分別表示火電機組發電煤耗量、光伏發電未消納量、系統負荷響應成本[13]。以跟蹤不同環境下光伏陣列全局的最佳輸出電壓為目標，通過賦予這三個指標合理權重系數[14]，構建三個指標的子函數為：

式中，T表示控制周期；n1、n2分別表示火電機組數量和光伏電站數量；ci、zi分別表示機組燃燒成本系數和機組啟停成本[15]；Wi,t、ui,t分別表示機組發電量和機組在t時刻啟停狀態；Xt、X′表示光伏發電未消納量預測值和實際值；λ表示需求與電價線性系數；Δqt表示系統需求響應負荷值。調控火電-光伏-用電設備出力的各項指標，實現多能耦合交互控制。改變電力用戶用電階段，從而實現削峰填谷。

2.3 能量交互控制

在配電臺區靈活性資源接入前提下，采用逆變器電壓無功控制技術，解決光伏消納問題。在削峰填谷的控制方案下，應保證交直流混合配電臺區的光伏發電系統總容量在30%以下，總容量計算公式為：

式中，N表示光伏組件數；g表示單塊光伏組件最大容量[16]。為了避免光伏發電系統在最小負荷條件下出現消納不均的情況，需保證光伏發電系統接入交直流混合配電臺區的容量不宜小于式（4）。在實際光伏消納過程中，無功調節受到功率因素約束，逆變器無功控制由功率因素決定，由此得到的電壓幅值變化量為：

式中，F有、F無分別表示有功、無功電壓幅值；ΔP有、ΔP無分別表示有功、無功變化量序列。根據光伏發電單元無功功率計算公式，可得到逆變器最大無功功率，如下：

式中，Pcut表示逆變器切入、切出功率，θmax表示逆變器最大功率因數角。充分考慮光伏接入交直流混合配電臺區后，通常導致并網處節點的電壓升高，通過式（6）控制逆變器輸出功率，使光伏消納優化控制效果更明顯。

3 實驗

為了驗證交直流混合配電臺區光伏消納優化控制合理性，在Simulink 仿真平臺下進行充電樁的光伏消納模擬實驗測試。

3.1 實驗環境設置

選用10×150 的光伏陣列來驗證所研究方法的自適應性，設置了光照強度突變環境，即外物遮擋。光伏陣列結構如圖2 所示。

圖2 并網光伏發電系統結構

假定圖2 中右上角的光伏陣列受到遮擋，光照強度由1 500 W/m2降到300 W/m2。在有無遮擋前提條件下，設置隨機模擬場景。

模擬場景1：同時包含單點接入及多點接入，各節點的電壓均處于安全電壓上限之內。模擬場景2：單點接入，各節點的電壓均處于安全電壓上限之內，多點接入各節點的電壓超越安全電壓上限。模擬場景3：多點接入，各節點的電壓均處于安全電壓上限之內，單點接入各節點的電壓超越安全電壓上限。

3.2 實驗數據分析

在設置的三種模擬場景下，無遮擋光伏陣列和遮擋光伏陣列下的輸出電壓如圖3 所示。

圖3 配電臺區輸出電壓波形圖

由圖3 可知，在無遮擋情況下，三個場景的輸出電壓均超過200 V，能夠較好地實現光伏消納；在有遮擋情況下，三個場景的輸出電壓均未超過200 V，此時逆變器負責調節輸出電壓，使得電壓波動幅度較小，有效保證了在輸出電壓穩定情況下光伏消納達到最大。

3.3 實驗結果與分析

分別使用基于時序運行模擬的消納方法、基于負荷曲線等效斜率提升的控制方法和該文研究方法，對比分析輸出電壓，對比結果如圖4 所示。

圖4 三種方法輸出電壓對比分析

由圖4（a）可知，在有遮擋情況下，三個場景的輸出電壓均未超過200 V。在無遮擋情況下，場景1 下的輸出電壓未超過200 V，場景2、3 輸出電壓均超過200 V；由圖4（b）可知，在有遮擋情況下，三個場景的輸出電壓均低于100 V。在無遮擋情況下，只有場景3 下的部分輸出電壓超過200 V；由圖4（c）可知，在有遮擋情況下，三個場景的輸出電壓均未超過200 V。在無遮擋情況下，場景1 下有小部分輸出電壓未超過200 V，其余均超過200 V。

通過上述分析結果可知，使用該文研究方法得到的配電臺區輸出電壓與實際輸出電壓波形一致，且數值相差較小，說明該方法在理想輸出電壓的前提下，具有良好的光伏消納效果。

4 結束語

該文提出了交直流混合配電臺區光伏消納優化控制方法，利用交直流混合配電臺區互聯結構，結合MPPT 運行模式，按照實際光照強度分區管理光伏消納。同時，通過光伏并網逆變器控制方法，擴大非對稱參數死區寬度，提升光伏消納優化控制效果，保證光伏發電系統在不同模擬場景下，對交直流混合配電臺區起到電力支撐作用。通過實驗驗證了該方法研究的可靠性，有效提高了光伏消納效率，提升了光伏發電系統運行穩定性。