对光伏-光热联合发电系统动态建模与功率协调控制的研究

山东理工职业学院 吴琼华

光伏、光热联合发电系统进一步融合了光热和光伏发电系统，形成了高效互补及良好调节特征，为新时期顺利消纳可再生能源提供了全新途径。

1 光伏-光热联合发电系统运行功率协调控制

1.1 系统分层控制框架

光伏、光热联合发电系统相关控制目标是对电网命令进行快速跟踪，使发电系统能够维持稳定、安全运行状态。光伏和光热联合的电力系统整体结构十分复杂，设备类型多样，属于多时间尺度及多能源耦合系统，对应光热子系统内的能量转化装置、发电过程及储热过程中的换热器对应时间尺度是分钟级的，发电机和汽轮机是秒级的。光伏子系统内，所设置光伏电池是秒级的时间尺度以及毫秒级的并网逆变器[1]。

此次研究中所创建联合发电系统对应分层控制框架，主要分为下层控制及上层协调控制两部分（图1）。在太阳辐射及电网功率命令持续变化状态下，在波动平抑及功率跟踪条件下上层协调控制层能和光伏光热子系统进行有效协同，对电网功率命令变化进行实时响应。下层子系统对应控制层可促进集热器传输介质温度、汽轮机蒸汽压力、换热器、光伏电池运行电压等维持稳定变量，提升系统运行稳定度和安全性，优化发电系统响应能力，可对电网命令进行快速反应。

图1 联合发电系统分层控制系统框架

1.2 调节裕度分析

联合发电系统整体储能水平会对系统调节裕度和传输功率产生直接影响，将SSOEL及SSOEh分别定义成储热阶段实际运行上下界限，联系SSOE把系统运行范围进一步细分成正常运行区域、过充警戒区、过放警戒区，在SSOE大于SSOEh条件下，联合发电系统在过冲警戒范围内导致储热环节饱和，为此需对光热子系统的传输功率限值进行重新修订，预防产生过度储热问题。在SSOE低于SSOEl条件下，联合发电系统在过放警戒范围内，此时存在储热过度饱和现象，为此需针对光热子系统传输功率限值进行重新修订，预防储热阶段产生过放现象[2]。

1.3 上层协调控制

光热和光伏联合的发电系统主要分为波动平抑及功率跟踪模式。联合发电系统在对运行调控模式进行转换中需联系光伏子系统运行功率波动，分析其是否满足系统并网功率要求。如一段连续运行时间内光伏子系统的运行功率大小超出界限范围，发电系统从最初的功率跟踪状态转化为波动平抑状态，各阶段需针对光热子系统相关传输功率参数实施灵活调整，借助光热子系统控制平抑光伏子系统的传输功率变化，对电网命令进行实时跟踪。电网系统处于功率跟踪状态下，光伏和光热子系统能对电网功率命令进行同步跟踪[3]。

处于功率跟踪条件下，为改善联合发电系统整体运行经济性，光伏子系统率先在最高功率点运行，跟踪MPPT模式。结合光热子系统实际条件，分析光热子系统的运行功率参考值是否超出可调节范围，如超出既定范围，需把光伏子系统原有控制模式进一步切换到限功率模式，在光伏和光热子系统互相协调运行背景下对电网功率参数进行实时跟踪。波动平抑条件下，结合环境温度以及太阳辐射强度获得光伏子系统传输功率预测值，基于发电系统目前SSOE获得光热子系统传输功率变化范围。此次参考太阳辐射持续时间及强度变化范围对发电系统模式进行准确判断，提出协调控制功率策略，促进光热和光伏子系统能顺利实现协同互补，操作步骤如下：

上层控制层采集联合发电系统实际运行转台，基于MPPT模式下计算光伏子系统预测功率值及该种条件下系统调节裕度范围；以光伏子系统预测功率值为基础，准确判断未来持续时间内光伏子系统运行功率变化是否符合并网要求，如满足则系统转化为功率跟踪状态，不然系统便会转化为波动平抑状态。处于波动平抑状态，联合发电系统会按照光伏系统的运行功率变化，对光热系统传输功率进行合理调节。功率跟踪条件下，联系系统实际储能SSOE对光热系统运行功率可调控裕度实施合理调节，如光热系统传输功率参数低于下限、会使光伏系统转化为限功率状态，对电网功率命令进行同步跟踪。

1.4 下层子系统

光伏系统包括控制系统、三相电压换流器、光伏电池阵列等部分。基于伏打效应，光伏电池阵列可进一步把光能转化成电能，顺利传输直流电流。VSC和相关控制系统选择两相旋转坐标系统中的双环控制结构，外环控制将直流电压输入其中，按照光伏子系统控制，借助控制过程获得内环控制电流参数，通过内环控制跟踪控制电流参数。VSC控制器选择前馈解耦调控策略对坐标系内VSC机电暂态模型对应电流和电压实施解耦，构成两种独立回路。

光热控制系统借助储热操作能帮助热、电以及光、热能量转化实施解耦，对应控制系统包括发电控制器、储热控制器、集热控制器、跟踪控制器等部分，其中定日镜控制器能对太阳方位角度和高度进行准确跟踪，并对定日镜角度实施有效调整，把太阳光线聚集至集热器表层；集热器控制装置联系所接收太阳辐射，在对集热器内流入介质总量进行综合控制基础上，使集热器流出热熔盐维持稳定的温度状态，促进光热系统实现稳定运行。储热控制器能在放热和蓄热条件下对熔盐泵熔盐罐内传热介质流量进行有效调节[4]。

2 光伏-光热联合发电系统仿真

2.1 模型检验

此次借助MATLAB软件针对光伏、光热联合发电系统合理创建动态模型，并和TRNSYS仿真系统所得结果实施综合对比分析，对控制模型准确性进行合理验证，此次研究中以某个光热电站为例，选择和其气候条件接近的某地太阳辐射所测信息数据，仿真分析光热系统模型。联合发电系统内的光热和光伏子系统对应额定装机容量都是120MW，储热装置整体容量是6FLHS，指在充分储热条件下能保障系统在额定功率下维持6小时稳定发电，假设SSOE运行范围在0.1到0.9，初始值是0.2。

在MATLAB以及TRNSYS软件内相继创建光热系统模型，针对各个场景下太阳辐射程度针对光热发电系统实施全面仿真。其中光热发电系统是在九点正式发电，保持100MW的恒定功率。设置SSOE小于0.4条件下停止发电，结合图1、2可进一步了解到，基于两种代表性场景中①是MATLAB软件仿真结果、②是TRNSYS软件，此次所创建光热发电系统和TRNSYS软件内模型精准仿真形式大致符合，两者SSOE最高误差在1.4%左右，由此能够进一步确定模型效用。

2.2 功率跟踪动态仿真

图2 晴天系统模型

图3 多云天气系统模型

将电网功率设置为每五分钟进行一次更新，光伏子系统并网需一分钟功率波低于装机容量10%。如预测持续3分钟超出波动界限，联合发电系统能自动转换至波动平抑模式，不然便是功率跟踪模式。图4是晴天状态下发电系统辐射程度和协调/无协调下有功功率波形，因太阳辐射强度整体变化范围较低，系统最开始为功率跟踪状态，SSOE为正常运行状态、光伏子系统为MPPT运行模式，电网相关初始命令是148MW、经过5分钟后提升到154MW，该环节率先对光热子系统传输功率进行调节，主动迎合电网运行要求，选择协调以及无协调控制方案可有效满足电网运行功率命令。

图4 功率跟踪条件下联合发电系统仿真分析

通过分析图4可发现在t为10分钟条件下，电网系统相关运行功率命令降低至142MW，因拥有较强的太阳辐射，SSOE保持一种持续提升的状态，联合发电系统在过充警戒区内，光热子系统相关输出功率不断缩小、逐渐低于下限值，无法发挥出良好的持续下调功能。基于协调控制策略，光伏子系统进一步转换为定功率控制状态，光热和光伏子系统稳定输出额定功率，并对电网运行功率命令进行快速跟踪。没有任何协调控制策略过程中，光伏子系统依然保持MPPT运行模式，因太阳辐射强度变化会影响额定输出功率。此外，光热子系统无法对传输功率进行有效调节，导致联合发电系统运行功率和电网功率命令间形成巨大差异。

2.3 波动平抑动态仿真

图5是多云条件下发电系统相关太阳辐射强度和不同控制方案下有功功率运行波形。电网功率是160MW，在实际仿真阶段维持不变状态。此算例进一步模拟云层中太阳被遮挡到显露环节相关辐射强度的变化场景，并针对差异化控制策略下系统的动态变化实施仿真分析。

图5 波动平抑下发电系统仿真分析

通过分析图5可进一步了解到，云层遮挡太阳后会使太阳对应辐射强度持续降低，等云层飘过逐渐恢复原有辐射强度，该阶段内会发现光伏子系统运行功率产生较大波动。为保证联合发电系统满足并网要求功率标准，将系统转化成波动平抑模式，并对光热子系统传输参数进行持续调节，对电网功率传输命令进行持续跟踪，光伏子系统功率实施有效平抑，在t等于4分钟条件下，太阳辐射会产生较大变化，联合发电系统进一步转化为平抑模式。借助协调控制策略，按照上层功率实施协调控制，系统平均每分钟按照光伏子系统的运行功率变化对光热子系统传输功率实施灵活调节。

因为光热子系统在实际运行中拥有一定延时性，联合发电系统在协调控制方案下传输功率和电网命令偏差处于7分钟状态下达到3MW最大值，满足并网要求。在没有协调控制方案下，光热子系统的运行状态响应比起太阳辐射波动要相对滞后，系统传输功率和电网预期偏差最高为11MW。选择应用功率协调控制方案，可借助上层控制层使联合发电系统对光热子系统功率参数实施迅速调节，促进光热和光伏子系统间实现协同发展和有效互补，能针对太阳辐射变化所引发的光伏子系统运行功率变化进行有效平抑。

3 结语

借助光伏-光热联合发电系统相关动态模型能够对并网运行中的多时间尺度及多变量耦合特征进行系统分析，合理创建分层控制架构，同时提出融合系统储能状态协调控制方案，基于波动平抑以及功率跟踪进一步优化系统运行功率响应能力和调节水平。借助有效的控制策略能够使光热及光伏系统在不同控制模式和运行工况下实现协同运行、优势互补，对电网功率命令进行有效跟踪。