基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制研究

劉 成，王煥忠，溫紀營，冼鐘業，鄧奕星

(1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528200； 2.廣東南海電力設計院工程有限公司，廣東 佛山 528200； 3.國電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

1 引 言

光伏發電不受地域的限制，屬于一種發電的新能源，具有資源豐富、接入不受限制和環境友好等特點，在發電領域中得到了廣泛的應用[1]。隨著分布式光伏發電技術的發展，也出現了一些問題和缺點，并網容量當分布式光伏接入量較大時，容易出現過大現象，導致節點在網絡中的電壓超過上限，降低了光伏發電的電能質量[2]，為了提高電能質量，需要對分布式光伏發電并網消納進行控制。

鄔明亮[3]等人對光伏發電系統的發電模式進行分析，利用氣象數據和牽引負荷數據根據分析結果對分布式光伏發電并網的消納能力進行計算，根據計算結果實現消納控制，該方法在消納控制過程中，沒有對系統的碳排放量進行考慮，存在碳排放量高的問題。鄧文麗[4]等人根據電能質量優化補償原理對系統在發電過程中的控制模式進行分析，根據分析結果構建分布式光伏發電并網消納控制策略，將提高電能質量作為目標，設置相關約束條件，在此基礎上建立消納控制模型，采用粒子群算法對模型求解，完成消納控制，該方法在消納控制過程中沒有分配系統的碳排放量，存在系統發電量低和系統效率低的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法。

2 分布式光伏發電并網消納控制模型

2.1 碳中和目標

為了實現碳中和目標，構建分布式光伏發電并網消納控制模型時需要對碳排放進行考慮。通過下式在分布式光伏發電系統中分配碳排放額度：

(1)

式中:RD為發電機組在分布式光伏發電系統中被分配的碳排放額；Y為調度周期；MG為火電機組在光伏發電系統中的組數；ι為發電機單位有功處理在系統中分配的碳排放額。

設RC代表的是火電機組在發電系統中的實際碳排放量，其表達式如下：

(2)

式中：μi、χi、μi均為火電機組在系統運行過程中對應的排放因子。

基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法通過階梯型碳交易成本計算模型[5-6]對分布式光伏發電系統的碳排放量進行控制：

(3)

式中：ζ為碳在市場中的成交價格；GC為碳交易成本；ξ為碳成交價格在第二階段中的增長幅度；ψξ為碳成交價格在第三階段中的增長幅度；g為碳排放量區間對應的長度。

2.2 消納控制模型

在碳中和目標的基礎上構建分布式光伏發電并網消納控制模型：

(4)

式中：Ms為光伏電站在發電系統中的數量；Vs為第s個光伏電站在發電系統中的接入容量。

2.3 約束條件

(1)功率平衡。光伏發電系統負荷的總功率可通過光伏電站輸出功率和機組在不同時間段內發電總功率計算得到：

(5)

式中：ML為負荷節點在光伏發電系統中的總數；Adt為第d個負荷節點在發電系統運行t時段時產生的負荷功率；Ast=βstVs為出力，其中βst表示出力系數標幺值；Ogt為第g臺常規機組在光伏發電系統在t時段中運行時的啟停狀態；Agt為第g臺常規機對應的出力。

(2)出力約束。

(6)

式中：Agmax、Agmin分別為第g臺常規機組在發電系統中的出力上限值和出力下限值。

(3)容量約束。

開機狀態下常規機組在超低光伏發電出力條件下的出力符合光伏發電網的負荷條件，即

(7)

式中：ν為光伏出力在分布式光伏發電系統中的最大變化率；ε為負荷預測過程中產生的誤差。

(4)爬坡速率約束。

(8)

式中：ig為爬坡速率；fg為滑坡速率。

(5)啟停時間約束。常規機組在光伏發電系統中的開機時間約束如下：

(9)

常規機組在光伏發電系統中的停機時間約束如下：

(10)

(6)功率平衡約束。設WLi代表的是節點i對應的無功負荷；WCi代表的是節點i在分布式光伏發電系統運行過程中的無功補償：

(11)

式中：APVi、ALi分別為節點i在發電系統運行過程中產生的有功注入和有功負荷；Ui、Uj均為電壓幅值；?ij為節點i和節點j在系統之間存在的電壓相角；WPVi為節點i對應的無功注入。

(7)節點在系統中的電壓約束為Uimin≤Ui≤Uimax，其中Uimax、Uimin分別表示電壓值的最大值和最小值。

(8)用Dl表示經過支路l產生的視在功率，此時支路潮流約束可以表示為Dl≤Dlmax，其中Dlmax代表的是支路l在光伏發電系統中的傳輸容量極限值。

(9)有載調壓變壓器在分布式光伏發電并網中的抽頭約束可表示為Ykmin≤Yk≤Ykmax[7-8]，其中Ykmin為變壓器抽頭的最小值，Yk為變壓器對應的抽頭位置；Ykmax為變壓器抽頭的最大值。

(11)無功補償裝置在分布式光伏發電并網系統中的約束可以通過下式表示：

WCimin≤WCi≤WCimax

(12)

式中：WCimax為節點i在分布式光伏發電系統中的最大無功補償；WCimin為節點i在分布式光伏發電系統中的最小無功補償，用功率因數的限制問題代替上述約束條件：

γimin≤γi,j≤γimax

(13)

式中：γimin為最小功率因數；γi,j為節點i在分布式光伏發電系統運行j時段時對應的功率因數；γimax為最大功率因數。

3 消納控制算法

基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法采用遺傳算法[11-12]對分布式光伏發電并網消納控制模型進行求解，實現消納控制，具體步驟如下：

(1)對種群進行初始化和編碼處理，基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法通過二進制編碼方式[13-14]對種群進行編碼，設向量Ui=(um1,um2,…,umW)T由決策變量構成，W為算法中存在的決策變量數量；umi為二進制編碼。

通過規模為M的種群獲得M個染色體，此時初始群體H1(0)=[U1(0),U2(0),…,UN(0)]T由染色體構成。

(2)為了實現碳中和的目標，在分布式光伏發電系統負荷峰谷差的基礎上構建遺傳算法的適應度函數：

f=(Wmax-Wmin+1)-1

(14)

式中：Wmin為分布式光伏發電并網的最小負荷；Wmax為分布式光伏發電并網的最大負荷。

(3)在當前種群中通過適應度函數獲取最優個體，通過均勻變異操作[15]、單點交叉操作和復制操作獲得算法的下一代種群，并利用上式計算其適應度。根據計算結果對種群進行更新。

(4)設置最大遺傳代數，當迭代次數大于等于最大遺傳代數時，停止迭代，輸出分布式光伏發電并網消納控制模型的最優值，實現分布式光伏發電并網的消納控制。

基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法采用遺傳算法對分布式光伏發電并網消納控制模型求解的流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程圖

4 實驗與分析

為了驗證基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法的整體有效性，需要對基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法進行測試。

將分布式光伏發電系統的碳排放量、發電量和綜合效率作為指標，對基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的有效性進行測試，分布式光伏發電系統的初始碳排放量、發電量和綜合效率如表1和圖2所示。

表1 分布式光伏發電系統的初始碳排放量

圖2 初始碳排放量和發電量

4.1 碳排放量

采用基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對系統控制后的碳排放量如圖3所示。

圖3 不同方法的碳排放量

分析圖3中的數據可知，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法對分布式光伏發電并網進行消納控制后，與消納控制前的碳排放量相比，三種方法的碳排放量均出現不同程度的降低，其中所提方法減少的碳排放量最高，在相同月份下，所提方法的系統碳排放量均低于文獻[3]方法和文獻[4]方法的系統碳排放量，因為所提方法構建分布式光伏發電并網消納控制模型之前，通過分配碳排放額度實現分布式光伏發電系統的碳中和目標，進而降低了分布式光伏發電系統的碳排放量。

4.2 系統效率

消納控制后，所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的系統效率如圖4所示。

圖4 不同方法的系統效率

對圖4進行分析可知，與消納控制前相比，所提方法的系統效率明顯提高，文獻[3]方法和文獻[4]方法的系統效率雖然也有所提高，但增幅較小，表明系統的消納控制效果不理想。

4.3 發電量

所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的發電量測試結果如圖5所示。

圖5 不同方法的發電量

對圖5中的數據進行分析可知，上述方法經過消納控制后，系統的發電量均有所提高，與所提方法相比，文獻[3]方法和文獻[4]方法的發電量略低，表明所提方法具有較好的消納控制效果。

5 結 語

光伏發電在可再生能源發電領域中具有受限少和豐富等優點，對其并網消納控制進行研究具有重要意義。目前分布式光伏發電并網消納控制方法存在碳排放量高、系統效率低和發電量低的問題。提出基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制方法，該方法以碳中和為目標構建消納控制模型，在遺傳算法的基礎上實現消納控制，解決了目前方法中存在的問題，為分布式光伏發電技術的發展奠定了基礎。