光伏接入配電網調峰優化調度控制方法研究

周俊宇，邱桂華，陸家比

（1.廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東佛山 528000；2.煙臺海頤軟件股份有限公司，山東煙臺 264001）

目前，光伏產業技術不斷發展，許多光伏企業逐漸進入電網。但并網光伏發電的功率波動大、預測困難、不具備調峰調頻等特點，給電網的有功均衡造成很大的沖擊。在電網運行過程中，太陽能光伏發電的容量可以被接受，以最大限度地利用可再生能源。光伏并網后，不僅使電網的凈負荷峰谷差增大、調峰容量得到提升，同時也會使電力系統的凈負荷短期波動加大，使機組調頻變得更加困難，降低了經濟效益。

文獻[1]提出了基于飛蛾火焰優化算法的火電調峰負荷分配研究。火電調峰是以最小成本為目標構建的調峰負荷分配模型，使用飛蛾火焰算法求解。文獻[2]提出了復雜約束下梯級水電站短期廠網協調多目標MILP 模型。水電調峰是以梯級發電量和剩余負荷峰谷差為依據構建目標函數的，對目標函數歸一化處理后，結合權重法求解。由于光伏接入配電網時輸出功率具有不確定性，因此當負荷持續增長，負載波動時，峰值和谷差將會增大。為此，提出了光伏接入配電網調峰優化調度控制方法研究。

1 光伏接入配電網對調峰影響分析

為了實現調峰優化調度控制，保證系統穩定高效運行，設計了光伏接入配電網系統。光伏接入配電網絡在一個預定的時間階段，以確保電力系統的運行經濟性，同時也可以通過在線的時間級來安排機組的功率以保持電力的供求均衡。其最終目的在于維持電力系統的有效平衡，而風電的逆變則會使原有的負載特性發生變化，使電網能夠正常調峰[3-5]。

風力發電系統的調峰特征是顯著的，也就是說，當風力發電量與原來的峰谷差相疊加時，其峰谷差要比原來的大，因此需要機組的調峰容量足夠大[6]。光伏接入配電網對調峰影響機理如圖1 所示。

圖1 光伏接入配電網對調峰影響機理

由圖1 可知，p1為正常情況下機組最小出力；p2為光伏接入配電網機組最小出力；p3為光伏接入配電網機組最小出力與機組旋轉備用出力之和[7]。在低谷時期存在c1和c2兩種等效負荷，這兩種負荷的時間交點分別為t1和t2。

正常情況下，常規機組不滿足c1調峰需求，但滿足c2調峰需求；實際運行情況下，c1和c2在t1時刻均達到了p3最大出力，但沒有精準預測這兩個容量最小值。為了確保機組具有較大出力效果，應在t1時刻制定出力計劃，并采取調峰調度控制策略。

2 基于削峰填谷調峰優化調度控制策略

在系統運行模式的控制上，根據光伏接入配電網對調峰影響分析結果可知，在電力系統負載達到高峰時，利用蓄電池的放電進行調峰[8-10]。在低電壓區域內，系統可以根據電池的狀況來判斷是否要進行充電。以此為根據調峰優化調度控制模型，根據模型劃分調峰和非調峰時段，對于調峰時間采用削峰填谷方法優化調度控制光伏接入配電網調峰。

2.1 調峰優化調度控制模型構建

對于蓄電池狀態判斷，設計詳細的過程：確定單個蓄電池充電狀態，分析蓄電池組在充電過程中最大的充電狀態權重，計算公式為：

式中，mean(q)表示蓄電池充電狀態值；q表示荷電值。當自變量趨向于完全放電狀態時，權重計算結果較小；當自變量趨向于完全充電狀態時，權重計算結果較大[11]。

同時，由于光伏發電效率的影響，在實際的光伏輸出功率很小的情況下，系統的效率會降低[12]。通過對不同運行工況的分析，提出了在不同時段進行動態調峰的方法。該系統通過對電網電壓的實時監控，對電網傳輸狀況進行判定，從而確定配電網目前是否在調峰范圍內[13]。

在調峰時段，構建調峰優化調度控制模型，如圖2 所示。

圖2 調峰優化調度控制模型

由圖2 可知，監測光伏蓄電池的充放電功率，如果充放電功率大于或等于系統供電功率跟隨的負載功率，則該時段為非調峰時段，反之則為調峰時段。在非調峰時段，通過控制光伏發電功率調整負荷[14]。而在調峰時段，需要通過削峰填谷優化調度控制方式調整負荷，使光伏接入配電網的負荷滿足用電需求。

2.2 削峰填谷優化調度控制流程設計

光伏接入配電網絡根據電網的頻次變化，可以實現調峰運行，在此模式下，光伏接入配電網絡的調峰優化調度控制由以下三個部分組成：1）在光電系統中，最大功率跟蹤控制由光儲協同控制系統監測電網的頻率并判斷其是否在調頻死區；2）在電網頻率為FM 死區的情況下，蓄能電池工作在調峰狀態[15]。這時，蓄電池組按照調峰周期進行充放電，而在網頻超出調頻死區時，蓄電池組處于調頻狀態，并依據頻偏方向計算出蓄電池組的一次基準功率；3）通過與逆變器的閑置能力對比，將二者中較低的值的作為輔助基準，通過對蓄電池組的最大輸出限制因子進行優化，并將其作為最后的參考功率。

基于此，設計的削峰填谷優化調度控制流程如圖3 所示。

圖3 削峰填谷優化調度控制流程

在滿足電網調峰要求的情況下，如果采用恒定功率充放電，則會導致光伏電池不能充分充電或充分放電，導致電能的浪費，進而導致電能損耗[16]。為此，必須設計出一個合理的最大輸出限制因子，以保證其可以在變流電源系統中進行調峰。

在充放電情況下，光伏儲能電池最大出力約束系數分別為γ充、γ放，可表示為：

結合式（2）、（3）得到最終參考功率與荷電狀態約束關系，基于此，設計詳細調峰方案，主要有以下兩種情況：

情況一：當荷電狀態較高時，即q>0.5，按照最終參考進行放電處理，以此調峰；當荷電狀態較低時，即q<0.5，為了充分利用光伏儲能電池容量，避免出現過放現象，光伏儲能電池以參考功率乘以一個小于1 的荷電狀態進行放電，且最大出力隨著荷電狀態下降而逐漸減小。

情況二：當荷電狀態較低時，即q<0.5，按照最終參考進行充電處理，以此調峰；當荷電狀態較高時，即q>0.5，為了充分利用光伏儲能電池容量，避免出現過充現象，光伏儲能電池以參考功率乘以一個小于1 的荷電狀態進行充電，且最大出力隨著荷電狀態上升而逐漸減小。

在這兩種情況下，當光伏接入配電網后，能夠保證光伏儲能電池具有快速響應能力，同時又能通過充放電調峰，避免出現過充/過放現象[17]。

3 實 驗

為了驗證所提方法有效性，在Matlab 上進行全時段光伏供電調峰效果驗證分析。

3.1 全時段光伏供電調峰效果分析

充分考慮在蓄電池全天放電過程中，某個時間段調峰動作時間短的情況，為此，設置一個10%的預留容量。以夏季為例，日光照強度如表1 所示。

表1 日光照強度

基于表1 數據，對全時段光伏供電調峰情況進行實驗驗證分析。當光伏接入配電網后參與調峰控制的全時段傳輸功率變化情況，如圖4 所示。

圖4 全時段傳輸功率變化情況分析

由圖4 可知，0-4 點用戶用電情況較少，配電網傳輸功率波動變化情況較小，處于穩定變化狀態，此時配電網也處于非調峰時段；在夏季4 點左右，太陽開始升起，光伏功率逐漸增加，但增加的功率較小，只能對配電網蓄電池充電。配電網輸出功率達到20%以上時，逐漸以該額定功率為基礎進行并網，使蓄電池繼續充電直到充滿為止；在12 點左右時，配電網傳輸功率出現一個高峰，此時光伏功率輸出最大，供用電處于一個平衡狀態，此時電壓波動情況并不大，無須調峰；在20-24 點時配電網傳輸功率又出現一個高峰，此時基本沒有光伏功率，為了保證供電平衡，需要蓄電池放電，此時需要調峰處理。

當蓄電池放電時，配電網電壓是處于一個穩定狀態的，且在參考電壓附近波動。當蓄電池放電程度達到設定的閾值時，蓄電池停止放電，配電網繼續充電。整個調峰前后過程電壓變化情況如表2所示。

表2 調峰前后電壓變化情況分析

由表2 可知，調峰優化調度控制的作用，使得調峰后的電壓始終穩定在參考值電壓附近，因此，所研究的策略具有快速動態響應，進而在短時間內達到調峰的目的。

3.2 實驗結果與分析

分別使用文獻[1]方法、文獻[2]方法和所提方法，對比分析調峰后的傳輸功率，對比結果如圖5 所示。

圖5 三種方法調峰后傳輸功率對比分析

由圖5 可知，文獻[1]方法在中午時段最高傳輸功率為20 kW，與理想最高22 kW 存在2 kW 的誤差。在晚上，傳輸功率穩定在1 kW；文獻[2]方法在中午時段最高傳輸功率為19 kW，與理想最高22 kW存在3 kW 的誤差。在晚上，傳輸功率穩定在4 kW；所提方法在中午時段最高傳輸功率為22 kW，與理想最高22 kW 一致。在晚上，傳輸功率穩定在0 kW。由此可知，所提方法調峰后的傳輸功率與理想情況一致。

4 結束語

文中提出的光伏接入配電網調峰優化調度控制方法，能夠有效地利用太陽能電池的空余容量，對調峰和不調峰進行分區。針對蓄能電池的充放電特點，采用以充電狀態為基礎的最大輸出因子，以限制其輸出。這種方法能夠對電網的調峰工作做出迅速的反應，為電網的調峰工作提供了有力的支撐。