利用光伏電站備用容量平滑系統(tǒng)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(tǒng)中光伏發(fā)電的比重將快速提升。但是光伏發(fā)電會受光照、溫度等環(huán)境因素影響而產(chǎn)生功率波動，對電力系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行造成一定的影響[1]。

在提高電網(wǎng)中新能源的滲透率、降低光伏發(fā)電輸出功率波動性方面，國內(nèi)外研究已取得一定成果。現(xiàn)有研究主要分為2個途徑：1)采用智能算法，聯(lián)合優(yōu)化電力系統(tǒng)中發(fā)電機組的出力計劃和旋轉(zhuǎn)備用容量，從而可以在電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的條件下提高新能源滲透率[2]。該方法可提高系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)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(tǒng)中，可作為靈活性調(diào)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(fā)電輸出功率波動。利用儲能系統(tǒng)靈活的充放電特性平滑輸出是行業(yè)的主要研究熱點[3-7]，但由于儲能系統(tǒng)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(yīng)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(fā)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(guī)模推廣應(yīng)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(jié)合自動發(fā)電控制策略，在輸出功率波動超過電網(wǎng)要求值時，可快速響應(yīng)提高輸出功率低值，從而平滑系統(tǒng)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(fā)電設(shè)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(guān)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(fā)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(guān)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(xù)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(fā)生在當?shù)卣嫣枙r12:00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(chǎn)生較大波動至低點后的連續(xù)上升階段(見圖1中位置3處)。

2)連續(xù)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(fā)生在當?shù)卣嫣枙r12:00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(chǎn)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(fā)生在當?shù)卣嫣枙r12:00前太陽輻照度產(chǎn)生波動階段(見圖1中位置2處)或太陽輻照度產(chǎn)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(fā)生在當?shù)卣嫣枙r12:00后太陽輻照度產(chǎn)生波動階段(見圖1中位置7處)或太陽輻照度產(chǎn)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(tǒng)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(fā)電控制(AGC)控制不單獨上網(wǎng)，僅可用于平滑系統(tǒng)功率波動和補充由于光伏組件衰減效應(yīng)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(wǎng)的容量。

光伏電站備用容量用于平滑功率波動的目標函數(shù)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(diào)節(jié)系數(shù)，與電網(wǎng)調(diào)度及實際輸出功率有關(guān)，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(yù)測值。

本文中的研究方法可以將平滑系統(tǒng)功率波動的時間控制在200 ms以內(nèi)，雖然響應(yīng)速度很快，但若(n+1)時刻的光伏電站輸出功率預(yù)測通過現(xiàn)場實測后再進行調(diào)節(jié)，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(yù)測值優(yōu)選通過電網(wǎng)調(diào)度及光功率預(yù)測系統(tǒng)聯(lián)合得出。

目前，光功率預(yù)測控制的常用算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、時間序列法、卡爾曼濾波法、遺傳算法等[14]。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的應(yīng)用范圍較廣，在復(fù)雜非線性預(yù)測方面有著良好表現(xiàn)，適用于光伏發(fā)電功率預(yù)測這樣的場合。將天氣、季節(jié)等影響因素作為輸入，用歷史數(shù)據(jù)對算法進行訓練，最終可實現(xiàn)光伏發(fā)電功率的預(yù)測。

結(jié)合光伏電站輸出功率波動特性分析結(jié)果，利用光伏電站備用容量平滑系統(tǒng)功率波動的策略原理圖如圖3所示。通過電網(wǎng)調(diào)度功率值和光伏電站輸出功率理論值，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法得到光伏電站輸出功率預(yù)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(xù)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(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)為該光伏電站7月某日的實際輸出功率值和電網(wǎng)調(diào)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(wǎng)調(diào)度功率偏差及輸出功率波動值在不同區(qū)間的統(tǒng)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(wǎng)調(diào)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(wǎng)時間為06:30，下網(wǎng)時間為21:30，總發(fā)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(fā)電階段統(tǒng)計值誤差，因此在統(tǒng)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(wǎng)調(diào)度功率偏差及輸出功率波動統(tǒng)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(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)指令時，已考慮天氣變化情況。為平滑系統(tǒng)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(diào)節(jié)后實際輸出功率不超過電網(wǎng)調(diào)度功率值)，仿真結(jié)果統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(xiàn)平滑系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)功率波動的效果逐漸減弱。

4 光伏電站備用容量的經(jīng)濟性分析

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

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

根據(jù)表2的分析結(jié)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(fā)揮出光伏電站的儲能作用，使其輸出功率具有一定的調(diào)節(jié)能力，降低了以新能源電力為主體的新型電力系統(tǒng)的邊際成本。

5 總結(jié)

本文提出一種利用光伏電站備用容量平滑系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)節(jié)能力，可降低以新能源電力為主體的新型電力系統(tǒng)的邊際成本。