基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制研究

劉 成，王煥忠，溫紀(jì)營，冼鐘業(yè)，鄧奕星

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528200； 2.廣東南海電力設(shè)計院工程有限公司，廣東 佛山 528200； 3.國電華研電力科技有限公司，廣東 廣州 510030)

1 引 言

光伏發(fā)電不受地域的限制，屬于一種發(fā)電的新能源，具有資源豐富、接入不受限制和環(huán)境友好等特點，在發(fā)電領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了一些問題和缺點，并網(wǎng)容量當(dāng)分布式光伏接入量較大時，容易出現(xiàn)過大現(xiàn)象，導(dǎo)致節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的電壓超過上限，降低了光伏發(fā)電的電能質(zhì)量[2]，為了提高電能質(zhì)量，需要對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納進(jìn)行控制。

鄔明亮[3]等人對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電模式進(jìn)行分析，利用氣象數(shù)據(jù)和牽引負(fù)荷數(shù)據(jù)根據(jù)分析結(jié)果對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的消納能力進(jìn)行計算，根據(jù)計算結(jié)果實現(xiàn)消納控制，該方法在消納控制過程中，沒有對系統(tǒng)的碳排放量進(jìn)行考慮，存在碳排放量高的問題。鄧文麗[4]等人根據(jù)電能質(zhì)量優(yōu)化補償原理對系統(tǒng)在發(fā)電過程中的控制模式進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制策略，將提高電能質(zhì)量作為目標(biāo)，設(shè)置相關(guān)約束條件，在此基礎(chǔ)上建立消納控制模型，采用粒子群算法對模型求解，完成消納控制，該方法在消納控制過程中沒有分配系統(tǒng)的碳排放量，存在系統(tǒng)發(fā)電量低和系統(tǒng)效率低的問題。

為了解決上述方法中存在的問題，提出基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法。

2 分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型

2.1 碳中和目標(biāo)

為了實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，構(gòu)建分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型時需要對碳排放進(jìn)行考慮。通過下式在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中分配碳排放額度：

(1)

式中:RD為發(fā)電機組在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中被分配的碳排放額；Y為調(diào)度周期；MG為火電機組在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的組數(shù)；ι為發(fā)電機單位有功處理在系統(tǒng)中分配的碳排放額。

設(shè)RC代表的是火電機組在發(fā)電系統(tǒng)中的實際碳排放量，其表達(dá)式如下：

(2)

式中：μi、χi、μi均為火電機組在系統(tǒng)運行過程中對應(yīng)的排放因子。

基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法通過階梯型碳交易成本計算模型[5-6]對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的碳排放量進(jìn)行控制：

(3)

式中：ζ為碳在市場中的成交價格；GC為碳交易成本；ξ為碳成交價格在第二階段中的增長幅度；ψξ為碳成交價格在第三階段中的增長幅度；g為碳排放量區(qū)間對應(yīng)的長度。

2.2 消納控制模型

在碳中和目標(biāo)的基礎(chǔ)上構(gòu)建分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型：

(4)

式中：Ms為光伏電站在發(fā)電系統(tǒng)中的數(shù)量；Vs為第s個光伏電站在發(fā)電系統(tǒng)中的接入容量。

2.3 約束條件

(1)功率平衡。光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷的總功率可通過光伏電站輸出功率和機組在不同時間段內(nèi)發(fā)電總功率計算得到：

(5)

式中：ML為負(fù)荷節(jié)點在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的總數(shù)；Adt為第d個負(fù)荷節(jié)點在發(fā)電系統(tǒng)運行t時段時產(chǎn)生的負(fù)荷功率；Ast=βstVs為出力，其中βst表示出力系數(shù)標(biāo)幺值；Ogt為第g臺常規(guī)機組在光伏發(fā)電系統(tǒng)在t時段中運行時的啟停狀態(tài)；Agt為第g臺常規(guī)機對應(yīng)的出力。

(2)出力約束。

(6)

式中：Agmax、Agmin分別為第g臺常規(guī)機組在發(fā)電系統(tǒng)中的出力上限值和出力下限值。

(3)容量約束。

開機狀態(tài)下常規(guī)機組在超低光伏發(fā)電出力條件下的出力符合光伏發(fā)電網(wǎng)的負(fù)荷條件，即

(7)

式中：ν為光伏出力在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大變化率；ε為負(fù)荷預(yù)測過程中產(chǎn)生的誤差。

(4)爬坡速率約束。

(8)

式中：ig為爬坡速率；fg為滑坡速率。

(5)啟停時間約束。常規(guī)機組在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的開機時間約束如下：

(9)

常規(guī)機組在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的停機時間約束如下：

(10)

(6)功率平衡約束。設(shè)WLi代表的是節(jié)點i對應(yīng)的無功負(fù)荷；WCi代表的是節(jié)點i在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運行過程中的無功補償：

(11)

式中：APVi、ALi分別為節(jié)點i在發(fā)電系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的有功注入和有功負(fù)荷；Ui、Uj均為電壓幅值；?ij為節(jié)點i和節(jié)點j在系統(tǒng)之間存在的電壓相角；WPVi為節(jié)點i對應(yīng)的無功注入。

(7)節(jié)點在系統(tǒng)中的電壓約束為Uimin≤Ui≤Uimax，其中Uimax、Uimin分別表示電壓值的最大值和最小值。

(8)用Dl表示經(jīng)過支路l產(chǎn)生的視在功率，此時支路潮流約束可以表示為Dl≤Dlmax，其中Dlmax代表的是支路l在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的傳輸容量極限值。

(9)有載調(diào)壓變壓器在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)中的抽頭約束可表示為Ykmin≤Yk≤Ykmax[7-8]，其中Ykmin為變壓器抽頭的最小值，Yk為變壓器對應(yīng)的抽頭位置；Ykmax為變壓器抽頭的最大值。

(11)無功補償裝置在分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的約束可以通過下式表示：

WCimin≤WCi≤WCimax

(12)

式中：WCimax為節(jié)點i在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最大無功補償；WCimin為節(jié)點i在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的最小無功補償，用功率因數(shù)的限制問題代替上述約束條件：

γimin≤γi,j≤γimax

(13)

式中：γimin為最小功率因數(shù)；γi,j為節(jié)點i在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)運行j時段時對應(yīng)的功率因數(shù)；γimax為最大功率因數(shù)。

3 消納控制算法

基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法采用遺傳算法[11-12]對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型進(jìn)行求解，實現(xiàn)消納控制，具體步驟如下：

(1)對種群進(jìn)行初始化和編碼處理，基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法通過二進(jìn)制編碼方式[13-14]對種群進(jìn)行編碼，設(shè)向量Ui=(um1,um2,…,umW)T由決策變量構(gòu)成，W為算法中存在的決策變量數(shù)量；umi為二進(jìn)制編碼。

通過規(guī)模為M的種群獲得M個染色體，此時初始群體H1(0)=[U1(0),U2(0),…,UN(0)]T由染色體構(gòu)成。

(2)為了實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差的基礎(chǔ)上構(gòu)建遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)：

f=(Wmax-Wmin+1)-1

(14)

式中：Wmin為分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的最小負(fù)荷；Wmax為分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的最大負(fù)荷。

(3)在當(dāng)前種群中通過適應(yīng)度函數(shù)獲取最優(yōu)個體，通過均勻變異操作[15]、單點交叉操作和復(fù)制操作獲得算法的下一代種群，并利用上式計算其適應(yīng)度。根據(jù)計算結(jié)果對種群進(jìn)行更新。

(4)設(shè)置最大遺傳代數(shù)，當(dāng)?shù)螖?shù)大于等于最大遺傳代數(shù)時，停止迭代，輸出分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型的最優(yōu)值，實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的消納控制。

基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法采用遺傳算法對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型求解的流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程圖

4 實驗與分析

為了驗證基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法的整體有效性，需要對基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法進(jìn)行測試。

將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的碳排放量、發(fā)電量和綜合效率作為指標(biāo)，對基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的有效性進(jìn)行測試，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始碳排放量、發(fā)電量和綜合效率如表1和圖2所示。

表1 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始碳排放量

圖2 初始碳排放量和發(fā)電量

4.1 碳排放量

采用基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對系統(tǒng)控制后的碳排放量如圖3所示。

圖3 不同方法的碳排放量

分析圖3中的數(shù)據(jù)可知，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)進(jìn)行消納控制后，與消納控制前的碳排放量相比，三種方法的碳排放量均出現(xiàn)不同程度的降低，其中所提方法減少的碳排放量最高，在相同月份下，所提方法的系統(tǒng)碳排放量均低于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)碳排放量，因為所提方法構(gòu)建分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制模型之前，通過分配碳排放額度實現(xiàn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的碳中和目標(biāo)，進(jìn)而降低了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的碳排放量。

4.2 系統(tǒng)效率

消納控制后，所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)效率如圖4所示。

圖4 不同方法的系統(tǒng)效率

對圖4進(jìn)行分析可知，與消納控制前相比，所提方法的系統(tǒng)效率明顯提高，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的系統(tǒng)效率雖然也有所提高，但增幅較小，表明系統(tǒng)的消納控制效果不理想。

4.3 發(fā)電量

所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的發(fā)電量測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同方法的發(fā)電量

對圖5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，上述方法經(jīng)過消納控制后，系統(tǒng)的發(fā)電量均有所提高，與所提方法相比，文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的發(fā)電量略低，表明所提方法具有較好的消納控制效果。

5 結(jié) 語

光伏發(fā)電在可再生能源發(fā)電領(lǐng)域中具有受限少和豐富等優(yōu)點，對其并網(wǎng)消納控制進(jìn)行研究具有重要意義。目前分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法存在碳排放量高、系統(tǒng)效率低和發(fā)電量低的問題。提出基于碳中和目標(biāo)的分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)消納控制方法，該方法以碳中和為目標(biāo)構(gòu)建消納控制模型，在遺傳算法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)消納控制，解決了目前方法中存在的問題，為分布式光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。