区域能源管理系统对光伏电站有功功率的 自动控制方式分析

郑芳琪，董丽静

(1.国家电投集团贵州金元威宁能源股份有限公司，贵阳550081；2.中国可再生能源学会，北京 100190)

0 引言

我国大多数地区拥有丰富的太阳能资源，再加上光伏发电技术日益成熟，在我国发展光伏发电具有地理优势和技术优势。但随着光伏电力在电网中占比的提高，对电网系统的调度管理和安全运行造成了很大压力，甚至产生了很多问题。在电网建设水平较为薄弱的地区，对于控制光伏发电有功功率存在极大难度，因此，如何实现光伏电站有功功率的合理控制，是提高并网光伏电站发电质量的关键[1]。本文概述了区域能源管理系统(下文简称“区域能管系统”)对光伏电站有功功率自动控制的必要性，着重分析了区域能管系统对光伏电站有功功率的自动控制方式，并以某光伏电站为例对该方式的实际效果进行了验证。

1 区域能管系统对光伏电站有功功率自动控制的必要性

外界环境能够直接影响光伏电站的发电质量，而自动控制光伏电站有功功率可提升并网光伏电站的供电质量，保证电网运行的安全性与可靠性。科学且合理的光伏电站有功功率自动控制方式，可以确保并网光伏电力的频率始终保持在电网规定的范围内。出于电网运行安全的考虑，电网调度机构会对某个区域内的光伏电站下发一个总有功功率目标值，而一个区域内通常包括多个光伏电站，会共用该目标值，这种情况下非常适合采用区域能管系统进行管理，通过区域能管系统将该目标值拆分给不同的光伏电站，以实现总有功功率目标值的合理分配[2]。而对于某个光伏电站而言，其接收到有功功率目标值后会将该值合理分配给电站内所有的光伏逆变器或数据采集设备，以实现该目标值的分配。

2 区域能管系统对光伏电站有功功率的自动控制方式

2.1 区域能管系统的总体策略分析

对于区域能管系统与某个区域内的所有光伏电站而言，电网调度机构下发的有功功率目标值具有统一性，区域能管系统接收到目标值后对从属于其的所有光伏电站单独设置目标值并下发目标值。

目标值的划分将从2个层面进行：第1个层面为区域能管系统接到总体目标值后，将总体目标值进行拆分，从而得到不同光伏电站的目标值；整个分配过程采取区域优先级策略，但该过程通常不会直接将目标值下发给光伏电站，而是需要经过第2个层面的算法后再进行目标值的下发。第2个层面是将光伏电站目标值拆分为光伏逆变器或数据采集设备的有功功率目标值，然后分别对本电站内的光伏逆变器或数据采集设备下发指令，并确保所有光伏逆变器或数据采集设备都能接收到指令。

通常情况下，某个区域内的全部光伏电站均会接入到该区域的区域能管系统；但在某些情况下，区域内的某个光伏电站是可以不受区域能管系统的控制，即虽然该光伏电站属于此区域，但不接收区域能管系统下发的目标值，而是采用其独立的电网调度目标值。但即使该光伏电站不参与区域能管系统的调节，在计算区域内的总有功功率时，仍会将其实际有功功率计入其中，只是区域能管系统不会再将指令下发到该光伏电站，该光伏电站已处于不受区域能管系统控制的状态，可以自行完成有功功率的控制。

当光伏电站侧的电网自动发电控制(AGC)处于投入状态时，虽然光伏电站之后仍会受到区域能管系统的自动监测，但此时区域能管系统的自动监测将会自动闭锁，退出集控管理侧的区域能管系统，由光伏电站侧自行完成有功功率控制。当光伏电站侧的电网AGC处于退出状态时，则由区域能管系统对光伏电站的有功功率进行调节。但如果区域能管系统未接入光伏电站的电网AGC投入、退出状态，那么电站投入或退出区域能管系统则需要由值班人员手动完成。

区域能管系统内某个光伏电站的有功功率控制目标值可以采用电网调度目标值，但在这种情况下，光伏电站侧的电网AGC子站将会处于投入状态，系统将不会继续将目标值分配到该光伏电站，而剩余的其他光伏电站将获得区域能管系统分配的有功功率目标值。

2.2 区域内有功功率目标值的分配

基于有功功率偏差(有功功率偏差是指电网调度值与区域内总有功功率值的差值)对光伏电站有功功率目标值进行分配时采用优先级分配策略，首先需获得当前太阳辐照度下某个光伏电站全部的理论有功功率，根据该理论有功功率值可判断该光伏电站向上可调的有功功率最大目标值，进而完成光伏电站有功功率目标值的分配。光伏电站的光功率曲线的形成要以不限电情况下的理论有功功率值为基础，并将其作为电站的理论功率曲线。通过该理论有功功率曲线和太阳辐照度对当前状态下的光伏电站理论有功功率作出判断，从而在区域能管系统中完成合理的有功功率分配。

当区域内存在正有功功率偏差时，优先将其分配到优先级最高的光伏电站。但若该最高优先级光伏电站的理论有功功率与实际有功功率的差值小于等于正有功功率偏差，那么分配到该光伏电站的有功功率目标值等于其全部的装机容量，该光伏电站可以自由发电；若该最高优先级光伏电站的理论有功功率与实际有功功率的差值大于等于正有功功率偏差，那么分配到该光伏电站的有功功率目标值等于正有功功率偏差与其有功功率的和，但该光伏电站需限电运行。在完成最高优先级光伏电站的正有功功率偏差分配后，若还存在剩余的正有功功率偏差，那么需要按照电站的优先级依次从高到低将正有功功率偏差依据上述方法进行再次分配。

当区域内存在负有功功率偏差时，优先将其分配到优先级最低的光伏电站，但该光伏电站的最低有功功率需维持在不小于10 MW。若该光伏电站的实际有功功率与负有功功率偏差绝对值的差值大于等于10 MW，那么分配到该光伏电站的有功功率目标值为其实际有功功率与负有功功率偏差绝对值的差值；若该光伏电站的实际有功功率与负有功功率偏差绝对值的差值小于等于10 MW，那么分配到该光伏电站的有功功率目标值为10 MW。在完成优先级最低光伏电站的负有功功率偏差分配后，若还存在剩余的负有功功率偏差，那么需要按照光伏电站优先级依次从低到高将负有功功率偏差依据上述方法进行再次分配。

2.3 基于单个光伏电站的有功功率自动控制方式

在区域能管系统控制单个光伏电站的有功功率过程中，需要将设定的有功功率值合理地分配给该光伏电站内的各光伏逆变器或数据采集设备。在分配过程中，需对光伏逆变器或数据采集设备的可调节有功功率的能力作出判断。此外，在设定光伏逆变器或数据采集设备的有功功率目标值时，要保证与电网调度提出的要求相符合。

区域能管系统要做到合理分配有功功率，除了要对有功功率分配时光伏电站的优先级做好设定以外，还要在其对有功功率控制期间收集所有光伏电站的电压值、电流值、功率因数、输出功率等电气参数值，以及环境温度、太阳辐照度、光伏组件温度与光伏逆变器或数据采集设备运行数据等，并综合分析收集到的各项数据，然后与光伏电站的光功率曲线相结合来获得各个光伏逆变器或数据采集设备的有功功率可调节量，最后计算得到光伏逆变器或数据采集设备的预计输出功率值。

光伏电站中，若每个光伏逆变器或数据采集设备接入的光伏方阵规模相同，那么各个光伏逆变器或数据采集设备之间的理论有功功率的差距很小，这种情况下可以平均分配有功功率目标值。平均分配的策略是将光伏电站有功功率目标值平均分配到光伏阵列，然后将相同规模的光伏方阵接入到不同的光伏逆变器或数据采集设备中，有效控制光伏逆变器或数据采集设备的有功功率，其关系表达式可表示为：

式中：Ps_ref为单台光伏逆变器或数据采集设备的有功功率；Pref为光伏电站有功功率目标值；N为光伏电站内光伏逆变器或数据采集设备的总数量。

当某个光伏电站采用的是数据采集设备时，区域能管系统对该光伏电站的有功功率控制流程图如图1所示。

图1 区域能管系统对某光伏电站的有功功率控制流程图Fig. 1 Flow chart of active power control of a PV power station by regional energy management system

光伏电站需要根据电网调度指令制定相应的有功功率控制模式，常见的模式有斜率控制模式、调整模式、限制模式及差值模式。在控制光伏电站的有功功率时，这4种模式的控制方式存在差异，但大多是以光伏电站的理论输出功率为基础。区域能管系统会利用算法满足电网要求。由于电网严格限制光伏电站的有功功率变化率，整个光伏电站的输出功率变化率应该控制在电网规定的变化率以下，因此，斜率控制模式将会是区域能管系统控制光伏电站有功功率时的主要模式。

基于光伏电站接入电网的技术要求，光伏电站在每1 min与每10 min的有功功率变化量中必须满足一定要求，即变化率的斜率不能超出规定，才能保证电网运行的稳定性，杜绝电网在运行中发生功率突变的现象从而危害电网安全。假设为光伏电站输出功率的预设值，K为控制周期内的有功功率变化限制值，PCC为光伏电站目前所输出的功率，此时Pref可表示为：

根据电网调度要求，区域能管系统经过计算后将分配给光伏电站的有功功率目标值再分配至各光伏逆变器或数据采集设备，从而实现整个光伏电站的有功功率控制。当光伏逆变器或数据采集设备的有功功率不可调节时，只能通过启停光伏逆变器或数据采集设备的方式来完成对光伏电站有功功率的控制；当光伏逆变器或数据采集设备的有功功率可调节时，需采用平均分配法完成有功功率分配。

对PCC值与值进行比较；若值不低于PCC值，则此时光伏电站需要提升有功功率以保证与Pref值相接近；若Pref值不高于PCC值，则此时光伏电站需要降低有功功率到一定数值(该数值不能大于有功功率控制时的限定值)；若Pref值与PCC值相等，则此时光伏电站的总有功功率值不用再次进行调节。

光伏电站处于并网状态时，要根据其实际有功功率值的大小是否超出电站有功功率目标值来决定是否采取限制模式。首先从区域能管系统中获取光伏电站的有功功率目标值Psch，然后将得到的目标值作为光伏电站的预设输出功率值。二者之间关系可表示为：

在分析区域能管系统可向光伏电站分配的有功功率目标值时，既可以根据光功率曲线的数据，也可以采用样板机法，利用样板机对区域内的光伏电站的预设输出功率值进行确定，通常是选择后者；而在光伏电站限电时也使用样板机法，需根据计算要求选择不限电时可选择的光伏组件数量作为样板机来进行分析。

3 有功功率自动控制方式的实际运用效果

采用有功功率自动控制方式后，对某光伏电站内的部分数据采集设备进行了2次有功功率调节，并对相关数据进行了采集，以查看这些数据采集设备的有功功率是否得到了有效控制。具体的有功功率调节结果如表1所示。

表1 某光伏电站中部分数据采集设备的有功功率调节结果Table 1 Active power adjustment results of some data acquisition equipments in a PV power station

由表1可知，2次有功功率调节过程中，各数据采集设备的有功功率偏差不超过设定值的2.7%，均在20 kW以内，调节时间为5～15 s，小于电网要求的1 min，控制成功率为100%，符合电网要求。

采用有功功率自动控制方式对上述光伏电站的所有数据采集设备进行2次总有功功率调节(包括升功率调节和降功率调节)，并对相关数据进行采集，以查看该光伏电站的有功功率是否得到了有效控制，具体调节结果如表2所示。

表2 某光伏电站所有数据采集设备的 总有功功率2次调节结果Table 2 Total active power all data acquisition equipments of a PV power station is adjusted by two times

由表2可知，有功功率调节到位时间为12～15 s，低于电网要求的1 min，说明符合电网要求；且2次调节均实现了调节进死区，符合电网要求。综上可知，这2次调节的成功率为100%。

4 结论

世界范围内的光伏电站无论是规模还是数量均获得了快速发展，光伏电站并网已成为电力工作者研究的重点内容之一。区域能管系统对光伏电站有功功率的自动控制关系到光伏电站有功功率输出的稳定性，对提升光伏电力的稳定性有着极为重要的作用。本文系统性地分析了区域能管系统对光伏电站有功功率自动控制的方式，旨在提升电网运行的可靠性和安全性，以期为相关研究人员提供借鉴，为我国电力系统优化提供理论支持。