含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制方法

韓春綠，張彬，林江，宋程國

（中國電建集團(tuán)山東電力建設(shè)第一工程有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

0 引言

當(dāng)前，隨著社會對電能需求量逐年增大，能源、環(huán)境危機(jī)加劇，傳統(tǒng)石油、煤炭、天然氣等能源逐漸枯竭，在此背景和環(huán)境下，我國急需進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和新能源的研究及應(yīng)用。海上風(fēng)電、光伏、儲能均為新能源，與傳統(tǒng)的能源相比，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢及不可替代的特征，例如可以減少資源量的消耗速度、可再生、能夠有效控制氣體的排放、降低對環(huán)境的影響、控制溫室效應(yīng)速度等，這些優(yōu)點(diǎn)在一定程度上解決了大部分能源發(fā)電存在的問題。在強(qiáng)化發(fā)電量的同時，提高整體的控制程序，對新能源的發(fā)展具有重要的意義。要達(dá)到預(yù)期的發(fā)電量，還需要將海上風(fēng)電、光伏、儲能等進(jìn)行多能源的聯(lián)合發(fā)電。然而，當(dāng)前多能源發(fā)電的運(yùn)行控制方式一般為單向，許懿等［1］和蘇鵬等［2］分別提出傳統(tǒng)AGC（Automatic Generation Control）多能源聯(lián)合自動發(fā)電控制方法、傳統(tǒng)慣性動態(tài)多能源聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化控制方法，這2種控制形式雖然可以實現(xiàn)預(yù)期的控制任務(wù)及目標(biāo)，但是缺乏針對性和穩(wěn)定性，在不同的發(fā)電環(huán)境下，難以實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制及把握運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，造成不可預(yù)測的控制問題與缺陷［3］。不僅如此，單向的運(yùn)行控制方式整體效率較低，這也是導(dǎo)致最終控制結(jié)果出現(xiàn)誤差的重要原因之一［4］。為此，本文提出含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制方法的設(shè)計，并進(jìn)行驗證分析，以實際的發(fā)電工程為背景，從多個角度設(shè)計對應(yīng)的發(fā)電控制結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步擴(kuò)大運(yùn)行控制范圍［5］。

1 風(fēng)電—光伏—儲能多能源發(fā)電控制方法設(shè)計

1.1 提取多能源聯(lián)合發(fā)電調(diào)峰特性

海上風(fēng)電、光伏、儲能均屬于新興的優(yōu)質(zhì)能源，在當(dāng)前的社會背景及環(huán)境下，新能源逐漸取代傳統(tǒng)能源，成為發(fā)電行業(yè)的主要支撐能源［6］。因此，需要針對多能源聯(lián)合發(fā)電控制的需求，提取聯(lián)合發(fā)電調(diào)峰的特性［7］。當(dāng)前，主流發(fā)電站多數(shù)由聚光集熱系統(tǒng)總體控制，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與針對性，因此對應(yīng)的能源聯(lián)合發(fā)電效果通常較為穩(wěn)定、可靠，可以凸顯發(fā)電調(diào)峰的特征［8］。首先，對基礎(chǔ)性的發(fā)電環(huán)境及范圍進(jìn)行設(shè)置，在當(dāng)前的區(qū)域內(nèi)，設(shè)置一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，以便采集實時數(shù)據(jù)和信息。其次，通過聚光集熱系統(tǒng)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換，測算電站的儲電容量，計算公式如下：

其中：Q表示儲電容量，μ表示發(fā)電覆蓋區(qū)域，π表示負(fù)荷值，o表示時移調(diào)節(jié)次數(shù)，ζ表示額定功率。結(jié)合當(dāng)前的測定，計算基礎(chǔ)觸電容量，并以此為基礎(chǔ)，針對多能源聯(lián)合發(fā)電的需求，進(jìn)行基礎(chǔ)性的負(fù)荷配置處理；此時，依據(jù)儲電容量的變化，分析判定對應(yīng)的運(yùn)行控制調(diào)峰特性，形成初始的電力控制目標(biāo)，實現(xiàn)對基礎(chǔ)測試條件的制定。需要注意的是，當(dāng)前設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)及發(fā)電調(diào)峰特征并不是固定的，而是根據(jù)實際的需求做出相應(yīng)的調(diào)整，以強(qiáng)化控制的靈活性與穩(wěn)定性。

1.2 設(shè)計多時段發(fā)電運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的發(fā)電運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)一般設(shè)置為獨(dú)立形式，雖然可以實現(xiàn)預(yù)期的控制任務(wù)及目標(biāo)，但是缺乏具體性與穩(wěn)定性，在不同的發(fā)電環(huán)境下，難以把控各個電力處理的環(huán)節(jié)，無法達(dá)到預(yù)期的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，需結(jié)合實際的多能源聯(lián)合發(fā)電的控制需求，設(shè)計多時段的發(fā)電運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)。結(jié)合含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電控制需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，進(jìn)行基礎(chǔ)控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)置（見表1）。

表1 多時段發(fā)電運(yùn)行控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置表

根據(jù)表1 完成對多時段發(fā)電運(yùn)行控制指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)置。結(jié)合當(dāng)前多能源聯(lián)合發(fā)電的需求，將發(fā)電的運(yùn)行時段劃分為下調(diào)峰時段和其他時段，利用提取的發(fā)電調(diào)峰特征作為引導(dǎo)，制定對應(yīng)的運(yùn)行控制目標(biāo)，在發(fā)電的過程中，結(jié)合調(diào)峰標(biāo)準(zhǔn)的變動，對控制任務(wù)和質(zhì)量進(jìn)行修正轉(zhuǎn)換，形成一個具有循環(huán)性的控制結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步滿足多變的控制要求。

1.3 構(gòu)建隨機(jī)約束自適應(yīng)發(fā)電運(yùn)行控制模型

結(jié)合隨機(jī)約束原理，針對含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電的需求，構(gòu)建自適應(yīng)的發(fā)電運(yùn)行控制模型。需要在下調(diào)分發(fā)電時段內(nèi)設(shè)置一個基礎(chǔ)性的邊界規(guī)則，即一種發(fā)電的邊界規(guī)則。明確具體的邊界發(fā)電控制范圍，將邊界系數(shù)設(shè)置控制在3.25～4.16 為最佳，允許出現(xiàn)的最大邊界差值為3.25。在當(dāng)前的測試時段內(nèi)，設(shè)計確定性的約束范圍，現(xiàn)階段約束條件中的隨機(jī)變量為11.03～13.05。在不同的時刻分析發(fā)電情況并進(jìn)行布設(shè)，結(jié)合上述邊界條件的設(shè)置，計算當(dāng)前的單元控制期望值，計算公式如下：

其中：Z表示模型單元控制期望值，?2表示電力約束轉(zhuǎn)化均值，S表示定向識別區(qū)域，R表示期望識別次數(shù)，σ1和σ2分別表示預(yù)期受阻電量和實時收租電量。結(jié)合當(dāng)前的測定，計算模型的單元控制期望值，將其作為多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制的精準(zhǔn)值，采用自適應(yīng)的方式對發(fā)電控制環(huán)節(jié)進(jìn)行合理性的調(diào)配處理，進(jìn)而建立目標(biāo)式的隨機(jī)約束自適應(yīng)發(fā)電運(yùn)行控制模型，隨機(jī)約束自適應(yīng)發(fā)電運(yùn)行控制模型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 隨機(jī)約束自適應(yīng)發(fā)電運(yùn)行控制模型結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖1 完成對隨機(jī)約束自適應(yīng)發(fā)電運(yùn)行控制模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實踐分析，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前的多能源發(fā)電情況，修正初始的控制目標(biāo)，通過設(shè)計模型計算隨機(jī)約束控制限值，計算公式如下：

其中：p表示隨機(jī)約束控制限值，? 表示聯(lián)合調(diào)峰優(yōu)化值，δ表示預(yù)測功率，x表示受阻電量，y2表示計劃電量，?表示時段優(yōu)化比。結(jié)合當(dāng)前的測試，完成對隨機(jī)約束控制限值的計算與實踐分析。依據(jù)計算標(biāo)準(zhǔn)，在模型中設(shè)置隨機(jī)約束邊界條件和對應(yīng)的發(fā)電運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)，形成一個完整、具體的控制結(jié)構(gòu)，從多個角度強(qiáng)化模型的實際應(yīng)用效果，提升其對多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制的能力。

1.4 完成聯(lián)合調(diào)峰交叉優(yōu)化處理

聯(lián)合調(diào)峰交叉優(yōu)化處理一般是指針對模型得出的多能源聯(lián)合運(yùn)行控制結(jié)果進(jìn)行交叉修正及處理的一種輔助發(fā)電控制方法?？梢葬槍Σ煌臅r刻設(shè)定控制流程，聯(lián)合調(diào)峰交叉優(yōu)化處理流程圖如圖2所示。

圖2 聯(lián)合調(diào)峰交叉優(yōu)化處理流程圖

完成對聯(lián)合調(diào)峰交叉優(yōu)化流程的設(shè)計與驗證分析后，通過模型的輔助，在下調(diào)峰段采用控制目標(biāo)引導(dǎo)的方式，比對控制的結(jié)果與初始設(shè)置的預(yù)期結(jié)果，消除控制缺陷及誤差后，即可實現(xiàn)對多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行的控制處理。

2 控制方法測試

本測試主要是對含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制方法的實際應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗證研究，考慮到最終測試結(jié)果的真實性與可靠性，采用對比的方式展開分析，選定G 區(qū)域的新能源發(fā)電站作為主要的測試目標(biāo)。本設(shè)計為多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制測試組，對比組為參考文獻(xiàn)［1］和參考文獻(xiàn)［2］設(shè)定的傳統(tǒng)AGC 多能源聯(lián)合自動發(fā)電控制測試組、傳統(tǒng)慣性動態(tài)多能源聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化控制測試組。比照研究最終得出的結(jié)果，搭建海上風(fēng)電—光伏—儲能的發(fā)電情況的基礎(chǔ)測試環(huán)境。

2.1 測試準(zhǔn)備

結(jié)合海上風(fēng)電—光伏—儲能的測試需求，進(jìn)行初始測試環(huán)境的搭建處理。采用IEEE39 節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對解析，隨機(jī)選定3家對應(yīng)的風(fēng)電、光伏、儲能發(fā)電廠，不同的發(fā)電形式對應(yīng)的發(fā)電效果存在較大的差異。設(shè)置基礎(chǔ)的風(fēng)電裝機(jī)容量為220 MW，可控的電力滲透率可以達(dá)到19.5 %。不同季節(jié)對應(yīng)的發(fā)電量與運(yùn)行情況不同，通常，冬季48 h內(nèi)的電力初始值與電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷初始值保持一致?；诋?dāng)前的測試要求，設(shè)置新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)控制指標(biāo)與參數(shù)（見表2）。

表2 新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)控制指標(biāo)與參數(shù)設(shè)置表

完成對新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制指標(biāo)與參數(shù)的設(shè)置與實踐分析后，結(jié)合當(dāng)前各個發(fā)電站的具體運(yùn)行情況，提取多能源聯(lián)合發(fā)電的特性，依據(jù)實時棄風(fēng)曲線和風(fēng)電功率曲線的波動感，計算多能源聯(lián)合發(fā)電的單元功率，計算公式如下：

其中：D表示單元功率，m表示可識別范圍，n表示堆疊識別范圍，?表示風(fēng)電功率均值，x表示熱負(fù)荷聚合功率。分析測試結(jié)果，將計算出的單元功率劃分為基礎(chǔ)的多能源聯(lián)合控制標(biāo)準(zhǔn)限值，基于實際的發(fā)電控制要求，調(diào)整控制的指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，形成一個循環(huán)性的控制程序。至此，基本完成對測試環(huán)境的搭建，接下來進(jìn)行具體的實踐驗證。

2.2 測試過程結(jié)果分析

在上述搭建的測試環(huán)境中，綜合含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電的需求，進(jìn)行具體的測試與驗證研究。首先，進(jìn)行基礎(chǔ)測試區(qū)域的劃分，在各個測試的位置部署一定數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相連接，形成一個循環(huán)性的監(jiān)測識別結(jié)構(gòu)。其次，設(shè)置6 個發(fā)電測試周期，每一個周期通過節(jié)點(diǎn)采集實時多能源發(fā)電數(shù)據(jù)及信息，匯總整合后待后續(xù)使用。最后，隨機(jī)選定6 個時刻進(jìn)行測試，分別是00：30、8：30、12：30、17：30、20：30、22：30，不同的時刻含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電的發(fā)電量不同，當(dāng)前的等效負(fù)荷值可以通過公式（5）計算。

其中：P表示聯(lián)合發(fā)電等效負(fù)荷值，λ表示發(fā)電覆蓋范圍，θ表示受阻電量，β表示發(fā)電調(diào)峰值，ν表示受阻峰值下限。結(jié)合當(dāng)前的測試，計算出聯(lián)合發(fā)電等效負(fù)荷值；分析當(dāng)前多時刻發(fā)電等效負(fù)荷值的變動情況（如圖3所示）。

圖3 多時刻發(fā)電等效負(fù)荷值變動情況分析圖示

完成對多時刻等效負(fù)荷值波動情況的分析后，結(jié)合當(dāng)前實際的發(fā)電狀態(tài)，根據(jù)含海上風(fēng)電—光伏—儲能多能源聯(lián)合發(fā)電要求及標(biāo)準(zhǔn)的變動，測定發(fā)電運(yùn)行控制。在當(dāng)前下調(diào)峰的出發(fā)點(diǎn)環(huán)境下，設(shè)計多層級的控制策略，保持定向的運(yùn)行平衡；與此同時，結(jié)合實際的控制結(jié)果，計算受阻電量均值比，計算公式如下：

其中：F表示受阻電量均值比，τ表示發(fā)電控制均值，υ表示轉(zhuǎn)換控制距離，u表示控制頻次，b表示重復(fù)控制范圍。結(jié)合當(dāng)前的測試，完成測試結(jié)果的對比分析（如圖4所示）。

圖4 測試結(jié)果對比分析圖

根據(jù)上述設(shè)定的6 個測試周期，與傳統(tǒng)AGC 多能源聯(lián)合自動發(fā)電控制測試組、傳統(tǒng)慣性動態(tài)多能源聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化控制測試組進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計的多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制測試組最終得出的受阻電量均值比能較好地控制在0.25 以下，說明在當(dāng)前多能源聯(lián)合發(fā)電的背景下，本設(shè)計的方法運(yùn)行控制效果更佳，誤差可控，具有較大的實際應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

本文基于最新的控制發(fā)電基礎(chǔ)，對含海上風(fēng)電—光伏—儲能的多能源聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行控制方法進(jìn)行設(shè)計及驗證分析，提取海上風(fēng)電—光伏—儲能日常發(fā)電的共同特征，結(jié)合實際控制需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，制定對應(yīng)的控制總目標(biāo)，使設(shè)計的發(fā)電結(jié)構(gòu)更靈活、多變，從多個角度強(qiáng)化多能源聯(lián)合發(fā)電的效果，為后續(xù)新能源發(fā)電行業(yè)的進(jìn)步及技術(shù)創(chuàng)新提供參考依據(jù)和理論借鑒。本文針對風(fēng)電—光伏—儲能發(fā)電的特點(diǎn)，進(jìn)行電力供應(yīng)的平衡性處理，過程中對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行多維優(yōu)化處理，進(jìn)一步滿足實際的發(fā)電控制需求，推動相關(guān)行業(yè)與技術(shù)邁入一個新的發(fā)展臺階。