薛 斌

(江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南通 226006)

光伏發(fā)電作為一種可再生能源，越來越受到各國學(xué)者的關(guān)注。對于如何對光伏發(fā)電消納也成為了業(yè)界一個普遍關(guān)注的問題，在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了不少的成果。其中文獻[1]對于并網(wǎng)光伏電站低電壓穿越進行了仿真與分析，文獻[2]對大型光伏電站并網(wǎng)特性及其低碳運行與控制技術(shù)進行了深入的分析，通過逆變器多模式控制策略來實現(xiàn)大型光伏電站的低碳調(diào)度并以此獲得最高的低碳效益，由于光伏電能在轉(zhuǎn)換過程中不產(chǎn)生無功也不消耗無功，在逆變過程中要消耗無功，因此就要對光伏電站進行無功補償，文獻[3]對具有無功功率補償和諧波抑制的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器的控制和調(diào)節(jié)方面進行了研究。雖然以上這些文章并不是完全針對光伏發(fā)電消納，但是對于光電消納方面還是有一定的借鑒意義的。

就模型而言，現(xiàn)在對于光伏消納模型的研究主要是考慮如何將光伏出力的波動以及不確定性減小到最低。文獻[4]主要就是論述的一種平滑方法，通過該種方法建立一個包括光電，風(fēng)電和蓄電池的混合儲能系統(tǒng)，以此來將系統(tǒng)的出力波動降到最低。在現(xiàn)有的文獻中，極少有將光伏發(fā)電機組和傳統(tǒng)機組綜合起來考慮進行消納。

1 光伏發(fā)電消納模型及求解方法

1.1 光伏發(fā)電消納分析模型

式（1）中：F為所有機組發(fā)電的總費用函數(shù)；T為一個調(diào)度周期；I為調(diào)度機組的臺數(shù)；Ci為發(fā)電費用函數(shù)式；Ci[Pi（t）]=+βPi+γ，其中α，β，γ為機組i的費用函數(shù)的系數(shù)；ui（t）=1為機組i 在t時段開機；ui（t）=0為關(guān)機；Pi（t）為機組i 在t時段的有功出力；Si為機組i的開機費用；xi（t）為以該時段前機組i 最后一次開機時段為時間起點，并且中間沒有停機，整個過程內(nèi)的時段累計開機時間，為正值；相類似的有機組的連續(xù)累計停機時間為負值。

（1）功率平衡約束：

式（2）中：Pload（t），PL（t）分別為t時段的負荷和網(wǎng)損。

（2）旋轉(zhuǎn)備用約束：

式（4）中：R（t）為t時段所需的旋轉(zhuǎn)備用。

（3）由于每臺機組都有一定的容量限制，則：

式（5—7）中：Pi，min，Pi，max，Qi，min，Qi，max分別為機組i的有功和無功出力上下限；Ppvi，max為光伏機組i的出力上限。

（4）發(fā)電機組在增加功率和減少功率時也要受一定約束：

式（8，9）中：Pi，down，Pi，up分別為機組i的有功出力的下降和上升限制。

（5）機組最小開機和關(guān)機時間。機組不能頻繁地開關(guān)，必須開機/ 關(guān)機一段時間之后才能關(guān)機/ 開機，即：ui（t）=1，此時；ui（t）=0，此時

（6）線路功率限制：

式（10，11）中：Pjk，min，Pjk，max為節(jié)點j 到節(jié)點k 之間線路的最小和最大有功傳輸功率；Qjk，min，Qjk，max為節(jié)點j 到節(jié)點k 之間線路的最小和最大無功傳輸功率。

（7）節(jié)點電壓限制，這里就是要將節(jié)點電壓限制在一定范圍內(nèi)，即：

且有：

1.2 模型求解

該模型采用通用代數(shù)建模系統(tǒng)（GAMS）求解。GAMS 是一款數(shù)學(xué)規(guī)劃和優(yōu)化的高級建模系統(tǒng)，特別為求解線性、非線性和混合整數(shù)最優(yōu)化問題而設(shè)計，它允許使用者通過制定簡單的設(shè)置來把精力放在建模問題上，使用GAMS，數(shù)據(jù)僅僅需要一次就能在熟悉的列表和表格形式中輸入，模型以簡練的代數(shù)聲明來描述，對于人和機器都很容易讀懂，相關(guān)約束的整個集合被輸入到一個聲明中，GAMS 自動生成每個約束等式，至于執(zhí)行的費時的細節(jié)將由GAMS 系統(tǒng)來處理。GAMS的操作大抵可分為3個步驟：（1）建立GAMS輸入文件；（2）執(zhí)行GAMS 程序；（3）輸出GAMS 求解結(jié)果。

2 算例分析

2.1 算例1

用一個IEEE26 機24 節(jié)點系統(tǒng)進行測試，其系統(tǒng)圖如圖1 所示。將全天24 h 平均分為24個時段，仿真結(jié)果均為標幺值（下同）。

首先為分析方便，暫時不加入光伏機組，只考慮常規(guī)機組的機組組合問題。仿真結(jié)果如表1、表2 所示（篇幅所限，只列出Unit1，Unit17，Unit19 和Unit26的數(shù)據(jù)，Unit2—Unit9 與Unit1 類似，此處略去）。

算例1 所有機組發(fā)電的總費用為771 981.021 元。Unit1—Unit9 由于運行費用相對其他機組較高，因此從總體上來看，它們的出力較少，并且停機時間也比較長；在第18時段這9 臺機組都有比較多的出力，因為負荷在該時段突然增加，其他機組基本上已經(jīng)滿發(fā)，所以需要通過增加費用相對較高的機組來平衡負荷。

圖1 IEEE26 機24 節(jié)點系統(tǒng)圖

表1 機組出力表（1—12時段）p.u.

表2 機組出力表（13—24時段）p.u.

2.2 算例2

將光伏發(fā)電加入到該電網(wǎng)中來，和算例1的模型相比，將Unit1 和Unit19 替換為光伏機組，并且Unit19是6 臺光伏機組的并聯(lián)。仿真結(jié)果如表3、表4 所示（篇幅所限，只列出Unit1，Unit17，Unit19 和Unit26的數(shù)據(jù)）。

表3 機組出力表（1—12時段）p.u.

表4 機組出力表（13—24時段）p.u.

算例2 所有機組發(fā)電的總費用為723 993.231 元。由表3、表4 可見，由于將Unit1 換成光伏機組之后，其在第1 到第24時段內(nèi)大都是滿發(fā)，正是因為光伏出力是不需要消耗煤的，沒有發(fā)電成本，所以該機組一般選擇滿發(fā)。

對比算例1的結(jié)果可看出：

（1）由于Unit1 和Unit17 是在同一節(jié)點上，而Unit1 在第1 到第4時段是沒有出力的，為了保持該節(jié)點功率平衡，在考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸功率的條件下就有2 種選擇，Unit17 直接增加發(fā)電或者相鄰節(jié)點上的Unit26增加出力，最后的結(jié)果是Unit17 多出力，原因是Unit 17的發(fā)電成本低于Unit26；

（2）在加入光伏機組后，與光伏節(jié)點相連線路的流出功率會增加，這樣也符合整個系統(tǒng)的成本最小化。

2.3 算例3

算例2 可看出，光伏機組的加入會使得成本降低，又由于其中有很多線路的傳輸功率值還遠遠沒有達到上限，因此可提高光伏機組的出力值，來看是否會使整個系統(tǒng)的成本更低。在這里將每臺機組的出力放大到原來的10 倍，仿真結(jié)果如表5、表6 所示（篇幅所限，只列出Unit19，Unit21，Unit22，Unit23的數(shù)據(jù)）。

表5 機組出力表（1—12時段）p.u.

表6 機組出力表（13—24時段）p.u.

算例3 所有機組發(fā)電的總費用為654 638.688 元。對比算例2 可得出如下結(jié)論：

（1）在第8 到第12時段，與Unit19 所在節(jié)點鄰近節(jié)點的Unit21—Unit23的出力都相應(yīng)減少或者減少為0，但Unit19 卻沒有滿發(fā)，這是因為線路已經(jīng)接近滿載，這樣雖然費用大大減少，但是長期運行會使得線路老化嚴重，系統(tǒng)風(fēng)險增加；

（2）算例3 中從Unit19 所在節(jié)點流出的無功功率大大減少，說明光伏發(fā)電需要消耗大量無功功率，因此在對光伏進行大規(guī)模消納的時候，要考慮在光伏節(jié)點處注入無功，否則就會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

提出了一個綜合考慮光伏發(fā)電機組和傳統(tǒng)機組的消納體系，建立了相應(yīng)的光伏發(fā)電消納分析體系的數(shù)學(xué)模型，對標準的IEEE26 機24 節(jié)點系統(tǒng)及其演變的2個系統(tǒng)算例采用GAMS 求解，通過對計算結(jié)果的分析，得出以下結(jié)論：

（1）本文所建立的數(shù)學(xué)模型和采用的GAMS 是有效的。

（2）光伏發(fā)電機組的加入會降低機組整體的發(fā)電成本，應(yīng)優(yōu)先選擇發(fā)電成本低的機組增加出力。

（3）要在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，增加機組出力，可適當在光伏節(jié)點注入無功。

再下一步可從以下方面深入研究。選取哪些節(jié)點為光伏節(jié)點對提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性最佳以及在光伏節(jié)點注入無功對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

[1]陳 波，朱凌志，朱曉東.并網(wǎng)光伏電站低電壓穿越仿真與分析[J].江蘇電機工程，2012，31(5)：13-17.

[2]艾 欣，韓曉男，孫英云.大型光伏電站并網(wǎng)特性及其低碳運行與控制技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(1)：15-23.

[3]汪海寧，蘇建徽，張國榮，等.具有無功功率補償和諧波抑制的光伏并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)器控制研究[J].太陽能學(xué)報，2006，27(6)：540-544.

[4]LI L L,DING Q,LI H,et al.Optimal Dispatching Method for Smoothing power Fluctuations of the Wind-Photovoltaic-Battery Hybrid Generation System[C].ISGT Asia,Tianjin:IEEE,2012：1-6.