利用光伏電站備用容量平滑系統功率波動的研究

李志棟，馬金鵬，薛 濤，任效效

(1.隆基綠能科技股份有限公司，西安 710000；2.西安交通大學，西安 710000；3.西安隆基清潔能源有限公司，西安 710000)

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，電力系統中光伏發電的比重將快速提升。但是光伏發電會受光照、溫度等環境因素影響而產生功率波動，對電力系統的可靠、穩定運行造成一定的影響[1]。

在提高電網中新能源的滲透率、降低光伏發電輸出功率波動性方面，國內外研究已取得一定成果。現有研究主要分為2個途徑：1)采用智能算法，聯合優化電力系統中發電機組的出力計劃和旋轉備用容量，從而可以在電力系統安全、經濟運行的條件下提高新能源滲透率[2]。該方法可提高系統旋轉備用容量的利用率，幾乎不增加投資成本，但并不能實際降低新能源電力波動性，在以新能源電力為主體的新型電力系統中，可作為靈活性調度資源，提高運行安全性。2)通過多能互補方式，平抑新能源發電輸出功率波動。利用儲能系統靈活的充放電特性平滑輸出是行業的主要研究熱點[3-7]，但由于儲能系統的度電成本較高，且頻繁切換充放電模式會縮短儲能電池壽命，因此實際應用效果還需深入研究。利用微型燃氣輪機與光伏陣列組合[8]或光伏-抽水蓄能互補[9]等方式，也可以抑制光伏發電輸出功率波動，但由于燃氣輪機的碳排放和抽水蓄能資源的稀缺性，目前此類方式尚不能大規模推廣應用。

本文通過分析光伏電站輸出功率波動特性，提出利用光伏電站備用容量，結合自動發電控制策略，在輸出功率波動超過電網要求值時，可快速響應提高輸出功率低值，從而平滑系統功率波動的方法，并通過實際算例對該方法的效果進行了驗證。

1 光伏電站輸出功率波動特性分析

光伏電站的輸出功率是由太陽能資源特性及發電設備特性決定的，而其波動性、間歇性和隨機性主要受太陽能資源的不確定性影響[10-11]。

光伏電站輸出功率波動與太陽能資源波動呈強相關性，比如某光伏電站實測輸出功率與太陽輻照度變化的情況如圖1所示。

光伏發電輸出功率波動主要集中在5 min的時間尺度上[12]。本研究通過實測5 min時間尺度太陽輻照度及光伏電站輸出功率的方式，獲得了4種典型的光伏電站輸出功率波動變化曲線，如圖2所示。

圖1 光伏電站輸出功率與太陽輻照度的關系Fig. 1 Relationship between output power of PV power station and total solar irradiance

圖2 4種典型的光伏電站輸出功率波動變化曲線Fig. 2 Four typical fluctuation curves of output power of PV power station

4種典型的光伏電站輸出功率波動變化曲線可以概括為：

1)連續上升型：如圖2a所示，點(n+1)處的輸出功率大于點(n)處的輸出功率，即Pn+1＞Pn，主要發生在當地真太陽時12:00前太陽輻照度上升階段(見圖1中位置1處)或太陽輻照度產生較大波動至低點后的連續上升階段(見圖1中位置3處)。

2)連續下降型：如圖2b所示，點(n+1)處的輸出功率小于點(n)處的輸出功率，即Pn+1＜Pn，主要發生在當地真太陽時12:00后太陽輻照度下降階段(見圖1中位置8處)或太陽輻照度產生較大波動從高點至低點的變化階段(見圖1中位置5處)。

3)波動上升型：如圖2c所示，點A4處的輸出功率大于點A1處的輸出功率，且中間輸出功率值呈上下波動的特性，主要發生在當地真太陽時12:00前太陽輻照度產生波動階段(見圖1中位置2處)或太陽輻照度產生較大波動至低點后的上升階段(見圖1中位置4處)。

4)波動下降型：如圖2d所示，點A4處的輸出功率小于點A1處的輸出功率，且中間輸出功率值呈上下波動的特性，主要發生在當地真太陽時12:00后太陽輻照度產生波動階段(見圖1中位置7處)或太陽輻照度產生較大波動從高點至低點的變化階段(見圖1中位置6處)。

2 光伏電站備用容量平滑系統功率波動策略

光伏電站備用容量是指超過備案容量的交流容量，其嚴格按照自動發電控制(AGC)控制不單獨上網，僅可用于平滑系統功率波動和補充由于光伏組件衰減效應造成的實際功率降低，剩余能量用于儲能或光伏制氫。

光伏電站備用容量Csc可表示為：

式中：Ct為光伏電站總裝機容量；Cfc為光伏電站備案容量，即核準上網的容量。

光伏電站備用容量用于平滑功率波動的目標函數為：

式中：Pout為通過AGC控制后的實際輸出功率；Pfc為備案容量的實際輸出功率；α為備用容量調節系數，與電網調度及實際輸出功率有關，且0≤α≤1；Psc為備用容量理論輸出功率；ΔPn為輸出功率波動值；δ為輸出功率波動要求值，一般要求的波動值為每分鐘小于10%裝機容量[13]。

輸出功率波動值可表示為：

式中：Pn為n時刻的光伏電站輸出功率實際值；Pn+1為(n+1)時刻光伏電站輸出功率預測值。

本文中的研究方法可以將平滑系統功率波動的時間控制在200 ms以內，雖然響應速度很快，但若(n+1)時刻的光伏電站輸出功率預測通過現場實測后再進行調節，會造成在時間上的滯后，因此(n+1)時刻的光伏電站輸出功率預測值優選通過電網調度及光功率預測系統聯合得出。

目前，光功率預測控制的常用算法有神經網絡算法、時間序列法、卡爾曼濾波法、遺傳算法等[14]。其中，神經網絡算法的應用范圍較廣，在復雜非線性預測方面有著良好表現，適用于光伏發電功率預測這樣的場合。將天氣、季節等影響因素作為輸入，用歷史數據對算法進行訓練，最終可實現光伏發電功率的預測。

結合光伏電站輸出功率波動特性分析結果，利用光伏電站備用容量平滑系統功率波動的策略原理圖如圖3所示。通過電網調度功率值和光伏電站輸出功率理論值，采用神經網絡算法得到光伏電站輸出功率預測值Pn+1，與上一時刻輸出功率實際值Pn比較；若波動曲線為非連續上升型，則計算輸出功率波動值ΔP，并判斷其是否超過輸出功率波動要求值δ。若ΔP＞δ，則啟動光伏電站備用容量進行調節，調節值小于備用容量實際輸出值，剩余能量用于儲能或光伏制氫；若ΔP≤δ，則備用容量的全部輸出用于儲能或光伏制氫。

圖3 光伏電站備用容量平滑系統功率波動策略原理圖Fig. 3 Schematic diagram of smooth system power fluctuation strategy of spare capacity of PV power station

3 算例分析

以西北某裝機容量為20 MW的光伏電站為例進行分析，驗證本文提出的平滑系統功率波動策略的有效性。選取實際輸出功率波動較大的多云天進行仿真，數據為該光伏電站7月某日的實際輸出功率值和電網調度功率值，如圖4所示，輸出功率波動要求值為每分鐘小于10%裝機容量。光伏電站實際輸出功率值與電網調度功率偏差及輸出功率波動值在不同區間的統計分布情況如圖5所示。

圖4 光伏電站實際輸出功率與電網調度功率曲線Fig. 4 Curves of actual output power of PV power station and grid dispatching power

從圖4、圖5可以看出：當日該光伏電站上網時間為06:30，下網時間為21:30，總發電時長為15 h，由于天空云量變化造成光伏電站實際輸出功率波動較大。由于06:30～07:50和19:20～21:30時段光伏電站實際輸出功率小于其裝機容量的10%，且實際輸出功率變化的最大值為0.79 MW，但輸出功率波動值大于40%的占比達到62.5%，這會增加正常發電階段統計值誤差，因此在統計中去除以上2個時段的分析值。

圖5 光伏電站實際輸出功率與電網調度功率偏差及輸出功率波動統計分布圖Fig. 5 Statistical distribution of deviation between actual output power of PV power station and grid dispatching power and output power fluctuation

數據分析結果表明：電網調度下發指令時，已考慮天氣變化情況。為平滑系統功率波動，模擬光伏電站備用容量分別為5%、10%、15%、20%這4種情況下的實際輸出功率波動分布情況(調節后實際輸出功率不超過電網調度功率值)，仿真結果統計如表1所示。

表1 考慮光伏電站備用容量后實際輸出功率波動分布統計Table 1 Statistics on the distribution of actual power fluctuations after considering the reserve capacity of PV power station（單位：%）

表1的仿真結果表明：

1)光伏電站備用容量通過提升實際輸出功率低值實現平滑系統功率波動的功能，增加光伏電站備用容量后，實際輸出功率波動得到明顯改善，平滑系統功率波動效果顯著。

2)隨著光伏電站備用容量的增加，符合輸出功率波動值要求的輸出功率占比大幅提升，輸出功率波動平均值明顯降低。

3)隨著光伏電站備用容量的增加，平滑系統功率波動的效果逐漸減弱。

4 光伏電站備用容量的經濟性分析

以西北某100 MWp光伏電站為例進行經濟性分析。該電站在升壓站35 kV母線側配置10MW/20MWh磷酸鐵鋰儲能系統，等效利用小時數為1600 h，光伏電站備用容量配置為10 MWp，經濟性測算結果如表2所示。

表2 西北某光伏電站備用容量的經濟性測算Table 2 Economic calculation of spare capacity of a PV power station in Northwest China

根據表2的分析結果，增加光伏電站備用容量后，光伏電站的初始投資成本提高，度電成本略有上升。但光伏電站備用容量可顯著降低輸出功率的波動性，從而減少“兩個細則”考核，并充分發揮出光伏電站的儲能作用，使其輸出功率具有一定的調節能力，降低了以新能源電力為主體的新型電力系統的邊際成本。

5 總結

本文提出一種利用光伏電站備用容量平滑系統功率波動的方法，并通過理論和算例分析驗證了該方法平滑系統功率波動的顯著效果。雖然增加備用容量后，光伏電站度電成本略有上升，但使光伏電站具有了一定的功率調節能力，可降低以新能源電力為主體的新型電力系統的邊際成本。