對光伏-光熱聯合發電系統動態建模與功率協調控制的研究

山東理工職業學院 吳瓊華

光伏、光熱聯合發電系統進一步融合了光熱和光伏發電系統，形成了高效互補及良好調節特征，為新時期順利消納可再生能源提供了全新途徑。

1 光伏-光熱聯合發電系統運行功率協調控制

1.1 系統分層控制框架

光伏、光熱聯合發電系統相關控制目標是對電網命令進行快速跟蹤，使發電系統能夠維持穩定、安全運行狀態。光伏和光熱聯合的電力系統整體結構十分復雜，設備類型多樣，屬于多時間尺度及多能源耦合系統，對應光熱子系統內的能量轉化裝置、發電過程及儲熱過程中的換熱器對應時間尺度是分鐘級的，發電機和汽輪機是秒級的。光伏子系統內，所設置光伏電池是秒級的時間尺度以及毫秒級的并網逆變器[1]。

此次研究中所創建聯合發電系統對應分層控制框架，主要分為下層控制及上層協調控制兩部分（圖1）。在太陽輻射及電網功率命令持續變化狀態下，在波動平抑及功率跟蹤條件下上層協調控制層能和光伏光熱子系統進行有效協同，對電網功率命令變化進行實時響應。下層子系統對應控制層可促進集熱器傳輸介質溫度、汽輪機蒸汽壓力、換熱器、光伏電池運行電壓等維持穩定變量，提升系統運行穩定度和安全性，優化發電系統響應能力，可對電網命令進行快速反應。

圖1 聯合發電系統分層控制系統框架

1.2 調節裕度分析

聯合發電系統整體儲能水平會對系統調節裕度和傳輸功率產生直接影響，將SSOEL及SSOEh分別定義成儲熱階段實際運行上下界限，聯系SSOE把系統運行范圍進一步細分成正常運行區域、過充警戒區、過放警戒區，在SSOE大于SSOEh條件下，聯合發電系統在過沖警戒范圍內導致儲熱環節飽和，為此需對光熱子系統的傳輸功率限值進行重新修訂，預防產生過度儲熱問題。在SSOE低于SSOEl條件下，聯合發電系統在過放警戒范圍內，此時存在儲熱過度飽和現象，為此需針對光熱子系統傳輸功率限值進行重新修訂，預防儲熱階段產生過放現象[2]。

1.3 上層協調控制

光熱和光伏聯合的發電系統主要分為波動平抑及功率跟蹤模式。聯合發電系統在對運行調控模式進行轉換中需聯系光伏子系統運行功率波動，分析其是否滿足系統并網功率要求。如一段連續運行時間內光伏子系統的運行功率大小超出界限范圍，發電系統從最初的功率跟蹤狀態轉化為波動平抑狀態，各階段需針對光熱子系統相關傳輸功率參數實施靈活調整，借助光熱子系統控制平抑光伏子系統的傳輸功率變化，對電網命令進行實時跟蹤。電網系統處于功率跟蹤狀態下，光伏和光熱子系統能對電網功率命令進行同步跟蹤[3]。

處于功率跟蹤條件下，為改善聯合發電系統整體運行經濟性，光伏子系統率先在最高功率點運行，跟蹤MPPT模式。結合光熱子系統實際條件，分析光熱子系統的運行功率參考值是否超出可調節范圍，如超出既定范圍，需把光伏子系統原有控制模式進一步切換到限功率模式，在光伏和光熱子系統互相協調運行背景下對電網功率參數進行實時跟蹤。波動平抑條件下，結合環境溫度以及太陽輻射強度獲得光伏子系統傳輸功率預測值，基于發電系統目前SSOE獲得光熱子系統傳輸功率變化范圍。此次參考太陽輻射持續時間及強度變化范圍對發電系統模式進行準確判斷，提出協調控制功率策略，促進光熱和光伏子系統能順利實現協同互補，操作步驟如下：

上層控制層采集聯合發電系統實際運行轉臺，基于MPPT模式下計算光伏子系統預測功率值及該種條件下系統調節裕度范圍；以光伏子系統預測功率值為基礎，準確判斷未來持續時間內光伏子系統運行功率變化是否符合并網要求，如滿足則系統轉化為功率跟蹤狀態，不然系統便會轉化為波動平抑狀態。處于波動平抑狀態，聯合發電系統會按照光伏系統的運行功率變化，對光熱系統傳輸功率進行合理調節。功率跟蹤條件下，聯系系統實際儲能SSOE對光熱系統運行功率可調控裕度實施合理調節，如光熱系統傳輸功率參數低于下限、會使光伏系統轉化為限功率狀態，對電網功率命令進行同步跟蹤。

1.4 下層子系統

光伏系統包括控制系統、三相電壓換流器、光伏電池陣列等部分。基于伏打效應，光伏電池陣列可進一步把光能轉化成電能，順利傳輸直流電流。VSC和相關控制系統選擇兩相旋轉坐標系統中的雙環控制結構，外環控制將直流電壓輸入其中，按照光伏子系統控制，借助控制過程獲得內環控制電流參數，通過內環控制跟蹤控制電流參數。VSC控制器選擇前饋解耦調控策略對坐標系內VSC機電暫態模型對應電流和電壓實施解耦，構成兩種獨立回路。

光熱控制系統借助儲熱操作能幫助熱、電以及光、熱能量轉化實施解耦，對應控制系統包括發電控制器、儲熱控制器、集熱控制器、跟蹤控制器等部分，其中定日鏡控制器能對太陽方位角度和高度進行準確跟蹤，并對定日鏡角度實施有效調整，把太陽光線聚集至集熱器表層；集熱器控制裝置聯系所接收太陽輻射，在對集熱器內流入介質總量進行綜合控制基礎上，使集熱器流出熱熔鹽維持穩定的溫度狀態，促進光熱系統實現穩定運行。儲熱控制器能在放熱和蓄熱條件下對熔鹽泵熔鹽罐內傳熱介質流量進行有效調節[4]。

2 光伏-光熱聯合發電系統仿真

2.1 模型檢驗

此次借助MATLAB軟件針對光伏、光熱聯合發電系統合理創建動態模型，并和TRNSYS仿真系統所得結果實施綜合對比分析，對控制模型準確性進行合理驗證，此次研究中以某個光熱電站為例，選擇和其氣候條件接近的某地太陽輻射所測信息數據，仿真分析光熱系統模型。聯合發電系統內的光熱和光伏子系統對應額定裝機容量都是120MW，儲熱裝置整體容量是6FLHS，指在充分儲熱條件下能保障系統在額定功率下維持6小時穩定發電，假設SSOE運行范圍在0.1到0.9，初始值是0.2。

在MATLAB以及TRNSYS軟件內相繼創建光熱系統模型，針對各個場景下太陽輻射程度針對光熱發電系統實施全面仿真。其中光熱發電系統是在九點正式發電，保持100MW的恒定功率。設置SSOE小于0.4條件下停止發電，結合圖1、2可進一步了解到，基于兩種代表性場景中①是MATLAB軟件仿真結果、②是TRNSYS軟件，此次所創建光熱發電系統和TRNSYS軟件內模型精準仿真形式大致符合，兩者SSOE最高誤差在1.4%左右，由此能夠進一步確定模型效用。

2.2 功率跟蹤動態仿真

圖2 晴天系統模型

圖3 多云天氣系統模型

將電網功率設置為每五分鐘進行一次更新，光伏子系統并網需一分鐘功率波低于裝機容量10%。如預測持續3分鐘超出波動界限，聯合發電系統能自動轉換至波動平抑模式，不然便是功率跟蹤模式。圖4是晴天狀態下發電系統輻射程度和協調/無協調下有功功率波形，因太陽輻射強度整體變化范圍較低，系統最開始為功率跟蹤狀態，SSOE為正常運行狀態、光伏子系統為MPPT運行模式，電網相關初始命令是148MW、經過5分鐘后提升到154MW，該環節率先對光熱子系統傳輸功率進行調節，主動迎合電網運行要求，選擇協調以及無協調控制方案可有效滿足電網運行功率命令。

圖4 功率跟蹤條件下聯合發電系統仿真分析

通過分析圖4可發現在t為10分鐘條件下，電網系統相關運行功率命令降低至142MW，因擁有較強的太陽輻射，SSOE保持一種持續提升的狀態，聯合發電系統在過充警戒區內，光熱子系統相關輸出功率不斷縮小、逐漸低于下限值，無法發揮出良好的持續下調功能。基于協調控制策略，光伏子系統進一步轉換為定功率控制狀態，光熱和光伏子系統穩定輸出額定功率，并對電網運行功率命令進行快速跟蹤。沒有任何協調控制策略過程中，光伏子系統依然保持MPPT運行模式，因太陽輻射強度變化會影響額定輸出功率。此外，光熱子系統無法對傳輸功率進行有效調節，導致聯合發電系統運行功率和電網功率命令間形成巨大差異。

2.3 波動平抑動態仿真

圖5是多云條件下發電系統相關太陽輻射強度和不同控制方案下有功功率運行波形。電網功率是160MW，在實際仿真階段維持不變狀態。此算例進一步模擬云層中太陽被遮擋到顯露環節相關輻射強度的變化場景，并針對差異化控制策略下系統的動態變化實施仿真分析。

圖5 波動平抑下發電系統仿真分析

通過分析圖5可進一步了解到，云層遮擋太陽后會使太陽對應輻射強度持續降低，等云層飄過逐漸恢復原有輻射強度，該階段內會發現光伏子系統運行功率產生較大波動。為保證聯合發電系統滿足并網要求功率標準，將系統轉化成波動平抑模式，并對光熱子系統傳輸參數進行持續調節，對電網功率傳輸命令進行持續跟蹤，光伏子系統功率實施有效平抑，在t等于4分鐘條件下，太陽輻射會產生較大變化，聯合發電系統進一步轉化為平抑模式。借助協調控制策略，按照上層功率實施協調控制，系統平均每分鐘按照光伏子系統的運行功率變化對光熱子系統傳輸功率實施靈活調節。

因為光熱子系統在實際運行中擁有一定延時性，聯合發電系統在協調控制方案下傳輸功率和電網命令偏差處于7分鐘狀態下達到3MW最大值，滿足并網要求。在沒有協調控制方案下，光熱子系統的運行狀態響應比起太陽輻射波動要相對滯后，系統傳輸功率和電網預期偏差最高為11MW。選擇應用功率協調控制方案，可借助上層控制層使聯合發電系統對光熱子系統功率參數實施迅速調節，促進光熱和光伏子系統間實現協同發展和有效互補，能針對太陽輻射變化所引發的光伏子系統運行功率變化進行有效平抑。

3 結語

借助光伏-光熱聯合發電系統相關動態模型能夠對并網運行中的多時間尺度及多變量耦合特征進行系統分析，合理創建分層控制架構，同時提出融合系統儲能狀態協調控制方案，基于波動平抑以及功率跟蹤進一步優化系統運行功率響應能力和調節水平。借助有效的控制策略能夠使光熱及光伏系統在不同控制模式和運行工況下實現協同運行、優勢互補，對電網功率命令進行有效跟蹤。