聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制方法研究

王曉華，張建成，周春霞，朱立剛，丁曉哲

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100085）

聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制方法研究

王曉華1，張建成1，周春霞2，朱立剛1，丁曉哲1

（1.華北電力大學(xué)電力工程系，河北保定 071003；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100085）

光伏聯(lián)網(wǎng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢，由于光伏出力受光照、溫度等環(huán)境因素的影響呈現(xiàn)明顯的隨機(jī)性與不可控性，大容量光伏聯(lián)網(wǎng)給電網(wǎng)調(diào)度帶來一定困難。為了適應(yīng)大容量光伏電源接入電網(wǎng)運(yùn)行，本文采用混合儲(chǔ)能平滑系統(tǒng)輸出功率來提高聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)的可調(diào)度性，提出了一種基于不同補(bǔ)償周期的雙層混合儲(chǔ)能能量管理方法，以實(shí)際供電曲線和調(diào)度曲線相關(guān)性、儲(chǔ)能系統(tǒng)成本為優(yōu)化目標(biāo)，采用一種改進(jìn)的基于小生境技術(shù)的Pareto遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。通過算例優(yōu)化配置了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，分析驗(yàn)證了所提能量管理方法的合理性和有效性。

聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電；混合儲(chǔ)能；功率平滑；經(jīng)濟(jì)性；可調(diào)度性

0　引 言

當(dāng)今社會(huì)，人類正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴(yán)重局面，各種可再生能源發(fā)電技術(shù)逐步發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)優(yōu)勢逐漸顯露，其中聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢［1］。由于光伏出力受光照、溫度等因素影響較大，具有明顯的隨機(jī)性和不可控性，光伏聯(lián)網(wǎng)改變了傳統(tǒng)的調(diào)度模式而且會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定沖擊［25］。為了適應(yīng)大容量光伏電源接入電網(wǎng)運(yùn)行，一系列與光伏并網(wǎng)發(fā)電相關(guān)的新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如儲(chǔ)能技術(shù)、諧波抑制技術(shù)、新型光伏逆變技術(shù)等［67］，目前針對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在光伏聯(lián)網(wǎng)中的研究已取得一定成果。文獻(xiàn)［8 9］將蓄電池儲(chǔ)能用于平滑波動(dòng)功率，根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)對(duì)儲(chǔ)能輸出進(jìn)行調(diào)整，但蓄電池循環(huán)壽命較短，很難滿足功率頻繁波動(dòng)的要求。文獻(xiàn)［10 15］將蓄電池超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能用于功率平抑，在一定程度上克服了使用單一儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)的不足。文獻(xiàn)［10 11］從電網(wǎng)角度探討了光伏電站的可調(diào)度運(yùn)行模式，提出采用混合儲(chǔ)能優(yōu)化光伏電源輸出功率特性。文獻(xiàn)［12］通過混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制器的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能元件充放電過程的精確管理，根據(jù)風(fēng)電實(shí)時(shí)功率及儲(chǔ)能元件荷電狀態(tài)檢索預(yù)置的專家信息庫得到充放電控制器的相應(yīng)控制算法，簡化了風(fēng)電功率在多種波動(dòng)狀態(tài)下的控制邏輯，縮短了控制時(shí)間。文獻(xiàn)［13］將補(bǔ)償功率分為高頻和低頻進(jìn)行補(bǔ)償，并且在補(bǔ)償過程中考慮了電網(wǎng)調(diào)度需求，所提控制策略有利于規(guī)避超級(jí)電容器補(bǔ)償功率限制的制約和防止蓄電池組進(jìn)行頻繁充放電。文獻(xiàn)［14］設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能的電路結(jié)構(gòu)，提出了利用滑動(dòng)平均濾波來區(qū)分儲(chǔ)能負(fù)荷高低頻部分，通過調(diào)整滑動(dòng)平均窗口寬度實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能負(fù)荷在蓄電池和超級(jí)電容器之間的合理分配。文獻(xiàn)［15］在傳統(tǒng)限值管理的基礎(chǔ)上引入超級(jí)電容器電壓預(yù)先控制以防止超級(jí)電容器因端電壓達(dá)到上下限而停止工作，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)電容器的高效運(yùn)行。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)用混合儲(chǔ)能來補(bǔ)償不平衡功率以追蹤調(diào)度曲線，分析了基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出了一種新的基于不同補(bǔ)償周期的雙層混合儲(chǔ)能能量管理方法，以供電曲線和調(diào)度曲線相關(guān)性、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)，通過基于小生境技術(shù)的Pareto遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。

1　聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏陣列、DC/DC直流變換器、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、雙向DC/DC控制器、并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)變壓器、系統(tǒng)負(fù)載以及電網(wǎng)等組成。

圖1　聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

圖1中，光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為電能；DC/ DC直流變換器穩(wěn)定直流母線電壓，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較高，為實(shí)現(xiàn)太陽能資源利用的最大化，系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，DC/DC直流變換器工作于MPPT模式［1］；雙向DC/DC控制器控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的大小及流動(dòng)方向；并網(wǎng)逆變器和變壓器將光伏陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為合適電壓等級(jí)的交流電，為光伏并網(wǎng)發(fā)電提供必備條件。

蓄電池超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)用來補(bǔ)償不平衡功率，在光照良好發(fā)電充足時(shí)將部分電能儲(chǔ)存起來，在光照不足時(shí)釋放電能進(jìn)行能量補(bǔ)償。在某時(shí)刻t，將光伏預(yù)測功率Ppv（t）作為光伏系統(tǒng)發(fā)電能力的參考，調(diào)度部門給定調(diào)度目標(biāo)值為PD（t），則兩者之間的不平衡功率Pun（t）定義為

根據(jù)不平衡功率的波動(dòng)特點(diǎn)，將不平衡功率分為兩部分：低頻波動(dòng)功率和高頻波動(dòng)功率。其中低頻波動(dòng)功率波動(dòng)幅度較小，持續(xù)時(shí)間較長，能量密度較大；高頻波動(dòng)功率波動(dòng)幅值較大，持續(xù)時(shí)間較短且能量波動(dòng)較小。

蓄電池能量密度大，是一種能量型儲(chǔ)能裝置，適用于長期儲(chǔ)存電能，但蓄電池同時(shí)具有功率密度小，充放電效率低，循環(huán)壽命短等不足，對(duì)大功率及頻繁充放電的適應(yīng)性不強(qiáng)。超級(jí)電容器則屬功率型儲(chǔ)能裝置，具有功率密度大、充放電速度快且效率高、可充放電循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，可有效抑制系統(tǒng)的短時(shí)間功率波動(dòng)，非常適用于大功率充放電和循環(huán)充放電的場合，但能量密度與蓄電池相比偏低，不適用于電能的大規(guī)模儲(chǔ)存［1617］。將蓄電池和超級(jí)電容器組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器循環(huán)壽命長、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，利用蓄電池來補(bǔ)償不平衡功率低頻波動(dòng)部分，超級(jí)電容器來補(bǔ)償不平衡功率高頻波動(dòng)部分，可以大大提高儲(chǔ)能裝置的性能，進(jìn)而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可調(diào)度性。

2　混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法

為充分發(fā)揮蓄電池和超級(jí)電容器優(yōu)勢，優(yōu)化混合儲(chǔ)能能量狀態(tài)，延長蓄電池的使用壽命，本文提出一種基于不同補(bǔ)償周期的雙層混合儲(chǔ)能能量管理方法。設(shè)定蓄電池補(bǔ)償周期為Tb，超級(jí)電容器補(bǔ)償周期為Tc，由于蓄電池一般用于分鐘至小時(shí)級(jí)的功率補(bǔ)償，超級(jí)電容器一般用于秒至分鐘級(jí)的功率補(bǔ)償，因此取Tb=MTc，其中M為整數(shù)且M?1。在給定時(shí)間段內(nèi)，對(duì)不平衡功率以Tc為采樣間隔所得采樣點(diǎn)數(shù)為n，以Tb為采樣間隔所得采樣點(diǎn)數(shù)為N，則有n=MN。

2.1基于Tb的第一層能量管理方法

表1　蓄電池ΔPb調(diào)整規(guī)則

2.2基于Tc的第二層能量管理方法

上述混合儲(chǔ)能能量管理方法流程如圖2所示。

圖2　混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理方法流程圖

3　基于小生境技術(shù)的Pareto遺傳算法在聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制中的應(yīng)用

3.1優(yōu)化目標(biāo)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本越小越有利于提高經(jīng)濟(jì)性，本文根據(jù)全生命周期理論建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)。

基于以上兩點(diǎn)建立聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

式中：r為實(shí)際供電曲線與調(diào)度曲線之間的相關(guān)系數(shù)；Pgd（t）為t時(shí)刻聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際供電功率；PD（t）為t時(shí)刻電網(wǎng)給定調(diào)度功率；n為給定時(shí)間段內(nèi)取點(diǎn)數(shù)；Tc為取點(diǎn)周期，即超級(jí)電容器補(bǔ)償周期；cncb為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期成本；Czj為折舊成本；Cyx為運(yùn)行成本；Cwh為維護(hù)成本；Ccz為處置成本。

此優(yōu)化問題為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，兩優(yōu)化目標(biāo)之間無法比較，而且混合儲(chǔ)能容量越大系統(tǒng)的可調(diào)度性越高但容量越大儲(chǔ)能成本越大，因此一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的改進(jìn)以犧牲另外一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值為代價(jià)，難以找到一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)使所有的目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。遺傳算法具有隨機(jī)性和隱含并行性，能夠同時(shí)搜索到多個(gè)局部最優(yōu)解，這適用于多目標(biāo)優(yōu)化［1820］。本文將小生境技術(shù)與Pareto最優(yōu)解應(yīng)用于遺傳算法，構(gòu)造出適用于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的Pareto遺傳算法（PGA），并將其應(yīng)用于聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制中。

3.2Pareto最優(yōu)解

針對(duì)一般的極小值問題：

3.3小生境（niche）技術(shù)

用基本遺傳算法求解多峰值問題時(shí)，經(jīng)常只能找到個(gè)別幾個(gè)最優(yōu)值，甚至往往得到的是局部最優(yōu)解。利用小生境我們可以找到全部最優(yōu)解。本文采用基于共享機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法。該方法的基本思想是：通過反映個(gè)體之間相似程度的共享函數(shù)來調(diào)整群體中各個(gè)體的適應(yīng)度，從而在后續(xù)的群體進(jìn)化過程中，算法能夠依據(jù)這個(gè)調(diào)整后新的適應(yīng)度來進(jìn)行選擇運(yùn)算。

3.4本文算法

采用上述Pareto遺傳算法解決聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制優(yōu)化的流程如圖3所示。

圖3　聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制優(yōu)化流程圖

4　算例分析

由于多云天氣下不平衡功率波動(dòng)更為頻繁且波動(dòng)幅度較大，所以算例選取多云天氣情況下進(jìn)行儲(chǔ)能優(yōu)化配置及分析。某光伏發(fā)電系統(tǒng)多云天氣一天的光伏預(yù)測功率曲線、調(diào)度功率給定曲線及兩者之間的不平衡功率曲線如圖4所示。本文采用的混合儲(chǔ)能中蓄電池和超級(jí)電容器參數(shù)如表2所示。

采用本文所提出的基于不同補(bǔ)償周期的雙層能量管理方法，以實(shí)際供電曲線和調(diào)度曲線之間的相關(guān)性和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)，采用基于小生境技術(shù)的Pareto遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，優(yōu)化配置結(jié)果如表3所示。需要配備蓄電池10 096組，超級(jí)電容器692 193組，此時(shí)儲(chǔ)能成本3.272 5×105元，實(shí)際供電曲線和調(diào)度曲線相關(guān)系數(shù)為0.996 7，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可調(diào)度性。

圖4　某光伏發(fā)電系統(tǒng)算例數(shù)據(jù)曲線圖

表2　蓄電池超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)表

表3　儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)配置

在此最優(yōu)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置下，蓄電池和超級(jí)電容器的輸出功率如圖5所示。由圖5可以看出，蓄電池的輸出功率較小且較長時(shí)間內(nèi)輸出相對(duì)較平滑，承擔(dān)了不平衡功率中的低頻波動(dòng)部分。超級(jí)電容器輸出功率波動(dòng)較大且波動(dòng)頻繁，承擔(dān)了不平衡功率中的高頻波動(dòng)部分，這樣充分發(fā)揮了蓄電池能量密度大和超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

圖5　蓄電池與超級(jí)電容器輸出功率曲線圖

蓄電池能量狀態(tài)變化曲線如圖6所示，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定蓄電池初始狀態(tài)為滿充狀態(tài)，由圖6可以看出蓄電池整個(gè)過程中充放電轉(zhuǎn)換次數(shù)較少，有助于延長了蓄電池使用壽命。

圖6　蓄電池荷電狀態(tài)變化曲線圖

超級(jí)電容器的能量狀態(tài)變化如圖7所示，由圖可以看出超級(jí)電容器的能量狀態(tài)位于上下限之間且利用率高。

圖7　超級(jí)電容器能量變化曲線圖

5　結(jié)束語

本文分析了聯(lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)組成，提出運(yùn)用混合儲(chǔ)能補(bǔ)償不平衡功率以追蹤調(diào)度曲線。提出了一種新的基于不同補(bǔ)償周期的雙層混合儲(chǔ)能能量管理方法，第一層能量管理通過滑動(dòng)平均區(qū)分不平衡功率中的高頻成分和低頻成分，并根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)對(duì)蓄電池輸出參考功率進(jìn)行預(yù)調(diào)整，第二層能量管理根據(jù)超級(jí)電容器能量狀態(tài)修正其補(bǔ)償功率以優(yōu)化超級(jí)電容器的能量狀態(tài)。以供電曲線和調(diào)度曲線相關(guān)性、混合儲(chǔ)能全生命周期成本為優(yōu)化目標(biāo)，采用改進(jìn)的基于小生境技術(shù)的Pareto遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。最后通過算例優(yōu)化配置了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，在最優(yōu)儲(chǔ)能配置下對(duì)蓄電池、超級(jí)電容器的功率輸出及能量變化進(jìn)行了分析，通過分析驗(yàn)證了所提能量管理方法的合理性和有效性。

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（責(zé)任編輯:楊秋霞）

Research on Scheduling Controlling Method for Grid-connected PV Power System

WANG Xiaohua1，ZHANG Jiancheng1，ZHOU Chunxia2，ZHU Ligang1，DING Xiaozhe1
（1.Department of Electrical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100085，China）

Grid-connected photovoltaic system is the main development trend of photovoltaic generation systems.The power output of PV is random and uncontrollable because it is influenced by such factors as sunlight and temperature，large-capacity grid-connected photovoltaic power brings certain difficulties in power grid dispatching.In order to connect large-capacity photovoltaic power with power grid，hybrid energy storage is used to smooth power output for improving the schedulability of grid-connected photovoltaic system.A kind of double-deck energy management method is put forward based on different compensatory period in this paper.Taking the cost of energy storage system and the correlation between actual power supply curve and the power dispatching curve of photovoltaic system as the optimized objectives，an improved technology named Pareto genetic algorithm based on niche is applied to obtain optimized solution.In the end，the capacity of energy storage system is optimally equipped by cases，and the rationality and validity of the proposed energy management strategy is analyzed and verified.

grid-connected photovoltaic system；hybrid energy storage；power smooth；economical efficiency；schedulability

1007-2322（2015）02-0023-06

A

TM615

2014-07-13

王曉華（1989—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槁?lián)網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行控制方法，E-mail：wangxiaohua01@163.com；

張建成（1965—），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦蛢?chǔ)能技術(shù)和可再生能源發(fā)電控制技術(shù)，E-mail：zhang_ jiancheng@126.com；

周春霞（1965—），女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣夥l(fā)電、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)，E-mail：Chxzhou@epri.sgcc.com.cn。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51177047）