配電網(wǎng)中光伏功率主動削減策略研究*

王力成，文東山，周 斌，劉 佳，郭創(chuàng)新*

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027;2.國網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶400039)

0 引言

太陽能是一種重要的可再生能源。然而，光伏發(fā)電系統(tǒng)在配電網(wǎng)中的滲透率達(dá)到一定比例后，將帶來反向潮流和電壓越限等問題，這給配電網(wǎng)運(yùn)行控制增加了新的挑戰(zhàn)。

工業(yè)實(shí)踐和科學(xué)研究表明有以下幾種方式可以解決配電網(wǎng)反向潮流越限及節(jié)點(diǎn)電壓越限的問題:①在配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中控制光伏發(fā)電的接入容量。文獻(xiàn)［1-2］分別研究了配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)中光伏接入的極限容量。②利用儲能(化學(xué)電池、電動汽車等)吸納光伏發(fā)電系統(tǒng)在正午發(fā)出的多余有功功率，并在負(fù)荷高峰時段釋放能量，從而既可消除線路潮流阻塞，又可達(dá)到削峰填谷的效果，提高了供電質(zhì)量。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對儲能進(jìn)行了大量的研究與建模工作［3-5］。同時，也有不少學(xué)者提出了可再生能源與儲能的協(xié)同調(diào)度策略，如風(fēng)光儲聯(lián)合調(diào)度策略［6-7］。③利用快速啟動機(jī)組(如燃?xì)廨啓C(jī))調(diào)節(jié)出力來適應(yīng)光伏有功輸出的變化，從而減小光伏出力隨機(jī)性對電網(wǎng)的沖擊［8-9］。除此之外，常用的輔助方法還包括利用有載調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)配電網(wǎng)電壓，以及利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力電子逆變器和無功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié)［10-11］。

然而，儲能系統(tǒng)目前還受到投資成本以及使用壽命等的約束，這使得儲能系統(tǒng)近期還很難在電網(wǎng)中獲得大規(guī)模應(yīng)用。以鋰離子電池為例，目前每千瓦時儲能容量的價格約為5 000 元，壽命約為2 000 次，即2.5 元/kWh，高于目前的上網(wǎng)電價。在此情況下，讓光伏發(fā)電系統(tǒng)部分棄光才是更好的選擇。而通過快速啟動機(jī)組來應(yīng)對光伏出力的變化時，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送電能是以減少相應(yīng)機(jī)組利用小時數(shù)為代價的［12］。

事實(shí)上，在規(guī)劃時期所確定的是光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量［13］。為保證在任何可能的光照強(qiáng)度下配電網(wǎng)都不會發(fā)生電壓和潮流越限，規(guī)劃中所確定的光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量通常都留有較大的裕度，這將大大制約人們對清潔太陽能的使用。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力控制通常采用最大功率點(diǎn)跟蹤策略。而會引起配電網(wǎng)電壓、潮流越限的光伏出力高峰時段只占全年光伏有效出力時間很小的一部分。若能合理地削減出力高峰時段的光伏功率，使配電網(wǎng)不至于越限，則可增加光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入容量，從而在非出力高峰時段獲得更多的光伏功率。

由于配電網(wǎng)是高電阻網(wǎng)絡(luò)，由接入配電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的反向有功潮流會顯著地提高沿線節(jié)點(diǎn)的電壓。同時，過大的反向有功潮流也可能導(dǎo)致線路潮流過載。因此，對配電網(wǎng)的有功注入量進(jìn)行主動控制是至關(guān)重要的。

基于此，本研究針對配電網(wǎng)中接入的光伏電站提出一種考慮光伏出力削減的實(shí)時控制策略。

1 光伏出力削減模型

1.1 光伏出力最大值計(jì)算

光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率具有一定的隨機(jī)性，其值受到太陽輻照量、外界環(huán)境溫度以及光伏模塊的自身參數(shù)等因素的影響。當(dāng)已知太陽輻照量為s(0 ＜s ＜1)時，光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)的輸出功率可以由式(1 ～5)計(jì)算所得［15］。

式中:Tcy，TA—光伏模塊的溫度和環(huán)境溫度;NOT，Isc，Voc—光伏模塊標(biāo)稱運(yùn)行溫度、短路電流以及開路電壓;Kv，Ki—電壓溫度系數(shù)和電流溫度系數(shù);FF—填充因子;N—光伏發(fā)電系統(tǒng)中包含的光伏模塊的個數(shù)。IMPPT，VMPPT—最大功率點(diǎn)的電流和電壓;—當(dāng)太陽輻照量為s 時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率。

所以，在已知光伏模塊參數(shù)的情況下，通過實(shí)時地測量外界氣象條件，就可以由式(1 ～5)計(jì)算得當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率。

1.2 光伏出力削減模型

根據(jù)一天中光照強(qiáng)度的變化規(guī)律，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常在正午迎來出力高峰時段;而夏季與冬季中某天中的同一時刻，其光照強(qiáng)度亦相差很大。對于依據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)進(jìn)行控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其極限接入容量是按照光伏出力高峰時段(如夏季正午)的功率輸出量進(jìn)行安全計(jì)算的。而在該光伏滲透率水平下，非高峰時段的光伏發(fā)電系統(tǒng)出力還遠(yuǎn)未達(dá)到引起電網(wǎng)越限的最大有功注入量。由于非高峰時段光伏出力占據(jù)光伏有效出力時間的絕大部分，通過削減光伏出力高峰時段的有功輸出，可以增加光伏發(fā)電接入容量。

由于光伏出力的不確定性，研究人員不能像調(diào)度傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)那樣來調(diào)度光伏發(fā)電站的出力，但卻可以將光伏的實(shí)際出力從一個較大的值(由式(1 ～5)計(jì)算所得的當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛在最大輸出功率)削減至某一合適的出力值。所以，本研究所指的削減策略，實(shí)際上就是一種為了滿足系統(tǒng)安全約束，將光伏出力向下主動調(diào)節(jié)的調(diào)度策略。

1.2.1 目標(biāo)函數(shù)

本研究為了在配電網(wǎng)不越限的情況下，充分利用光伏發(fā)電，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為使配電網(wǎng)從主網(wǎng)中吸收的有功功率量最小，即:

式中:Pi—配電網(wǎng)從主網(wǎng)中吸收的有功功率，以流入配電網(wǎng)為正。

該目標(biāo)函數(shù)兼顧了減小網(wǎng)損以及盡可能多地利用光伏發(fā)出的電能。

1.2.2 約束條件

(1)節(jié)點(diǎn)功率平衡方程:

式中:Vi，Vj—節(jié)點(diǎn)i、j 的電壓幅值;NB—節(jié)點(diǎn)個數(shù);Pi，Qi—節(jié)點(diǎn)i 注入的功率，取決于該節(jié)點(diǎn)上的光伏發(fā)電量以及負(fù)荷水平;θij—節(jié)點(diǎn)i 與節(jié)點(diǎn)j 的電壓相角差;Gij，Bij—導(dǎo)納矩陣對應(yīng)元素的實(shí)部和虛部。

(2)線路潮流約束:

式中:Ti與—第i 條線路上的潮流及線路潮流上

限值。NL—支路條數(shù)。

(3)節(jié)點(diǎn)電壓約束:

(4)光伏出力約束:

式中:Ppvi—節(jié)點(diǎn)i 的光伏有功注入上限值，是待優(yōu)化變量。可由式(1 ～5)計(jì)算得到。式(11)表達(dá)了光伏出力削減的思想，即連接于某個節(jié)點(diǎn)上的光伏出力從最大功率點(diǎn)被削減至某一個合適的出力值Ppvi，從而避免配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓和線路潮流越限。根據(jù)式(6 ～11)，可以通過優(yōu)化計(jì)算得到一個合理的光伏出力削減策略。本研究采用GAMS 優(yōu)化軟件建模，調(diào)用KNITRO 求解器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

2 通過DC/DC 電路削減光伏出力

為了對接入配電網(wǎng)的集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行日內(nèi)實(shí)時優(yōu)化調(diào)度和控制，配電網(wǎng)能量管理(調(diào)度控制)中心通過上文所敘述的光伏削減策略，每隔10 min(符合EN 50160 和IEC61000-4-3 標(biāo)準(zhǔn))計(jì)算一次各個節(jié)點(diǎn)上光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大允許出力上限值Ppvi，并將該值作為指令分別傳遞到各個光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖1所示。在該10 min 內(nèi)，光照強(qiáng)度可能會略有變化，但配電網(wǎng)中各個光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力始終不允許超過Ppvi。若光照強(qiáng)度較強(qiáng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛在輸出功率大于Ppvi，則通過主動控制使其出力恒定在Ppvi;若光照強(qiáng)度變?nèi)?，光伏發(fā)電系統(tǒng)的潛在輸出功率小于Ppvi，則使光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在其最大功率點(diǎn)上。到下一個10 min，配電網(wǎng)調(diào)度控制中心重新計(jì)算Ppvi，并將新值傳遞給各個光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過上述控制策略，各個時段的實(shí)際光伏出力會等于或略小于計(jì)算值Ppvi，但能保證配電網(wǎng)始終不會發(fā)生電壓、潮流越限。圖2 展示了一個典型的兩級式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由光伏電池陣列、DC/DC 變換器、DC/AC 光伏并網(wǎng)逆變器、控制器、儲能電容等組成［16］。通常，DC/DC 變換器負(fù)責(zé)將光伏陣列所產(chǎn)生的直流電壓Vpv變換成受控的直流電壓VDC供給后一級DC/AC 光伏并網(wǎng)逆變器，同時實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤功能。而DC/AC 變換器負(fù)責(zé)將直流母線上的直流電逆變成交流電，為本地負(fù)荷提供電能，并將多余的電能注入配電網(wǎng)。然而，在光伏出力高峰時段，多余的光伏功率需要被削減掉，所以此時對光伏陣列繼續(xù)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤就不適宜了。

圖1 控制信號流向圖

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

光伏陣列的輸出功率與輸出電壓呈現(xiàn)非線性關(guān)系，且該P(yáng)V 特性曲線會隨著外界環(huán)境的變化而變化。國內(nèi)外學(xué)者對光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其控制策略主要包括定電壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等［17-18］。受到最大功率點(diǎn)跟蹤的啟示，本研究提出了一種將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率維持在某一給定值的控制策略。根據(jù)配電網(wǎng)調(diào)度控制中心所給定的指令值Ppvi，DC/DC 變換器的控制器通過合理地改變占空比來調(diào)節(jié)出力，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率降至Ppvi以下，從而實(shí)現(xiàn)光伏出力的主動削減，避免配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓和線路潮流越限。

本研究通過基于Simulink 的光伏模塊來進(jìn)行仿真計(jì)算。對光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的主動調(diào)節(jié)是通過控制太陽能電板端電流來實(shí)現(xiàn)的，具體控制邏輯如圖3所示。

圖3 電流控制邏輯圖

3 算例分析

本研究采用IEEE33 節(jié)點(diǎn)的配電網(wǎng)系統(tǒng)，在節(jié)點(diǎn)18、25、32 上添加了光伏電站，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真計(jì)算。IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)的基準(zhǔn)電壓為12.66 kV，三相功率基準(zhǔn)值為10 MVA。采用文獻(xiàn)［19］所提供的數(shù)據(jù)通過式(1 ～5)計(jì)算光伏在該條件下的最大出力值。具體參數(shù)的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

正午時分(光伏發(fā)電系統(tǒng)出力高峰時段)，各個節(jié)點(diǎn)上的光伏最大允許出力值如表2所示。文中規(guī)定電壓上下限值分別為1.05 至0.9(標(biāo)幺值)。當(dāng)沒有光伏接入時，線路1—2 上的正向潮流最大，所以將該值作為所有線路潮流的上限約束。為了使連接主網(wǎng)與配電網(wǎng)的有載調(diào)壓變壓器可以自由調(diào)壓(調(diào)壓范圍為0.95 ～1.05)，本研究在計(jì)算時將節(jié)點(diǎn)1 上的電壓設(shè)為1.05。由計(jì)算結(jié)果可知，節(jié)點(diǎn)18 與節(jié)點(diǎn)25 上的光伏出力需要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行削減，節(jié)點(diǎn)32 上的光伏發(fā)電系統(tǒng)依舊可以運(yùn)行在其最大功率點(diǎn)上。節(jié)點(diǎn)18、25、32 上的原有的有功負(fù)荷分別為90 kW、420 kW、210 kW。所以，此時網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生大量的反向潮流。

表2 光伏出力削減模型計(jì)算結(jié)果

IEEE33 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值沿饋線的變化趨勢如圖4所示。圖4 中:星形、方塊和圓形分別代表了光伏出力高峰時段，配電網(wǎng)不接入光伏、接入光伏且采用出力削減策略、接入光伏但不采用出力削減策略時的各個節(jié)點(diǎn)的電壓幅值。由圖4 可知，當(dāng)配電網(wǎng)中無光伏發(fā)電系統(tǒng)接入時，電壓幅值從1 號節(jié)點(diǎn)(配電網(wǎng)與輸電網(wǎng)相連接的節(jié)點(diǎn))開始沿著饋線逐漸降低。其中，節(jié)點(diǎn)18 與節(jié)點(diǎn)33 電壓較低，對應(yīng)于配電網(wǎng)中兩條饋線上的最末端點(diǎn)。當(dāng)配電網(wǎng)中接入大量的光伏發(fā)電系統(tǒng)后，若對注入配電網(wǎng)的有功功率不加以控制，則在光伏出力的高峰時段，會在配電網(wǎng)中形成較大的反向潮流，顯著抬高系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓，造成電壓越限。通過光伏出力削減策略對注入配電網(wǎng)的有功功率進(jìn)行主動控制，則可將所有的節(jié)點(diǎn)電壓都控制在上限值以下(如圖4 中方塊所示)。對于節(jié)點(diǎn)1 至節(jié)點(diǎn)18 的饋線，方形點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)9 對應(yīng)于最小電壓幅值，表明由節(jié)點(diǎn)18上的光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的反向潮流到節(jié)點(diǎn)9 就基本消失了，即節(jié)點(diǎn)18 上的光伏發(fā)電系統(tǒng)此刻支持了從節(jié)點(diǎn)9 至節(jié)點(diǎn)18 的用電負(fù)荷。

圖4 節(jié)點(diǎn)電壓幅值沿饋線變化圖

當(dāng)調(diào)度控制中心給定位于不同節(jié)點(diǎn)上的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大允許出力值Ppvi后，連接于各個節(jié)點(diǎn)上的光伏發(fā)電系統(tǒng)就需要根據(jù)該指令值主動控制自身的輸出功率。本研究假設(shè)太陽光照強(qiáng)度從400 W/m2至1 000 W/m2變化，如圖5所示。

在該光照條件下，本研究假設(shè)傳遞給光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器的指令是，輸出功率不得大于822 kW。通過圖4 所給出的電流控制邏輯，本研究可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力控制在所規(guī)定的功率以下。

控制電流Iref與光伏陣列輸出功率隨光照強(qiáng)度變化而變化的曲線圖如圖6所示。圖6 中:Ppv與Ppv0分別為應(yīng)用本研究所提出的控制策略與最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略下光伏模塊輸出的有功功率。由圖6 可得，控制器通過合理地改變控制電流Iref，達(dá)到了削減光伏出力的效果。從0 時刻起，隨著光照強(qiáng)度的增加，控制器通過不斷增加Iref來增大光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率的輸出，直到監(jiān)測裝置監(jiān)測到輸出功率超過了所給定的最大允許值822 kW。在此之前，光伏發(fā)電系統(tǒng)始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。在此之后，控制電流不再隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)離開其最大功率點(diǎn)運(yùn)行，從而維持恒定的有功功率輸出。在光照強(qiáng)度較大的時段，控制電流的曲線有向下凹陷的趨勢。盡管太陽光照強(qiáng)度在此后的一段時間里都保持在較高水平，但光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率始終維持在822 kW 附近。當(dāng)光照強(qiáng)度重新下降到較小的數(shù)值時，控制器能及時減小控制電流的數(shù)值，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)重新回到最大功率輸出狀態(tài)。

圖5 光照強(qiáng)度變化圖

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制電流與輸出功率

4 結(jié)束語

本研究提出了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時出力削減策略，該策略通過光伏出力削減模型實(shí)時計(jì)算各個節(jié)點(diǎn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大允許出力值，并將該值傳遞給光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制器，使光伏發(fā)電的有功輸出得到了合理控制。通過主動控制光伏出力高峰時段配電網(wǎng)有功功率的注入量，可以避免在大量光伏接入時配電網(wǎng)的潮流、節(jié)點(diǎn)電壓越限問題的發(fā)生。此外，本研究提出的光伏出力削減策略并不需要添加額外的配套設(shè)備，從而可節(jié)省投資費(fèi)用。

［1］RAFAEL AMARAL SHAYANI，et al.Photovoltaic generation penetration limits in radial distribution systems［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2011，26 (3):1625-1631.

［2］王一波，許洪華.基于機(jī)會約束規(guī)劃的并網(wǎng)光伏電站極限容量研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(22):22-28.

［3］王松岑，來小康，程時杰，等.大規(guī)模儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，37(1):3-8.

［4］TENG JEN HAO.Optimal charging/discharging scheduling of battery storage systems for distribution systems interconnected with sizeable PV generation Systems［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(2):1425-1433.

［5］吳 雨，潘文霞.基于混合儲能的微電網(wǎng)功率控制策略［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2013，25(2):109-114.

［6］朱 蘭，嚴(yán) 正.風(fēng)光儲微網(wǎng)系統(tǒng)蓄電池容量優(yōu)化配置方法研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(12):26-31.

［7］趙書強(qiáng)，劉晨亮.基于機(jī)會約束規(guī)劃的儲能日前優(yōu)化調(diào)度［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(11):3055-3059.

［8］MIAO FAN.Probabilistic power flow analysis with generation dispatch including photovoltaic resources［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(2):1797-1805.

［9］周念成.光伏與微型燃?xì)廨啓C(jī)混合微網(wǎng)能量管理研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1):74-84.

［10］LIU Xiao-hu.Coordinated control of distributed energy storage system with tap changer transformers for voltage rise mitigation under high photovoltaic penetration［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2012，3(2):897-906.

［11］AOUSS GABASH，PU LI.Active-Reactive OPF in distribution networks with embedded generation and storage［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2012，27(4):2026-2035.

［12］陳 煒.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響研究綜述［J］.電力自動化設(shè)備，2013，33(2):26-32.

［13］王成山，陳 愷.配電網(wǎng)擴(kuò)展規(guī)劃中分布式電源的選址與定容［J］.電力系統(tǒng)自動化，2006，30(3):38-43.

［14］LO CHUN HAO，NIRWAN ANSARI.Alleviating solar energy congestion in the distribution grid via smart metering communications［J］.IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems，2012，23(9):1607-1620.

［15］ATWA Y M.Optimal renewable resources mix for distribution system energy loss minimization［J］.IEEE Transactions on Power Systems，2010，25(1):1797-1805.

［16］劉 飛.三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略［D］.武漢:華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，2008.

［17］蘇秀蓉，王正仕，馬進(jìn)紅，等.基于MPPT 的太陽能智能充電控制器［J］.機(jī)電工程，2013，30(9):1133-1136.

［18］俞天藝，楊 鵬，劉 松，等.基于DC/DC 變換的光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤系統(tǒng)仿真［J］.機(jī)電工程，2011，28(10):1281-1283，1290.

［19］220W PV Module.Solar Gate Technology Corporation，F(xiàn)eb.2012.［EB/OL］.Available:http://www.solargatetech.com.