新能源電站柔性功率控制系統(tǒng)的 研制與應(yīng)用

摘 要：柔性功率控制系統(tǒng)對實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的功率控制至關(guān)重要。本文提出了復(fù)合儲能容量配置的優(yōu)化目標函數(shù)，包括成本最小化、可再生能源波動抑制和供求平衡等方面。針對多目標優(yōu)化算法選擇，介紹了XGBoost算法的原理和應(yīng)用場景。通過試驗驗證了濾波時間對輸出功率穩(wěn)定性和儲能裝置利用效率的影響。結(jié)果表明，不同濾波時間會影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和輸出功率穩(wěn)定性。優(yōu)化儲能容量配置和選擇合適的控制算法，可以提高系統(tǒng)的功率控制效率和穩(wěn)定性，有效應(yīng)對可再生能源波動性，實現(xiàn)供需平衡。

關(guān)鍵詞：新能源電站；柔性功率控制；儲能分頻控制

中圖分類號：TM 619" " " " " 文獻標志碼：A

隨著全球?qū)稍偕茉吹男枨蟛粩嘣鲩L，新能源電站也面臨如何實現(xiàn)高效、穩(wěn)定功率控制等問題。面對復(fù)雜功率控制環(huán)境中的新能源消納、儲能單元加入和多種發(fā)電形式的出力變化，柔性功率控制系統(tǒng)成為一種關(guān)鍵技術(shù)，并吸引了諸多研究者的關(guān)注。顏湘武等[1]研究了基于旋轉(zhuǎn)式潮流控制器的有源配電網(wǎng)柔性合環(huán)及緊急功率控制方法。劉岳坤等[2]研究了柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)導(dǎo)納矩陣建模及頻率耦合抑制策略。魯曉軍等[3]研究了基于電容能量的風電柔性直流快速功率控制。陶征等[4]研究了基于柔性勵磁功率控制的載波同步策略。陳敦輝等[5]研究了采用能量平衡性分析的MMC柔直系統(tǒng)自適應(yīng)功率控制策略。吳攀等[6]提出了基于功率互濟的柔性互聯(lián)多微網(wǎng)孤島運行多層協(xié)調(diào)控制策略。顧后生等[7]提出了多直流微電網(wǎng)群柔性互聯(lián)與控制策略。

1 柔性功率控制系統(tǒng)目標設(shè)計

整理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計整體框架見表1。

儲能系統(tǒng)是新能源電站的重要組成部分，具有存儲和釋放電能功能，可以平衡供需間的差異，提高系統(tǒng)靈活性和穩(wěn)定性。因此，當設(shè)計新能源電站柔性功率控制系統(tǒng)時，合理配置儲能裝置至關(guān)重要。因此本文考慮其儲能配置，分析其多目標優(yōu)化，從復(fù)合儲能成本、功率供求平衡和可再生能源波動抑制等多個角度建立復(fù)合儲能容量配置的優(yōu)化目標，如公式（1）所示。

式中：f（x）為最終的多目標聚合函數(shù)；fi（x）為分目標函數(shù)，其數(shù)量為m；λi為該目標函數(shù)的權(quán)重。

根據(jù)實際需求，本文以多個角度建立了多目標聚合函數(shù)，在其中權(quán)重λi反映了各個子目標相對重要程度，從而形成一個綜合評價指標，以指導(dǎo)決策者確定最佳混合存儲裝置容量分配方案。其中，成本是一個重要考量因素。最小化復(fù)合儲能系統(tǒng)的費用可以降低整體運營成本，并提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益。成本目標是指在滿足微電網(wǎng)基本運行調(diào)度情況下，使復(fù)合儲能費用最小。成本目標函數(shù)包括儲能變換設(shè)備、系統(tǒng)成本以及維護成本，如公式（2）所示。

式中：f1（x）為成本目標；Euc和Ebat分別為超級電容和蓄電池的儲能容量；ηuc和ηbat分別為超級電容和蓄電池的效率；cuc和cbat分別為超級電容和蓄電池的單位容量價格；cm為儲能維護成本。

模型在目標函數(shù)中加入了與儲能變換設(shè)備、維護等相關(guān)的費用項，可保證在滿足微網(wǎng)基礎(chǔ)調(diào)度需求下實現(xiàn)最佳經(jīng)濟性。

超級電容和蓄電池具有性能差異，通常分別處理高頻功率和低頻功率分量，因此需要引入濾波器分配。保持穩(wěn)定且靈活的功率供應(yīng)對新能源電站至關(guān)重要。優(yōu)化配置復(fù)合儲能容量可以更好地平衡負載需求和可再生資源波動間的差異，在不同時間尺度上實現(xiàn)負載均衡，并減少對傳統(tǒng)發(fā)電機組的依賴。因此，相應(yīng)加入的目標函數(shù)如公式（3）所示。

式中：Puc和Pbat分別為超級電容和蓄電池的補償功率；Pess為需補償功率；T為濾波時間；cT為濾波時間設(shè)置倍率，用于進一步平衡新能源電站類型所導(dǎo)致的發(fā)電性能波動頻率。

隨著可再生資源（例如風力、太陽能）占比增加，當光照或風速變化較大時會導(dǎo)致輸出功率波動明顯。可適當配置復(fù)合儲能容量來緩解這種波動，有助于提高整體系統(tǒng)穩(wěn)定性和預(yù)測精度。新能源的功率平抑目標為建立平滑后使可再生能源出力變化差值的平方和最小，如公式（4）所示。

式中：f2（x）為功率波動的平抑目標；Pi-1為平滑前出力；Pi為平滑后出力。

微電網(wǎng)供求平衡目標以儲能補償后的各時間段負荷與調(diào)節(jié)后負荷均值偏差的平方和最小為目標，如公式（5）所示。

式中：：f3（x）為供求平衡目標函數(shù)；PL為負荷功耗；Pavg為平抑后的符合均值。

2 柔性功率控制系統(tǒng)約束條件分析

與此同時，微電網(wǎng)中復(fù)合儲能配置需考慮儲能荷電狀態(tài)、最大功率限幅和瞬時功率平衡等限制條件，以保證合理性。

儲能設(shè)備的荷電狀態(tài)對其性能和壽命具有重要影響，在優(yōu)化過程中補償前、后蓄電池和超級電容的荷電狀態(tài)，可以避免過度充、放電導(dǎo)致儲能設(shè)備損壞或降低效率。荷電狀態(tài)的約束條件分別如公式（6）、公式（7）所示。

式中：Sj-1，uc為補償前的蓄電池荷電狀態(tài)；Sj，uc為補償后的蓄電池荷電狀態(tài)； Sj-1，bat為補償前超級電容的荷電狀態(tài)；Sj，bat為補償后超級電容的荷電狀態(tài)；r為匹配常數(shù)。

其中，儲能補償功率規(guī)模存在最大上限，當其超出限額時，對應(yīng)存在最大限額。如果儲能補償功率為負，則其儲能達到最大值后停止充電，需要修正實際交換功率，采取相應(yīng)措施以保障設(shè)備安全，并保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，如公式（8）、公式（9）所示。

式中：Smin，uc為蓄電池儲能最大放電即停止放電狀態(tài)；Smax，uc為蓄電池儲能不再充電即充電完成狀態(tài)；Smin，bat為超級電容儲能最大放電即停止放電狀態(tài)；Smax，bat為不再充電即充電完成狀態(tài)。

綜合目標函數(shù)和約束條件，得到微電網(wǎng)中復(fù)合儲能容量管理的多目標優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。多種不可比較甚至沖突的優(yōu)化目標需要借助多目標優(yōu)化算法來尋找最佳解。

本文將XGBoost作為多目標優(yōu)化算法。XGBoost即Extreme Gradient Boosting，來自華盛頓大學(xué)Carlos Guestrin實驗室，是一類梯度提升算法，通常應(yīng)用于監(jiān)督學(xué)習(xí)問題，也即用于分類和回歸。XGBoost利用一階導(dǎo)數(shù)信息ri和二階導(dǎo)數(shù)hi進行迭代形成，并相加更新學(xué)習(xí)器。對于損失，XGBoost進行二階泰勒展開，并額外加入正則項，從而平衡模型。因此，XGBoost是一種對輸入數(shù)據(jù)的要求不敏感的算法，從而能夠較好地應(yīng)用于實踐領(lǐng)域中。

3 性能測試

立足于現(xiàn)有控制系統(tǒng)設(shè)計和算法選擇，本文利用光伏電站真實數(shù)據(jù)對新能源電站柔性功率控制系統(tǒng)中濾波時間對輸出功率穩(wěn)定性和儲能裝置的利用效率進行性能測試。其中，新能源系統(tǒng)的輸出功率隨濾波時間常數(shù)的調(diào)整而變化的結(jié)果如圖1所示。

當濾波時間常數(shù)增加時，新能源電站的輸出功率會隨之增加。原因是較長的濾波時間允許系統(tǒng)更多地平均化輸入信號，從而使輸出功率更接近于負載需求的長期平均水平。然而，當濾波時間超過一定閾值（約4 s）后，輸出功率會急劇下降。原因是較長的濾波時間導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢，無法及時跟蹤負載需求的快速變化。這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致系統(tǒng)在瞬態(tài)條件下產(chǎn)生幅度過大的功率波動，可能無法滿足對快速響應(yīng)性能有一定要求的應(yīng)用場景。

立足于功率平抑需要，平滑功率波動后的發(fā)電功率變化結(jié)果如圖2所示。

對輸出功率進行平滑處理后，其波動幅度顯著降低，表明在處理過程中加入一定程度的平滑性能可使輸出功率更穩(wěn)定。采用適當?shù)钠交幚矸椒梢杂行p少系統(tǒng)輸出功率的瞬態(tài)波動，從而提高系統(tǒng)對負載需求變化的適應(yīng)能力。其中，新能源系統(tǒng)的儲能單元能量利用隨濾波時間常數(shù)的調(diào)整而變化的結(jié)果如圖3所示。

隨著濾波時間增加，儲能單元的利用日益增加，對儲能規(guī)模的挖掘曲線持續(xù)下探，現(xiàn)有儲能的利用效率逐漸提高。該結(jié)果反映出儲能單元的管控性能較好，較長的濾波時間允許系統(tǒng)更好地預(yù)測和調(diào)整輸出功率，以匹配負載需求，并能減少由瞬態(tài)變化引起的頻繁充放電循環(huán)，從而延長儲能裝置的使用壽命。如果儲能利用過度，其能量消耗過多，就會導(dǎo)致儲能耗盡，此后電力供應(yīng)難以維持穩(wěn)定水平，威脅發(fā)電性能和并網(wǎng)能力。

立足于功率平抑需要，對平抑化后的儲能單元消耗情況進行計算與整理，其結(jié)果如圖4所示。

對數(shù)據(jù)進行平滑處理后，輸出功率的波動幅度也顯著減少，表明較長的濾波時間可以提高系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下對負載需求變化的適應(yīng)能力，并減少系統(tǒng)在瞬態(tài)條件下波動幅度過大的可能性。較長的濾波時間可以帶來更穩(wěn)定和可預(yù)測的輸出功率，但是也會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢，在快速響應(yīng)性能要求較高的場景下性能不足。較短的濾波時間可以提高系統(tǒng)對快速負載需求變化的響應(yīng)速度，但是也可能導(dǎo)致輸出功率幅度較大、頻繁變化等問題。

4 結(jié)語

本文深入研究了新能源電站柔性功率控制系統(tǒng)中的儲能配置和多目標優(yōu)，進行了濾波時間對輸出功率穩(wěn)定性和儲能裝置利用效率的影響測試。結(jié)果顯示，不同濾波時間會影響系統(tǒng)響應(yīng)速度和輸出功率穩(wěn)定性。平滑處理可減少系統(tǒng)波動，提高穩(wěn)定性，延長儲能裝置壽命，在合理選擇和配置儲能設(shè)備方面具有重要意義，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和控制策略是關(guān)鍵。未來研究應(yīng)加強多目標優(yōu)化算法選擇與智能算法優(yōu)化濾波參數(shù)的研究。

參考文獻

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