光伏接入配电网调峰优化调度控制方法研究

2023-12-18周俊宇邱桂华陆家比

电子设计工程 2023年24期

周俊宇，邱桂华，陆家比

（1.广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山 528000；2.烟台海颐软件股份有限公司，山东烟台 264001）

目前，光伏产业技术不断发展，许多光伏企业逐渐进入电网。但并网光伏发电的功率波动大、预测困难、不具备调峰调频等特点，给电网的有功均衡造成很大的冲击。在电网运行过程中，太阳能光伏发电的容量可以被接受，以最大限度地利用可再生能源。光伏并网后，不仅使电网的净负荷峰谷差增大、调峰容量得到提升，同时也会使电力系统的净负荷短期波动加大，使机组调频变得更加困难，降低了经济效益。

文献[1]提出了基于飞蛾火焰优化算法的火电调峰负荷分配研究。火电调峰是以最小成本为目标构建的调峰负荷分配模型，使用飞蛾火焰算法求解。文献[2]提出了复杂约束下梯级水电站短期厂网协调多目标MILP 模型。水电调峰是以梯级发电量和剩余负荷峰谷差为依据构建目标函数的，对目标函数归一化处理后，结合权重法求解。由于光伏接入配电网时输出功率具有不确定性，因此当负荷持续增长，负载波动时，峰值和谷差将会增大。为此，提出了光伏接入配电网调峰优化调度控制方法研究。

1 光伏接入配电网对调峰影响分析

为了实现调峰优化调度控制，保证系统稳定高效运行，设计了光伏接入配电网系统。光伏接入配电网络在一个预定的时间阶段，以确保电力系统的运行经济性，同时也可以通过在线的时间级来安排机组的功率以保持电力的供求均衡。其最终目的在于维持电力系统的有效平衡，而风电的逆变则会使原有的负载特性发生变化，使电网能够正常调峰[3-5]。

风力发电系统的调峰特征是显著的，也就是说，当风力发电量与原来的峰谷差相叠加时，其峰谷差要比原来的大，因此需要机组的调峰容量足够大[6]。光伏接入配电网对调峰影响机理如图1 所示。

图1 光伏接入配电网对调峰影响机理

由图1 可知，p1为正常情况下机组最小出力；p2为光伏接入配电网机组最小出力；p3为光伏接入配电网机组最小出力与机组旋转备用出力之和[7]。在低谷时期存在c1和c2两种等效负荷，这两种负荷的时间交点分别为t1和t2。

正常情况下，常规机组不满足c1调峰需求，但满足c2调峰需求；实际运行情况下，c1和c2在t1时刻均达到了p3最大出力，但没有精准预测这两个容量最小值。为了确保机组具有较大出力效果，应在t1时刻制定出力计划，并采取调峰调度控制策略。

2 基于削峰填谷调峰优化调度控制策略

在系统运行模式的控制上，根据光伏接入配电网对调峰影响分析结果可知，在电力系统负载达到高峰时，利用蓄电池的放电进行调峰[8-10]。在低电压区域内，系统可以根据电池的状况来判断是否要进行充电。以此为根据调峰优化调度控制模型，根据模型划分调峰和非调峰时段，对于调峰时间采用削峰填谷方法优化调度控制光伏接入配电网调峰。

2.1 调峰优化调度控制模型构建

对于蓄电池状态判断，设计详细的过程：确定单个蓄电池充电状态，分析蓄电池组在充电过程中最大的充电状态权重，计算公式为：

式中，mean(q)表示蓄电池充电状态值；q表示荷电值。当自变量趋向于完全放电状态时，权重计算结果较小；当自变量趋向于完全充电状态时，权重计算结果较大[11]。

同时，由于光伏发电效率的影响，在实际的光伏输出功率很小的情况下，系统的效率会降低[12]。通过对不同运行工况的分析，提出了在不同时段进行动态调峰的方法。该系统通过对电网电压的实时监控，对电网传输状况进行判定，从而确定配电网目前是否在调峰范围内[13]。

在调峰时段，构建调峰优化调度控制模型，如图2 所示。

图2 调峰优化调度控制模型

由图2 可知，监测光伏蓄电池的充放电功率，如果充放电功率大于或等于系统供电功率跟随的负载功率，则该时段为非调峰时段，反之则为调峰时段。在非调峰时段，通过控制光伏发电功率调整负荷[14]。而在调峰时段，需要通过削峰填谷优化调度控制方式调整负荷，使光伏接入配电网的负荷满足用电需求。

2.2 削峰填谷优化调度控制流程设计

光伏接入配电网络根据电网的频次变化，可以实现调峰运行，在此模式下，光伏接入配电网络的调峰优化调度控制由以下三个部分组成：1）在光电系统中，最大功率跟踪控制由光储协同控制系统监测电网的频率并判断其是否在调频死区；2）在电网频率为FM 死区的情况下，蓄能电池工作在调峰状态[15]。这时，蓄电池组按照调峰周期进行充放电，而在网频超出调频死区时，蓄电池组处于调频状态，并依据频偏方向计算出蓄电池组的一次基准功率；3）通过与逆变器的闲置能力对比，将二者中较低的值的作为辅助基准，通过对蓄电池组的最大输出限制因子进行优化，并将其作为最后的参考功率。

基于此，设计的削峰填谷优化调度控制流程如图3 所示。

图3 削峰填谷优化调度控制流程

在满足电网调峰要求的情况下，如果采用恒定功率充放电，则会导致光伏电池不能充分充电或充分放电，导致电能的浪费，进而导致电能损耗[16]。为此，必须设计出一个合理的最大输出限制因子，以保证其可以在变流电源系统中进行调峰。

在充放电情况下，光伏储能电池最大出力约束系数分别为γ充、γ放，可表示为：

结合式（2）、（3）得到最终参考功率与荷电状态约束关系，基于此，设计详细调峰方案，主要有以下两种情况：

情况一：当荷电状态较高时，即q>0.5，按照最终参考进行放电处理，以此调峰；当荷电状态较低时，即q<0.5，为了充分利用光伏储能电池容量，避免出现过放现象，光伏储能电池以参考功率乘以一个小于1 的荷电状态进行放电，且最大出力随着荷电状态下降而逐渐减小。

情况二：当荷电状态较低时，即q<0.5，按照最终参考进行充电处理，以此调峰；当荷电状态较高时，即q>0.5，为了充分利用光伏储能电池容量，避免出现过充现象，光伏储能电池以参考功率乘以一个小于1 的荷电状态进行充电，且最大出力随着荷电状态上升而逐渐减小。

在这两种情况下，当光伏接入配电网后，能够保证光伏储能电池具有快速响应能力，同时又能通过充放电调峰，避免出现过充/过放现象[17]。

3 实验

为了验证所提方法有效性，在Matlab 上进行全时段光伏供电调峰效果验证分析。

3.1 全时段光伏供电调峰效果分析

充分考虑在蓄电池全天放电过程中，某个时间段调峰动作时间短的情况，为此，设置一个10%的预留容量。以夏季为例，日光照强度如表1 所示。

表1 日光照强度

基于表1 数据，对全时段光伏供电调峰情况进行实验验证分析。当光伏接入配电网后参与调峰控制的全时段传输功率变化情况，如图4 所示。

图4 全时段传输功率变化情况分析

由图4 可知，0-4 点用户用电情况较少，配电网传输功率波动变化情况较小，处于稳定变化状态，此时配电网也处于非调峰时段；在夏季4 点左右，太阳开始升起，光伏功率逐渐增加，但增加的功率较小，只能对配电网蓄电池充电。配电网输出功率达到20%以上时，逐渐以该额定功率为基础进行并网，使蓄电池继续充电直到充满为止；在12 点左右时，配电网传输功率出现一个高峰，此时光伏功率输出最大，供用电处于一个平衡状态，此时电压波动情况并不大，无须调峰；在20-24 点时配电网传输功率又出现一个高峰，此时基本没有光伏功率，为了保证供电平衡，需要蓄电池放电，此时需要调峰处理。

当蓄电池放电时，配电网电压是处于一个稳定状态的，且在参考电压附近波动。当蓄电池放电程度达到设定的阈值时，蓄电池停止放电，配电网继续充电。整个调峰前后过程电压变化情况如表2所示。

表2 调峰前后电压变化情况分析

由表2 可知，调峰优化调度控制的作用，使得调峰后的电压始终稳定在参考值电压附近，因此，所研究的策略具有快速动态响应，进而在短时间内达到调峰的目的。

3.2 实验结果与分析

分别使用文献[1]方法、文献[2]方法和所提方法，对比分析调峰后的传输功率，对比结果如图5 所示。

图5 三种方法调峰后传输功率对比分析

由图5 可知，文献[1]方法在中午时段最高传输功率为20 kW，与理想最高22 kW 存在2 kW 的误差。在晚上，传输功率稳定在1 kW；文献[2]方法在中午时段最高传输功率为19 kW，与理想最高22 kW存在3 kW 的误差。在晚上，传输功率稳定在4 kW；所提方法在中午时段最高传输功率为22 kW，与理想最高22 kW 一致。在晚上，传输功率稳定在0 kW。由此可知，所提方法调峰后的传输功率与理想情况一致。