對光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)建模與功率協(xié)調(diào)控制的研究

山東理工職業(yè)學(xué)院 吳瓊?cè)A

光伏、光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進一步融合了光熱和光伏發(fā)電系統(tǒng)，形成了高效互補及良好調(diào)節(jié)特征，為新時期順利消納可再生能源提供了全新途徑。

1 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行功率協(xié)調(diào)控制

1.1 系統(tǒng)分層控制框架

光伏、光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)控制目標(biāo)是對電網(wǎng)命令進行快速跟蹤，使發(fā)電系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定、安全運行狀態(tài)。光伏和光熱聯(lián)合的電力系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，設(shè)備類型多樣，屬于多時間尺度及多能源耦合系統(tǒng)，對應(yīng)光熱子系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化裝置、發(fā)電過程及儲熱過程中的換熱器對應(yīng)時間尺度是分鐘級的，發(fā)電機和汽輪機是秒級的。光伏子系統(tǒng)內(nèi)，所設(shè)置光伏電池是秒級的時間尺度以及毫秒級的并網(wǎng)逆變器[1]。

此次研究中所創(chuàng)建聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對應(yīng)分層控制框架，主要分為下層控制及上層協(xié)調(diào)控制兩部分（圖1）。在太陽輻射及電網(wǎng)功率命令持續(xù)變化狀態(tài)下，在波動平抑及功率跟蹤條件下上層協(xié)調(diào)控制層能和光伏光熱子系統(tǒng)進行有效協(xié)同，對電網(wǎng)功率命令變化進行實時響應(yīng)。下層子系統(tǒng)對應(yīng)控制層可促進集熱器傳輸介質(zhì)溫度、汽輪機蒸汽壓力、換熱器、光伏電池運行電壓等維持穩(wěn)定變量，提升系統(tǒng)運行穩(wěn)定度和安全性，優(yōu)化發(fā)電系統(tǒng)響應(yīng)能力，可對電網(wǎng)命令進行快速反應(yīng)。

圖1 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)分層控制系統(tǒng)框架

1.2 調(diào)節(jié)裕度分析

聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體儲能水平會對系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度和傳輸功率產(chǎn)生直接影響，將SSOEL及SSOEh分別定義成儲熱階段實際運行上下界限，聯(lián)系SSOE把系統(tǒng)運行范圍進一步細分成正常運行區(qū)域、過充警戒區(qū)、過放警戒區(qū)，在SSOE大于SSOEh條件下，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在過沖警戒范圍內(nèi)導(dǎo)致儲熱環(huán)節(jié)飽和，為此需對光熱子系統(tǒng)的傳輸功率限值進行重新修訂，預(yù)防產(chǎn)生過度儲熱問題。在SSOE低于SSOEl條件下，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在過放警戒范圍內(nèi)，此時存在儲熱過度飽和現(xiàn)象，為此需針對光熱子系統(tǒng)傳輸功率限值進行重新修訂，預(yù)防儲熱階段產(chǎn)生過放現(xiàn)象[2]。

1.3 上層協(xié)調(diào)控制

光熱和光伏聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)主要分為波動平抑及功率跟蹤模式。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在對運行調(diào)控模式進行轉(zhuǎn)換中需聯(lián)系光伏子系統(tǒng)運行功率波動，分析其是否滿足系統(tǒng)并網(wǎng)功率要求。如一段連續(xù)運行時間內(nèi)光伏子系統(tǒng)的運行功率大小超出界限范圍，發(fā)電系統(tǒng)從最初的功率跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)化為波動平抑狀態(tài)，各階段需針對光熱子系統(tǒng)相關(guān)傳輸功率參數(shù)實施靈活調(diào)整，借助光熱子系統(tǒng)控制平抑光伏子系統(tǒng)的傳輸功率變化，對電網(wǎng)命令進行實時跟蹤。電網(wǎng)系統(tǒng)處于功率跟蹤狀態(tài)下，光伏和光熱子系統(tǒng)能對電網(wǎng)功率命令進行同步跟蹤[3]。

處于功率跟蹤條件下，為改善聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體運行經(jīng)濟性，光伏子系統(tǒng)率先在最高功率點運行，跟蹤MPPT模式。結(jié)合光熱子系統(tǒng)實際條件，分析光熱子系統(tǒng)的運行功率參考值是否超出可調(diào)節(jié)范圍，如超出既定范圍，需把光伏子系統(tǒng)原有控制模式進一步切換到限功率模式，在光伏和光熱子系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)運行背景下對電網(wǎng)功率參數(shù)進行實時跟蹤。波動平抑條件下，結(jié)合環(huán)境溫度以及太陽輻射強度獲得光伏子系統(tǒng)傳輸功率預(yù)測值，基于發(fā)電系統(tǒng)目前SSOE獲得光熱子系統(tǒng)傳輸功率變化范圍。此次參考太陽輻射持續(xù)時間及強度變化范圍對發(fā)電系統(tǒng)模式進行準(zhǔn)確判斷，提出協(xié)調(diào)控制功率策略，促進光熱和光伏子系統(tǒng)能順利實現(xiàn)協(xié)同互補，操作步驟如下：

上層控制層采集聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)實際運行轉(zhuǎn)臺，基于MPPT模式下計算光伏子系統(tǒng)預(yù)測功率值及該種條件下系統(tǒng)調(diào)節(jié)裕度范圍；以光伏子系統(tǒng)預(yù)測功率值為基礎(chǔ)，準(zhǔn)確判斷未來持續(xù)時間內(nèi)光伏子系統(tǒng)運行功率變化是否符合并網(wǎng)要求，如滿足則系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為功率跟蹤狀態(tài)，不然系統(tǒng)便會轉(zhuǎn)化為波動平抑狀態(tài)。處于波動平抑狀態(tài)，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)會按照光伏系統(tǒng)的運行功率變化，對光熱系統(tǒng)傳輸功率進行合理調(diào)節(jié)。功率跟蹤條件下，聯(lián)系系統(tǒng)實際儲能SSOE對光熱系統(tǒng)運行功率可調(diào)控裕度實施合理調(diào)節(jié)，如光熱系統(tǒng)傳輸功率參數(shù)低于下限、會使光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為限功率狀態(tài)，對電網(wǎng)功率命令進行同步跟蹤。

1.4 下層子系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、三相電壓換流器、光伏電池陣列等部分。基于伏打效應(yīng)，光伏電池陣列可進一步把光能轉(zhuǎn)化成電能，順利傳輸直流電流。VSC和相關(guān)控制系統(tǒng)選擇兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制將直流電壓輸入其中，按照光伏子系統(tǒng)控制，借助控制過程獲得內(nèi)環(huán)控制電流參數(shù)，通過內(nèi)環(huán)控制跟蹤控制電流參數(shù)。VSC控制器選擇前饋解耦調(diào)控策略對坐標(biāo)系內(nèi)VSC機電暫態(tài)模型對應(yīng)電流和電壓實施解耦，構(gòu)成兩種獨立回路。

光熱控制系統(tǒng)借助儲熱操作能幫助熱、電以及光、熱能量轉(zhuǎn)化實施解耦，對應(yīng)控制系統(tǒng)包括發(fā)電控制器、儲熱控制器、集熱控制器、跟蹤控制器等部分，其中定日鏡控制器能對太陽方位角度和高度進行準(zhǔn)確跟蹤，并對定日鏡角度實施有效調(diào)整，把太陽光線聚集至集熱器表層；集熱器控制裝置聯(lián)系所接收太陽輻射，在對集熱器內(nèi)流入介質(zhì)總量進行綜合控制基礎(chǔ)上，使集熱器流出熱熔鹽維持穩(wěn)定的溫度狀態(tài)，促進光熱系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。儲熱控制器能在放熱和蓄熱條件下對熔鹽泵熔鹽罐內(nèi)傳熱介質(zhì)流量進行有效調(diào)節(jié)[4]。

2 光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真

2.1 模型檢驗

此次借助MATLAB軟件針對光伏、光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)合理創(chuàng)建動態(tài)模型，并和TRNSYS仿真系統(tǒng)所得結(jié)果實施綜合對比分析，對控制模型準(zhǔn)確性進行合理驗證，此次研究中以某個光熱電站為例，選擇和其氣候條件接近的某地太陽輻射所測信息數(shù)據(jù)，仿真分析光熱系統(tǒng)模型。聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的光熱和光伏子系統(tǒng)對應(yīng)額定裝機容量都是120MW，儲熱裝置整體容量是6FLHS，指在充分儲熱條件下能保障系統(tǒng)在額定功率下維持6小時穩(wěn)定發(fā)電，假設(shè)SSOE運行范圍在0.1到0.9，初始值是0.2。

在MATLAB以及TRNSYS軟件內(nèi)相繼創(chuàng)建光熱系統(tǒng)模型，針對各個場景下太陽輻射程度針對光熱發(fā)電系統(tǒng)實施全面仿真。其中光熱發(fā)電系統(tǒng)是在九點正式發(fā)電，保持100MW的恒定功率。設(shè)置SSOE小于0.4條件下停止發(fā)電，結(jié)合圖1、2可進一步了解到，基于兩種代表性場景中①是MATLAB軟件仿真結(jié)果、②是TRNSYS軟件，此次所創(chuàng)建光熱發(fā)電系統(tǒng)和TRNSYS軟件內(nèi)模型精準(zhǔn)仿真形式大致符合，兩者SSOE最高誤差在1.4%左右，由此能夠進一步確定模型效用。

2.2 功率跟蹤動態(tài)仿真

圖2 晴天系統(tǒng)模型

圖3 多云天氣系統(tǒng)模型

將電網(wǎng)功率設(shè)置為每五分鐘進行一次更新，光伏子系統(tǒng)并網(wǎng)需一分鐘功率波低于裝機容量10%。如預(yù)測持續(xù)3分鐘超出波動界限，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能自動轉(zhuǎn)換至波動平抑模式，不然便是功率跟蹤模式。圖4是晴天狀態(tài)下發(fā)電系統(tǒng)輻射程度和協(xié)調(diào)/無協(xié)調(diào)下有功功率波形，因太陽輻射強度整體變化范圍較低，系統(tǒng)最開始為功率跟蹤狀態(tài)，SSOE為正常運行狀態(tài)、光伏子系統(tǒng)為MPPT運行模式，電網(wǎng)相關(guān)初始命令是148MW、經(jīng)過5分鐘后提升到154MW，該環(huán)節(jié)率先對光熱子系統(tǒng)傳輸功率進行調(diào)節(jié)，主動迎合電網(wǎng)運行要求，選擇協(xié)調(diào)以及無協(xié)調(diào)控制方案可有效滿足電網(wǎng)運行功率命令。

圖4 功率跟蹤條件下聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

通過分析圖4可發(fā)現(xiàn)在t為10分鐘條件下，電網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)運行功率命令降低至142MW，因擁有較強的太陽輻射，SSOE保持一種持續(xù)提升的狀態(tài)，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在過充警戒區(qū)內(nèi)，光熱子系統(tǒng)相關(guān)輸出功率不斷縮小、逐漸低于下限值，無法發(fā)揮出良好的持續(xù)下調(diào)功能?；趨f(xié)調(diào)控制策略，光伏子系統(tǒng)進一步轉(zhuǎn)換為定功率控制狀態(tài)，光熱和光伏子系統(tǒng)穩(wěn)定輸出額定功率，并對電網(wǎng)運行功率命令進行快速跟蹤。沒有任何協(xié)調(diào)控制策略過程中，光伏子系統(tǒng)依然保持MPPT運行模式，因太陽輻射強度變化會影響額定輸出功率。此外，光熱子系統(tǒng)無法對傳輸功率進行有效調(diào)節(jié)，導(dǎo)致聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行功率和電網(wǎng)功率命令間形成巨大差異。

2.3 波動平抑動態(tài)仿真

圖5是多云條件下發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)太陽輻射強度和不同控制方案下有功功率運行波形。電網(wǎng)功率是160MW，在實際仿真階段維持不變狀態(tài)。此算例進一步模擬云層中太陽被遮擋到顯露環(huán)節(jié)相關(guān)輻射強度的變化場景，并針對差異化控制策略下系統(tǒng)的動態(tài)變化實施仿真分析。

圖5 波動平抑下發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

通過分析圖5可進一步了解到，云層遮擋太陽后會使太陽對應(yīng)輻射強度持續(xù)降低，等云層飄過逐漸恢復(fù)原有輻射強度，該階段內(nèi)會發(fā)現(xiàn)光伏子系統(tǒng)運行功率產(chǎn)生較大波動。為保證聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)滿足并網(wǎng)要求功率標(biāo)準(zhǔn)，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成波動平抑模式，并對光熱子系統(tǒng)傳輸參數(shù)進行持續(xù)調(diào)節(jié)，對電網(wǎng)功率傳輸命令進行持續(xù)跟蹤，光伏子系統(tǒng)功率實施有效平抑，在t等于4分鐘條件下，太陽輻射會產(chǎn)生較大變化，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進一步轉(zhuǎn)化為平抑模式。借助協(xié)調(diào)控制策略，按照上層功率實施協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)平均每分鐘按照光伏子系統(tǒng)的運行功率變化對光熱子系統(tǒng)傳輸功率實施靈活調(diào)節(jié)。

因為光熱子系統(tǒng)在實際運行中擁有一定延時性，聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)在協(xié)調(diào)控制方案下傳輸功率和電網(wǎng)命令偏差處于7分鐘狀態(tài)下達到3MW最大值，滿足并網(wǎng)要求。在沒有協(xié)調(diào)控制方案下，光熱子系統(tǒng)的運行狀態(tài)響應(yīng)比起太陽輻射波動要相對滯后，系統(tǒng)傳輸功率和電網(wǎng)預(yù)期偏差最高為11MW。選擇應(yīng)用功率協(xié)調(diào)控制方案，可借助上層控制層使聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對光熱子系統(tǒng)功率參數(shù)實施迅速調(diào)節(jié)，促進光熱和光伏子系統(tǒng)間實現(xiàn)協(xié)同發(fā)展和有效互補，能針對太陽輻射變化所引發(fā)的光伏子系統(tǒng)運行功率變化進行有效平抑。

3 結(jié)語

借助光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)動態(tài)模型能夠?qū)Σ⒕W(wǎng)運行中的多時間尺度及多變量耦合特征進行系統(tǒng)分析，合理創(chuàng)建分層控制架構(gòu)，同時提出融合系統(tǒng)儲能狀態(tài)協(xié)調(diào)控制方案，基于波動平抑以及功率跟蹤進一步優(yōu)化系統(tǒng)運行功率響應(yīng)能力和調(diào)節(jié)水平。借助有效的控制策略能夠使光熱及光伏系統(tǒng)在不同控制模式和運行工況下實現(xiàn)協(xié)同運行、優(yōu)勢互補，對電網(wǎng)功率命令進行有效跟蹤。