區(qū)域能源管理系統(tǒng)對光伏電站有功功率的 自動控制方式分析

鄭芳琪，董麗靜

(1.國家電投集團貴州金元威寧能源股份有限公司，貴陽550081；2.中國可再生能源學(xué)會，北京 100190)

0 引言

我國大多數(shù)地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，再加上光伏發(fā)電技術(shù)日益成熟，在我國發(fā)展光伏發(fā)電具有地理優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢。但隨著光伏電力在電網(wǎng)中占比的提高，對電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)度管理和安全運行造成了很大壓力，甚至產(chǎn)生了很多問題。在電網(wǎng)建設(shè)水平較為薄弱的地區(qū)，對于控制光伏發(fā)電有功功率存在極大難度，因此，如何實現(xiàn)光伏電站有功功率的合理控制，是提高并網(wǎng)光伏電站發(fā)電質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。本文概述了區(qū)域能源管理系統(tǒng)(下文簡稱“區(qū)域能管系統(tǒng)”)對光伏電站有功功率自動控制的必要性，著重分析了區(qū)域能管系統(tǒng)對光伏電站有功功率的自動控制方式，并以某光伏電站為例對該方式的實際效果進行了驗證。

1 區(qū)域能管系統(tǒng)對光伏電站有功功率自動控制的必要性

外界環(huán)境能夠直接影響光伏電站的發(fā)電質(zhì)量，而自動控制光伏電站有功功率可提升并網(wǎng)光伏電站的供電質(zhì)量，保證電網(wǎng)運行的安全性與可靠性。科學(xué)且合理的光伏電站有功功率自動控制方式，可以確保并網(wǎng)光伏電力的頻率始終保持在電網(wǎng)規(guī)定的范圍內(nèi)。出于電網(wǎng)運行安全的考慮，電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)會對某個區(qū)域內(nèi)的光伏電站下發(fā)一個總有功功率目標(biāo)值，而一個區(qū)域內(nèi)通常包括多個光伏電站，會共用該目標(biāo)值，這種情況下非常適合采用區(qū)域能管系統(tǒng)進行管理，通過區(qū)域能管系統(tǒng)將該目標(biāo)值拆分給不同的光伏電站，以實現(xiàn)總有功功率目標(biāo)值的合理分配[2]。而對于某個光伏電站而言，其接收到有功功率目標(biāo)值后會將該值合理分配給電站內(nèi)所有的光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備，以實現(xiàn)該目標(biāo)值的分配。

2 區(qū)域能管系統(tǒng)對光伏電站有功功率的自動控制方式

2.1 區(qū)域能管系統(tǒng)的總體策略分析

對于區(qū)域能管系統(tǒng)與某個區(qū)域內(nèi)的所有光伏電站而言，電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)下發(fā)的有功功率目標(biāo)值具有統(tǒng)一性，區(qū)域能管系統(tǒng)接收到目標(biāo)值后對從屬于其的所有光伏電站單獨設(shè)置目標(biāo)值并下發(fā)目標(biāo)值。

目標(biāo)值的劃分將從2個層面進行：第1個層面為區(qū)域能管系統(tǒng)接到總體目標(biāo)值后，將總體目標(biāo)值進行拆分，從而得到不同光伏電站的目標(biāo)值；整個分配過程采取區(qū)域優(yōu)先級策略，但該過程通常不會直接將目標(biāo)值下發(fā)給光伏電站，而是需要經(jīng)過第2個層面的算法后再進行目標(biāo)值的下發(fā)。第2個層面是將光伏電站目標(biāo)值拆分為光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率目標(biāo)值，然后分別對本電站內(nèi)的光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備下發(fā)指令，并確保所有光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備都能接收到指令。

通常情況下，某個區(qū)域內(nèi)的全部光伏電站均會接入到該區(qū)域的區(qū)域能管系統(tǒng)；但在某些情況下，區(qū)域內(nèi)的某個光伏電站是可以不受區(qū)域能管系統(tǒng)的控制，即雖然該光伏電站屬于此區(qū)域，但不接收區(qū)域能管系統(tǒng)下發(fā)的目標(biāo)值，而是采用其獨立的電網(wǎng)調(diào)度目標(biāo)值。但即使該光伏電站不參與區(qū)域能管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，在計算區(qū)域內(nèi)的總有功功率時，仍會將其實際有功功率計入其中，只是區(qū)域能管系統(tǒng)不會再將指令下發(fā)到該光伏電站，該光伏電站已處于不受區(qū)域能管系統(tǒng)控制的狀態(tài)，可以自行完成有功功率的控制。

當(dāng)光伏電站側(cè)的電網(wǎng)自動發(fā)電控制(AGC)處于投入狀態(tài)時，雖然光伏電站之后仍會受到區(qū)域能管系統(tǒng)的自動監(jiān)測，但此時區(qū)域能管系統(tǒng)的自動監(jiān)測將會自動閉鎖，退出集控管理側(cè)的區(qū)域能管系統(tǒng)，由光伏電站側(cè)自行完成有功功率控制。當(dāng)光伏電站側(cè)的電網(wǎng)AGC處于退出狀態(tài)時，則由區(qū)域能管系統(tǒng)對光伏電站的有功功率進行調(diào)節(jié)。但如果區(qū)域能管系統(tǒng)未接入光伏電站的電網(wǎng)AGC投入、退出狀態(tài)，那么電站投入或退出區(qū)域能管系統(tǒng)則需要由值班人員手動完成。

區(qū)域能管系統(tǒng)內(nèi)某個光伏電站的有功功率控制目標(biāo)值可以采用電網(wǎng)調(diào)度目標(biāo)值，但在這種情況下，光伏電站側(cè)的電網(wǎng)AGC子站將會處于投入狀態(tài)，系統(tǒng)將不會繼續(xù)將目標(biāo)值分配到該光伏電站，而剩余的其他光伏電站將獲得區(qū)域能管系統(tǒng)分配的有功功率目標(biāo)值。

2.2 區(qū)域內(nèi)有功功率目標(biāo)值的分配

基于有功功率偏差(有功功率偏差是指電網(wǎng)調(diào)度值與區(qū)域內(nèi)總有功功率值的差值)對光伏電站有功功率目標(biāo)值進行分配時采用優(yōu)先級分配策略，首先需獲得當(dāng)前太陽輻照度下某個光伏電站全部的理論有功功率，根據(jù)該理論有功功率值可判斷該光伏電站向上可調(diào)的有功功率最大目標(biāo)值，進而完成光伏電站有功功率目標(biāo)值的分配。光伏電站的光功率曲線的形成要以不限電情況下的理論有功功率值為基礎(chǔ)，并將其作為電站的理論功率曲線。通過該理論有功功率曲線和太陽輻照度對當(dāng)前狀態(tài)下的光伏電站理論有功功率作出判斷，從而在區(qū)域能管系統(tǒng)中完成合理的有功功率分配。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在正有功功率偏差時，優(yōu)先將其分配到優(yōu)先級最高的光伏電站。但若該最高優(yōu)先級光伏電站的理論有功功率與實際有功功率的差值小于等于正有功功率偏差，那么分配到該光伏電站的有功功率目標(biāo)值等于其全部的裝機容量，該光伏電站可以自由發(fā)電；若該最高優(yōu)先級光伏電站的理論有功功率與實際有功功率的差值大于等于正有功功率偏差，那么分配到該光伏電站的有功功率目標(biāo)值等于正有功功率偏差與其有功功率的和，但該光伏電站需限電運行。在完成最高優(yōu)先級光伏電站的正有功功率偏差分配后，若還存在剩余的正有功功率偏差，那么需要按照電站的優(yōu)先級依次從高到低將正有功功率偏差依據(jù)上述方法進行再次分配。

當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在負(fù)有功功率偏差時，優(yōu)先將其分配到優(yōu)先級最低的光伏電站，但該光伏電站的最低有功功率需維持在不小于10 MW。若該光伏電站的實際有功功率與負(fù)有功功率偏差絕對值的差值大于等于10 MW，那么分配到該光伏電站的有功功率目標(biāo)值為其實際有功功率與負(fù)有功功率偏差絕對值的差值；若該光伏電站的實際有功功率與負(fù)有功功率偏差絕對值的差值小于等于10 MW，那么分配到該光伏電站的有功功率目標(biāo)值為10 MW。在完成優(yōu)先級最低光伏電站的負(fù)有功功率偏差分配后，若還存在剩余的負(fù)有功功率偏差，那么需要按照光伏電站優(yōu)先級依次從低到高將負(fù)有功功率偏差依據(jù)上述方法進行再次分配。

2.3 基于單個光伏電站的有功功率自動控制方式

在區(qū)域能管系統(tǒng)控制單個光伏電站的有功功率過程中，需要將設(shè)定的有功功率值合理地分配給該光伏電站內(nèi)的各光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在分配過程中，需對光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的可調(diào)節(jié)有功功率的能力作出判斷。此外，在設(shè)定光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率目標(biāo)值時，要保證與電網(wǎng)調(diào)度提出的要求相符合。

區(qū)域能管系統(tǒng)要做到合理分配有功功率，除了要對有功功率分配時光伏電站的優(yōu)先級做好設(shè)定以外，還要在其對有功功率控制期間收集所有光伏電站的電壓值、電流值、功率因數(shù)、輸出功率等電氣參數(shù)值，以及環(huán)境溫度、太陽輻照度、光伏組件溫度與光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)等，并綜合分析收集到的各項數(shù)據(jù)，然后與光伏電站的光功率曲線相結(jié)合來獲得各個光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率可調(diào)節(jié)量，最后計算得到光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的預(yù)計輸出功率值。

光伏電站中，若每個光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備接入的光伏方陣規(guī)模相同，那么各個光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的理論有功功率的差距很小，這種情況下可以平均分配有功功率目標(biāo)值。平均分配的策略是將光伏電站有功功率目標(biāo)值平均分配到光伏陣列，然后將相同規(guī)模的光伏方陣接入到不同的光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，有效控制光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率，其關(guān)系表達式可表示為：

式中：Ps_ref為單臺光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率；Pref為光伏電站有功功率目標(biāo)值；N為光伏電站內(nèi)光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的總數(shù)量。

當(dāng)某個光伏電站采用的是數(shù)據(jù)采集設(shè)備時，區(qū)域能管系統(tǒng)對該光伏電站的有功功率控制流程圖如圖1所示。

圖1 區(qū)域能管系統(tǒng)對某光伏電站的有功功率控制流程圖Fig. 1 Flow chart of active power control of a PV power station by regional energy management system

光伏電站需要根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度指令制定相應(yīng)的有功功率控制模式，常見的模式有斜率控制模式、調(diào)整模式、限制模式及差值模式。在控制光伏電站的有功功率時，這4種模式的控制方式存在差異，但大多是以光伏電站的理論輸出功率為基礎(chǔ)。區(qū)域能管系統(tǒng)會利用算法滿足電網(wǎng)要求。由于電網(wǎng)嚴(yán)格限制光伏電站的有功功率變化率，整個光伏電站的輸出功率變化率應(yīng)該控制在電網(wǎng)規(guī)定的變化率以下，因此，斜率控制模式將會是區(qū)域能管系統(tǒng)控制光伏電站有功功率時的主要模式。

基于光伏電站接入電網(wǎng)的技術(shù)要求，光伏電站在每1 min與每10 min的有功功率變化量中必須滿足一定要求，即變化率的斜率不能超出規(guī)定，才能保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，杜絕電網(wǎng)在運行中發(fā)生功率突變的現(xiàn)象從而危害電網(wǎng)安全。假設(shè)為光伏電站輸出功率的預(yù)設(shè)值，K為控制周期內(nèi)的有功功率變化限制值，PCC為光伏電站目前所輸出的功率，此時Pref可表示為：

根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度要求，區(qū)域能管系統(tǒng)經(jīng)過計算后將分配給光伏電站的有功功率目標(biāo)值再分配至各光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備，從而實現(xiàn)整個光伏電站的有功功率控制。當(dāng)光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率不可調(diào)節(jié)時，只能通過啟停光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的方式來完成對光伏電站有功功率的控制；當(dāng)光伏逆變器或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率可調(diào)節(jié)時，需采用平均分配法完成有功功率分配。

對PCC值與值進行比較；若值不低于PCC值，則此時光伏電站需要提升有功功率以保證與Pref值相接近；若Pref值不高于PCC值，則此時光伏電站需要降低有功功率到一定數(shù)值(該數(shù)值不能大于有功功率控制時的限定值)；若Pref值與PCC值相等，則此時光伏電站的總有功功率值不用再次進行調(diào)節(jié)。

光伏電站處于并網(wǎng)狀態(tài)時，要根據(jù)其實際有功功率值的大小是否超出電站有功功率目標(biāo)值來決定是否采取限制模式。首先從區(qū)域能管系統(tǒng)中獲取光伏電站的有功功率目標(biāo)值Psch，然后將得到的目標(biāo)值作為光伏電站的預(yù)設(shè)輸出功率值。二者之間關(guān)系可表示為：

在分析區(qū)域能管系統(tǒng)可向光伏電站分配的有功功率目標(biāo)值時，既可以根據(jù)光功率曲線的數(shù)據(jù)，也可以采用樣板機法，利用樣板機對區(qū)域內(nèi)的光伏電站的預(yù)設(shè)輸出功率值進行確定，通常是選擇后者；而在光伏電站限電時也使用樣板機法，需根據(jù)計算要求選擇不限電時可選擇的光伏組件數(shù)量作為樣板機來進行分析。

3 有功功率自動控制方式的實際運用效果

采用有功功率自動控制方式后，對某光伏電站內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備進行了2次有功功率調(diào)節(jié)，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行了采集，以查看這些數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率是否得到了有效控制。具體的有功功率調(diào)節(jié)結(jié)果如表1所示。

表1 某光伏電站中部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率調(diào)節(jié)結(jié)果Table 1 Active power adjustment results of some data acquisition equipments in a PV power station

由表1可知，2次有功功率調(diào)節(jié)過程中，各數(shù)據(jù)采集設(shè)備的有功功率偏差不超過設(shè)定值的2.7%，均在20 kW以內(nèi)，調(diào)節(jié)時間為5～15 s，小于電網(wǎng)要求的1 min，控制成功率為100%，符合電網(wǎng)要求。

采用有功功率自動控制方式對上述光伏電站的所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行2次總有功功率調(diào)節(jié)(包括升功率調(diào)節(jié)和降功率調(diào)節(jié))，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集，以查看該光伏電站的有功功率是否得到了有效控制，具體調(diào)節(jié)結(jié)果如表2所示。

表2 某光伏電站所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的 總有功功率2次調(diào)節(jié)結(jié)果Table 2 Total active power all data acquisition equipments of a PV power station is adjusted by two times

由表2可知，有功功率調(diào)節(jié)到位時間為12～15 s，低于電網(wǎng)要求的1 min，說明符合電網(wǎng)要求；且2次調(diào)節(jié)均實現(xiàn)了調(diào)節(jié)進死區(qū)，符合電網(wǎng)要求。綜上可知，這2次調(diào)節(jié)的成功率為100%。

4 結(jié)論

世界范圍內(nèi)的光伏電站無論是規(guī)模還是數(shù)量均獲得了快速發(fā)展，光伏電站并網(wǎng)已成為電力工作者研究的重點內(nèi)容之一。區(qū)域能管系統(tǒng)對光伏電站有功功率的自動控制關(guān)系到光伏電站有功功率輸出的穩(wěn)定性，對提升光伏電力的穩(wěn)定性有著極為重要的作用。本文系統(tǒng)性地分析了區(qū)域能管系統(tǒng)對光伏電站有功功率自動控制的方式，旨在提升電網(wǎng)運行的可靠性和安全性，以期為相關(guān)研究人員提供借鑒，為我國電力系統(tǒng)優(yōu)化提供理論支持。