平抑光伏發(fā)電功率波動(dòng)的電力系統(tǒng)調(diào)度方法研究

摘 要：本文針對(duì)分布式光伏發(fā)電功率接入電力系統(tǒng)后導(dǎo)致的最大功率波動(dòng)量較大及功率越限次數(shù)較多的問題，提出了一種能夠平抑分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的電力系統(tǒng)調(diào)度方法。首先，建立了電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以準(zhǔn)確描述分布式光伏發(fā)電的狀態(tài)。其次，設(shè)定了閾值來識(shí)別分布式光伏發(fā)電功率的波動(dòng)異常，并據(jù)此生成調(diào)度指令。再次，利用雙層調(diào)度策略設(shè)計(jì)了符合功率平衡約束且滿足調(diào)度目標(biāo)的調(diào)度方案。通過調(diào)控電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的有效平抑。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的方法后，電力系統(tǒng)的最大功率波動(dòng)量控制在1 MW以內(nèi)，且未發(fā)生功率越限情況，分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的抑制效果良好。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；功率波動(dòng)；電力系統(tǒng)；雙層調(diào)度策略；功率平衡

中圖分類號(hào)：TM 614" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在眾多可再生能源中，太陽能因其蘊(yùn)藏量無限、無須運(yùn)輸、可就地使用以及發(fā)電成本逐步降低等優(yōu)點(diǎn)，已成為可持續(xù)發(fā)展的重要能源之一。但是，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題是功率波動(dòng)，不僅影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還給電力系統(tǒng)的調(diào)度和運(yùn)行帶來了巨大困難。隨著分布式光伏發(fā)電的快速發(fā)展，如何有效平抑功率波動(dòng)已成為電力系統(tǒng)研究的重要課題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域已進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]提出了基于多種群協(xié)同粒子群優(yōu)化算法的調(diào)度方法，該方法模擬鳥群覓食行為，利用多個(gè)種群間的信息共享與協(xié)同進(jìn)化來優(yōu)化電力分配，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡，保證電力系統(tǒng)功率穩(wěn)定。文獻(xiàn)[2]則提出了利用靈活資源（例如儲(chǔ)能、需求響應(yīng)等）采用模型驅(qū)動(dòng)調(diào)度方法，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整供需平衡來優(yōu)化資源配置。盡管上述方法在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)電力調(diào)度，但在分布式光伏接入的情況下，其調(diào)度效果并不理想。因此，本文提出了一種能夠平抑分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的電力系統(tǒng)調(diào)度方法。

1 構(gòu)建接入分布式光伏的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

分布式光伏發(fā)電采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)、就近消納和電網(wǎng)調(diào)節(jié)”的運(yùn)營(yíng)模式，該模式能夠與主電力系統(tǒng)進(jìn)行互動(dòng)，提高了可再生能源的利用率。電力系統(tǒng)模型如圖1所示。

在電力系統(tǒng)中，中心調(diào)度站持續(xù)不間斷地監(jiān)測(cè)并收集聯(lián)絡(luò)線的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，同時(shí)接收來自各分布式光伏電源提交的預(yù)計(jì)負(fù)荷需求信息。通過整合這些信息，對(duì)系統(tǒng)的整體負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為后續(xù)的能源分配與調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐[3]。為了更精確地模擬光伏陣列在不同環(huán)境條件下的發(fā)電性能，本文采用時(shí)間離散化方法，將連續(xù)的時(shí)間周期細(xì)分為T個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)段。在每個(gè)時(shí)段內(nèi)，假設(shè)光照、溫度等環(huán)境因素保持不變，這樣既可以降低模型的復(fù)雜度，又能保留足夠的信息來反映光伏陣列發(fā)電性能隨時(shí)間的變化情況。每個(gè)時(shí)段的時(shí)間間隔設(shè)為t，因此，接入分布式光伏的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如公式（1）所示[4]。

（1）

式中：Ppv（T）為各時(shí)段的光伏發(fā)電功率；Pst為在標(biāo)準(zhǔn)額定條件下光伏額定輸出功率；G為電力系統(tǒng)光伏電站工作點(diǎn)的輻照度；Gst為額定太陽輻照度；v為功率溫度系數(shù)；Wwe為光伏電池溫度；Wfs為工作點(diǎn)的電池溫度。

利用公式（1）描述在不同時(shí)間段分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出情況。將連續(xù)時(shí)間域離散化，可以降低模型的復(fù)雜度，使模型更容易進(jìn)行計(jì)算。選擇合適的時(shí)段長(zhǎng)度，能夠保證計(jì)算效率，并獲得足夠高的模擬精度。構(gòu)建包括時(shí)間離散化方法的電力系統(tǒng)模型，可以為決策者提供關(guān)于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)布局、容量配置和運(yùn)行策略等方面的科學(xué)依據(jù)。不僅可以提升模型的準(zhǔn)確性和可解性，還可以為電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行和可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

2 分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)識(shí)別

當(dāng)并網(wǎng)時(shí)，分布式光伏發(fā)電利用一個(gè)或多個(gè)并網(wǎng)逆變器作為轉(zhuǎn)換樞紐，能夠?qū)R集的高壓直流電準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化為電力系統(tǒng)所需的交流電。在此基礎(chǔ)上，多個(gè)光伏電站以并聯(lián)的方式緊密相連，共同構(gòu)筑光伏能源體系。

當(dāng)分布式光伏電站發(fā)出的電能并入電力系統(tǒng)時(shí)，由電力系統(tǒng)的中心調(diào)度站進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和調(diào)度。通過分析公式（1）可知，在分布式光伏接入電力系統(tǒng)后，雖然提升了清潔能源的利用潛力，但溫度變化、太陽輻照度強(qiáng)弱等因素會(huì)影響光伏電站的發(fā)電效率和穩(wěn)定性，導(dǎo)致分布式光伏發(fā)電功率出現(xiàn)難以預(yù)測(cè)的波動(dòng)，進(jìn)而可能影響電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行穩(wěn)定性。為了解決這個(gè)問題，電力系統(tǒng)中心調(diào)度站需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并識(shí)別發(fā)電功率的波動(dòng)情況[5]?；诮?jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以設(shè)定一個(gè)合理的發(fā)電功率波動(dòng)閾值[6]。根據(jù)這個(gè)閾值，中心調(diào)度站可以判斷電力系統(tǒng)調(diào)度調(diào)整的時(shí)機(jī)。

當(dāng)發(fā)電功率波動(dòng)保持在閾值以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)將繼續(xù)沿用當(dāng)前的運(yùn)行策略，以減少不必要的調(diào)度操作，提高運(yùn)行效率。而當(dāng)波動(dòng)超過閾值時(shí)，說明需要對(duì)資源進(jìn)行重新規(guī)劃和分配，以確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，中心調(diào)度站需要不間斷地跟蹤和記錄分布式光伏電站的實(shí)時(shí)發(fā)電功率。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至中心調(diào)度站時(shí)，應(yīng)將實(shí)際發(fā)電功率與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較。如果監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示分布式光伏發(fā)電功率始終在閾值范圍內(nèi)，那么說明電力系統(tǒng)運(yùn)行良好，中心調(diào)度站將繼續(xù)采用現(xiàn)有的調(diào)度策略。

反之，當(dāng)分布式光伏發(fā)電功率超出閾值范圍時(shí)，說明發(fā)電功率波動(dòng)已處于異常水平[7]。此時(shí)，中心調(diào)度站需要迅速響應(yīng)，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)行計(jì)算和調(diào)度操作，對(duì)電力系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)資源進(jìn)行重新規(guī)劃和分配，以平抑光伏電站發(fā)電功率的波動(dòng)，恢復(fù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，保證電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性。

3 電力系統(tǒng)自動(dòng)化調(diào)度

當(dāng)中心調(diào)度站識(shí)別到分布式光伏發(fā)電功率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化。為了滿足平抑分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的調(diào)度需求，本文采用了雙層自動(dòng)化調(diào)度策略，通過分層優(yōu)化調(diào)度，既保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，又平抑了分布式光伏發(fā)電的功率波動(dòng)。雙層調(diào)度策略包括上層調(diào)度和下層調(diào)度2個(gè)層次。上層調(diào)度以電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本最小化為目標(biāo)，其經(jīng)濟(jì)成本的計(jì)算過程如公式（2）所示[8-9]。

C=Cw+Cv+Cr+Cu+Cn " " " "（2）

式中：C為電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本；Cw為電力系統(tǒng)總?cè)剂铣杀?；Cv為電力系統(tǒng)購(gòu)電費(fèi)用；Cr為光伏發(fā)電設(shè)備維修成本；Cu為光伏發(fā)電設(shè)備采購(gòu)成本；Cn為電力系統(tǒng)維護(hù)成本。

下層調(diào)度以電力系統(tǒng)供電方差最小為目標(biāo)，保證系統(tǒng)電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)中心調(diào)度示意如圖2所示。

為了保證電力系統(tǒng)調(diào)度能夠有效抑制分布式發(fā)電功率波動(dòng)，中心調(diào)度站設(shè)定了功率平衡約束條件。具體要求是，電力系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組的總有功輸出，在扣除電力系統(tǒng)傳輸過程中的網(wǎng)損后，必須能夠?qū)崟r(shí)匹配并適應(yīng)系統(tǒng)的負(fù)荷需求。這項(xiàng)約束是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)于維護(hù)電力系統(tǒng)的供需平衡具有重要的作用。

與傳統(tǒng)能源發(fā)電方式相比，分布式光伏發(fā)電的出力具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，不能精確預(yù)測(cè)。因此，在將分布式光伏發(fā)電納入電力系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)度的過程中，必須考慮功率平衡約束。電力系統(tǒng)不僅需要根據(jù)負(fù)荷變化靈活調(diào)整其輸出功率，以保證基本的供需平衡，還需要預(yù)先設(shè)定一定的調(diào)節(jié)裕度或調(diào)整其他發(fā)電機(jī)組的出力，以補(bǔ)償分布式光伏發(fā)電實(shí)際出力與預(yù)測(cè)值之間可能存在的偏差對(duì)電力系統(tǒng)平衡的影響。為此，需要對(duì)電力系統(tǒng)與分布式光伏電站的輸出功率進(jìn)行綜合考量，并在動(dòng)態(tài)環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行平衡約束，如公式（3）所示。

Pbf-Pwe-Ppv（T）=0 " " " " "（3）

式中：Pbf為電力系統(tǒng)總輸出功率；Pwe為電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)損耗。

在電力系統(tǒng)調(diào)度中，必須確保各項(xiàng)參數(shù)調(diào)控的合理性。調(diào)度中心站根據(jù)既定的目標(biāo)和約束條件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，重新分配系統(tǒng)資源。具體的調(diào)度流程包括3個(gè)步驟。1）采集分布式光伏發(fā)電功率的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)反饋至中心調(diào)度站。2）在調(diào)度中心站中設(shè)定合理的閾值，將采集的數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，以識(shí)別分布式發(fā)電功率的波動(dòng)異常。3）根據(jù)上下雙層調(diào)度目標(biāo)和功率平衡約束，將調(diào)度計(jì)劃轉(zhuǎn)化為具體的調(diào)度指令。采用能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和分析，生成調(diào)度方案，并將其反饋至電力系統(tǒng)中，以對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而抑制分布式光伏電站發(fā)電功率的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化調(diào)度。

4 試驗(yàn)論證

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文方法的效果，筆者以某電力系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，將分布式光伏電站產(chǎn)生的電力接入該電力系統(tǒng)中，采用本文方法對(duì)該電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。在試驗(yàn)中光伏電站發(fā)電并網(wǎng)參數(shù)設(shè)置如下：太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，工作溫度為25 ℃，開路電壓為0.526 V，最大功率點(diǎn)電壓為0.462 V。試驗(yàn)為短期調(diào)度，調(diào)度周期為10 h。試驗(yàn)收集了該電力系統(tǒng)在運(yùn)行80 h后的分布式光伏發(fā)電功率數(shù)據(jù)，將其輸入電力系統(tǒng)中心調(diào)度站中，采用EMS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析，提取符合約束并且滿足調(diào)度目標(biāo)的策略，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。

為了驗(yàn)證本文所提方法的性能，本文將其與文獻(xiàn)[1]提出的基于多種群協(xié)同粒子群人工智能算法的調(diào)度方法，以及文獻(xiàn)[2]提出的考慮靈活資源與模數(shù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的調(diào)度方法進(jìn)行了比較。為了評(píng)價(jià)電力系統(tǒng)的調(diào)度效果，筆者選取了最大功率波動(dòng)量和功率越限次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。最大功率波動(dòng)量是指在特定時(shí)間段內(nèi)，電力系統(tǒng)功率輸出的最大值與最小值之間的差值，它反映了系統(tǒng)功率變化的幅度、穩(wěn)定性以及分布式光伏功率波動(dòng)的抑制效果。波動(dòng)量越大，說明系統(tǒng)功率變化幅度越大，調(diào)度效果越差。筆者在每個(gè)調(diào)度周期中都記錄了電力系統(tǒng)的最大功率波動(dòng)量。功率越限次數(shù)是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，它反映了系統(tǒng)功率輸出或輸入超過預(yù)設(shè)限制值的頻率。越限次數(shù)越多，說明電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性越低，調(diào)度效果越差。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在電力系統(tǒng)調(diào)度場(chǎng)景中，使用3種方法得到的最大功率波動(dòng)量見表1，功率越限次數(shù)見表2。

由表1可知，在多次調(diào)度過程中，使用本文方法，最大功率波動(dòng)量始終較低。當(dāng)進(jìn)行第一次調(diào)度時(shí)，本文方法的最大功率波動(dòng)量為1.26 MW，文獻(xiàn)[1]方法為10.36 MW，文獻(xiàn)[2]方法為21.53 MW。當(dāng)進(jìn)行第八次調(diào)度時(shí)，本文方法為1.56 MW，文獻(xiàn)[1]方法為15.63 MW，文獻(xiàn)[2]方法為25.35 MW。試驗(yàn)結(jié)果表明本文方法在控制電力系統(tǒng)最大功率波動(dòng)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，能夠使電力系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，波動(dòng)范圍更小。由表2可知，在不同的時(shí)間點(diǎn)中，本文方法的功率越限次數(shù)始終為0。與本文方法相比，文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)都有不同程度的功率越限情況，隨著時(shí)間推移，文獻(xiàn)[1]方法的功率越限次數(shù)增加較多，文獻(xiàn)[2]方法從0次增加至19次。試驗(yàn)結(jié)果表明，在電力系統(tǒng)調(diào)度場(chǎng)景中，本文方法在避免電力系統(tǒng)功率越限和控制最大功率波動(dòng)量方面可靠性更高，效果更好，能夠保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文研究了能夠平抑分布式光伏發(fā)電功率波動(dòng)的電力系統(tǒng)調(diào)度方法，旨在節(jié)約成本并提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該方法通過應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，結(jié)合優(yōu)化算法與智能控制策略，不僅保障了電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，還最大限度地提高了分布式光伏發(fā)電的利用率。

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