交直流混合配電臺(tái)區(qū)光伏消納優(yōu)化控制

陳 斌，馬仲坤，劉文龍，呂志鵬，黃奇峰，戚星宇

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司，江蘇常州 213003；2.國網(wǎng)上海能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，上海 201210；3.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 210016）

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)裝置能夠?qū)⒐夥姵氐碾娔軅鬏數(shù)诫娏W(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行消納。然而，目前的光伏并網(wǎng)裝置多采用交流并網(wǎng)方式將光伏發(fā)電量轉(zhuǎn)移至交流電網(wǎng)，忽視了直流電網(wǎng)，因而其適用面較窄，難以適應(yīng)多種類的用電需要。光伏發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模接入交直流混合配電臺(tái)區(qū)對(duì)輸出電壓控制和繼電保護(hù)都會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此，如何有效地控制配電臺(tái)區(qū)光伏消納能力，提高光伏并網(wǎng)效率，是當(dāng)前的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

近幾年有學(xué)者對(duì)配電臺(tái)區(qū)光伏消納控制方法做出了研究。文獻(xiàn)[1]在光伏并網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用情況下，使用光伏發(fā)電消納序列重構(gòu)技術(shù)，構(gòu)建配電臺(tái)區(qū)約束精細(xì)化模型；文獻(xiàn)[2]提出了一種基于負(fù)荷曲線等效斜率提升的控制方法，該方法通過控制負(fù)荷曲線等效斜率，分析用戶不同用電需求程度。根據(jù)等效斜率計(jì)算公式，將時(shí)間尺度轉(zhuǎn)移到光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳工作模式，由此管控光伏消納。

上述兩種方法容易受到外部環(huán)境影響，例如外物遮擋導(dǎo)致光伏消納效果不佳，為此提出交直流混合配電臺(tái)區(qū)光伏消納優(yōu)化控制方法。

1 配電臺(tái)區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)

在交直流混合配電臺(tái)區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，與光伏電源能源供給相關(guān)的是電動(dòng)汽車。當(dāng)電動(dòng)汽車電池存儲(chǔ)量消耗到一定程度時(shí)，就必須對(duì)充電裝置進(jìn)行能量補(bǔ)給。由此得到的光伏電源接入充電站的配電臺(tái)區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 光伏電源接入充電站的配電臺(tái)區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)

在圖1 所示的結(jié)構(gòu)中，融合終端與交流、直流微網(wǎng)的控制可以按照其工作方式和功能需求劃分為操作功能控制和流程級(jí)協(xié)同控制。在互聯(lián)平臺(tái)區(qū)域內(nèi)配備一種新型的智能融合終端，能夠全面監(jiān)測(cè)平臺(tái)區(qū)域的操作信息，監(jiān)測(cè)并網(wǎng)的逆變器、智能斷路器（或光電邊緣開關(guān)）[3-4]。以配電臺(tái)區(qū)融合終端裝置為樞紐，結(jié)合多主體信息交互方式，可實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)與電力系統(tǒng)直接進(jìn)行信息交互，定期地調(diào)用和檢測(cè)主站點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)[5]。交直流混合配電臺(tái)區(qū)的智能融合終端間可直接進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，也為光伏消納優(yōu)化控制提供數(shù)據(jù)支持。

2 光伏消納優(yōu)化控制

2.1 多臺(tái)區(qū)光伏消納分區(qū)管理

在正常工作的情況下，MPPT 運(yùn)行模式可以達(dá)到最大發(fā)電功率。光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出與目前的光照強(qiáng)度有很大關(guān)系，而不同的光照強(qiáng)度則對(duì)應(yīng)不同發(fā)電功率[6]。因此，如果使用光照強(qiáng)度作為指標(biāo)調(diào)整控制參量，那么必須先確定不同光照強(qiáng)度下光伏消納的效果。依據(jù)光照強(qiáng)度，劃分多臺(tái)區(qū)光伏消納區(qū)間，其中，第一區(qū)間光照強(qiáng)度在800 W/m2以上，第二區(qū)間光照強(qiáng)度大于400 W/m2小于800 W/m2，第三區(qū)間光照強(qiáng)度在400 W/m2以下[7-9]。

由于不同光照強(qiáng)度下調(diào)節(jié)工作效率存在差異，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出通常會(huì)因光照強(qiáng)度的不同而有所變化[10]。為了方便后續(xù)控制，充分考慮不同光照強(qiáng)度區(qū)間下的光伏消納，綜合全部消納結(jié)果可得到如下計(jì)算公式：

式中，W1、W2、W3分別表示在光強(qiáng)大于800 W/m2、大于400 W/m2小于800 W/m2、小于400 W/m2的光伏陣列消納[11]，V1、V2、V3分別表示與W1、W2、W3相對(duì)應(yīng)的權(quán)重。根據(jù)不同環(huán)境下的光伏消納分區(qū)管理模式，能夠跟蹤光伏陣列全局的最佳輸出電壓。依據(jù)該原理，優(yōu)化控制光伏消納。

2.2 基于多能耦合交互的控制模型構(gòu)建

考慮能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)行條件，將外部能源供應(yīng)作為主體，根據(jù)自身調(diào)節(jié)特點(diǎn)，構(gòu)建火電-光伏-用電設(shè)備出力模型，以期最大程度消納光伏[12]。基于此，構(gòu)建火電-光伏-用電設(shè)備出力模型如下：

式中，ω1表示火電機(jī)組運(yùn)行權(quán)重；ω2表示光伏未消納權(quán)重；ω3表示負(fù)荷需求響應(yīng)補(bǔ)償權(quán)重；E1、E2、E3分別表示火電機(jī)組發(fā)電煤耗量、光伏發(fā)電未消納量、系統(tǒng)負(fù)荷響應(yīng)成本[13]。以跟蹤不同環(huán)境下光伏陣列全局的最佳輸出電壓為目標(biāo)，通過賦予這三個(gè)指標(biāo)合理權(quán)重系數(shù)[14]，構(gòu)建三個(gè)指標(biāo)的子函數(shù)為：

式中，T表示控制周期；n1、n2分別表示火電機(jī)組數(shù)量和光伏電站數(shù)量；ci、zi分別表示機(jī)組燃燒成本系數(shù)和機(jī)組啟停成本[15]；Wi,t、ui,t分別表示機(jī)組發(fā)電量和機(jī)組在t時(shí)刻啟停狀態(tài)；Xt、X′表示光伏發(fā)電未消納量預(yù)測(cè)值和實(shí)際值；λ表示需求與電價(jià)線性系數(shù)；Δqt表示系統(tǒng)需求響應(yīng)負(fù)荷值。調(diào)控火電-光伏-用電設(shè)備出力的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多能耦合交互控制。改變電力用戶用電階段，從而實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

2.3 能量交互控制

在配電臺(tái)區(qū)靈活性資源接入前提下，采用逆變器電壓無功控制技術(shù)，解決光伏消納問題。在削峰填谷的控制方案下，應(yīng)保證交直流混合配電臺(tái)區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)總?cè)萘吭?0%以下，總?cè)萘坑?jì)算公式為：

式中，N表示光伏組件數(shù)；g表示單塊光伏組件最大容量[16]。為了避免光伏發(fā)電系統(tǒng)在最小負(fù)荷條件下出現(xiàn)消納不均的情況，需保證光伏發(fā)電系統(tǒng)接入交直流混合配電臺(tái)區(qū)的容量不宜小于式（4）。在實(shí)際光伏消納過程中，無功調(diào)節(jié)受到功率因素約束，逆變器無功控制由功率因素決定，由此得到的電壓幅值變化量為：

式中，F(xiàn)有、F無分別表示有功、無功電壓幅值；ΔP有、ΔP無分別表示有功、無功變化量序列。根據(jù)光伏發(fā)電單元無功功率計(jì)算公式，可得到逆變器最大無功功率，如下：

式中，Pcut表示逆變器切入、切出功率，θmax表示逆變器最大功率因數(shù)角。充分考慮光伏接入交直流混合配電臺(tái)區(qū)后，通常導(dǎo)致并網(wǎng)處節(jié)點(diǎn)的電壓升高，通過式（6）控制逆變器輸出功率，使光伏消納優(yōu)化控制效果更明顯。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證交直流混合配電臺(tái)區(qū)光伏消納優(yōu)化控制合理性，在Simulink 仿真平臺(tái)下進(jìn)行充電樁的光伏消納模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

選用10×150 的光伏陣列來驗(yàn)證所研究方法的自適應(yīng)性，設(shè)置了光照強(qiáng)度突變環(huán)境，即外物遮擋。光伏陣列結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

假定圖2 中右上角的光伏陣列受到遮擋，光照強(qiáng)度由1 500 W/m2降到300 W/m2。在有無遮擋前提條件下，設(shè)置隨機(jī)模擬場(chǎng)景。

模擬場(chǎng)景1：同時(shí)包含單點(diǎn)接入及多點(diǎn)接入，各節(jié)點(diǎn)的電壓均處于安全電壓上限之內(nèi)。模擬場(chǎng)景2：?jiǎn)吸c(diǎn)接入，各節(jié)點(diǎn)的電壓均處于安全電壓上限之內(nèi)，多點(diǎn)接入各節(jié)點(diǎn)的電壓超越安全電壓上限。模擬場(chǎng)景3：多點(diǎn)接入，各節(jié)點(diǎn)的電壓均處于安全電壓上限之內(nèi)，單點(diǎn)接入各節(jié)點(diǎn)的電壓超越安全電壓上限。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在設(shè)置的三種模擬場(chǎng)景下，無遮擋光伏陣列和遮擋光伏陣列下的輸出電壓如圖3 所示。

圖3 配電臺(tái)區(qū)輸出電壓波形圖

由圖3 可知，在無遮擋情況下，三個(gè)場(chǎng)景的輸出電壓均超過200 V，能夠較好地實(shí)現(xiàn)光伏消納；在有遮擋情況下，三個(gè)場(chǎng)景的輸出電壓均未超過200 V，此時(shí)逆變器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出電壓，使得電壓波動(dòng)幅度較小，有效保證了在輸出電壓穩(wěn)定情況下光伏消納達(dá)到最大。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別使用基于時(shí)序運(yùn)行模擬的消納方法、基于負(fù)荷曲線等效斜率提升的控制方法和該文研究方法，對(duì)比分析輸出電壓，對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 三種方法輸出電壓對(duì)比分析

由圖4（a）可知，在有遮擋情況下，三個(gè)場(chǎng)景的輸出電壓均未超過200 V。在無遮擋情況下，場(chǎng)景1 下的輸出電壓未超過200 V，場(chǎng)景2、3 輸出電壓均超過200 V；由圖4（b）可知，在有遮擋情況下，三個(gè)場(chǎng)景的輸出電壓均低于100 V。在無遮擋情況下，只有場(chǎng)景3 下的部分輸出電壓超過200 V；由圖4（c）可知，在有遮擋情況下，三個(gè)場(chǎng)景的輸出電壓均未超過200 V。在無遮擋情況下，場(chǎng)景1 下有小部分輸出電壓未超過200 V，其余均超過200 V。

通過上述分析結(jié)果可知，使用該文研究方法得到的配電臺(tái)區(qū)輸出電壓與實(shí)際輸出電壓波形一致，且數(shù)值相差較小，說明該方法在理想輸出電壓的前提下，具有良好的光伏消納效果。

4 結(jié)束語

該文提出了交直流混合配電臺(tái)區(qū)光伏消納優(yōu)化控制方法，利用交直流混合配電臺(tái)區(qū)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)合MPPT 運(yùn)行模式，按照實(shí)際光照強(qiáng)度分區(qū)管理光伏消納。同時(shí)，通過光伏并網(wǎng)逆變器控制方法，擴(kuò)大非對(duì)稱參數(shù)死區(qū)寬度，提升光伏消納優(yōu)化控制效果，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同模擬場(chǎng)景下，對(duì)交直流混合配電臺(tái)區(qū)起到電力支撐作用。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法研究的可靠性，有效提高了光伏消納效率，提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。