姚格平，徐瑞，董衛(wèi)國(guó)，徐帆

（1. 國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏自治區(qū)拉薩 850000；2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061）

西藏作為世界上太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一，近年來(lái)加大了對(duì)太陽(yáng)能光伏資源的開(kāi)發(fā)力度，羊八井、日喀則和阿里等光伏電站的陸續(xù)并網(wǎng)發(fā)電，一定程度上緩解了地區(qū)能源供需中的突出問(wèn)題。

隨著光伏和地?zé)岚l(fā)電等清潔能源發(fā)電規(guī)?；⒕W(wǎng)，光伏出力的間歇性、波動(dòng)性和日內(nèi)“正調(diào)峰”特性，對(duì)原有的電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式將產(chǎn)生較大的影響[1-2]，加之西藏地區(qū)負(fù)荷以生活用電負(fù)荷為主，電網(wǎng)調(diào)頻和調(diào)峰需求將更加迫切，因此，有必要開(kāi)展適應(yīng)西藏電網(wǎng)光伏接入的調(diào)度優(yōu)化方法和有功控制技術(shù)研究，進(jìn)而建立考慮光伏的電網(wǎng)有功控制系統(tǒng)，在滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行控制需求下實(shí)現(xiàn)清潔能源的有效消納。

目前，光伏并網(wǎng)后運(yùn)行控制相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)開(kāi)展并取得了成果。文獻(xiàn)[3]提出了大型光伏電站低碳調(diào)度方法，具有最大功率點(diǎn)跟蹤、無(wú)功及諧波電流補(bǔ)償和有功控制相結(jié)合的逆變器的多模式控制策略。文獻(xiàn)[4]提出了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)與可投切負(fù)荷協(xié)調(diào)控制策略，使用基于二次插值算法的功率控制策略，使總體輸出具有與傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備類(lèi)似的外特性，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)凈出力的靈活控制。文獻(xiàn)[5]提出了一種高可再生能源滲透率下考慮預(yù)測(cè)誤差的微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，由日前計(jì)劃和實(shí)時(shí)調(diào)度兩層構(gòu)成，實(shí)時(shí)調(diào)度層根據(jù)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)修正計(jì)劃進(jìn)行電壓和潮流優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)改善風(fēng)電和光伏出力的平滑性，通過(guò)風(fēng)電、光伏和儲(chǔ)能之間協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)多源優(yōu)化互補(bǔ)。上述研究在光伏電站調(diào)度控制策略、系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有所突破，尚缺少對(duì)光伏接入后電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度方法，以及常規(guī)能源與光伏資源協(xié)調(diào)控制相關(guān)內(nèi)容的研究。

在光伏等間歇性電源滲透率不斷增加的背景下，本文結(jié)合西藏電網(wǎng)電源、負(fù)荷特點(diǎn)，闡述考慮光伏接入的有功控制系統(tǒng)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，并提出適應(yīng)光伏接入的調(diào)度計(jì)劃模型和多源協(xié)調(diào)控制方法。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

考慮光伏接入的有功控制系統(tǒng)，建立在智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)（D5000）之上，實(shí)現(xiàn)光伏與常規(guī)能源運(yùn)行控制各項(xiàng)應(yīng)用功能。有功控制系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、負(fù)荷和功率預(yù)測(cè)、多周期調(diào)度計(jì)劃編制和自動(dòng)發(fā)電控制等各項(xiàng)功能，如圖1所示。

圖1 有功控制系統(tǒng)各功能模塊關(guān)系框圖Fig. 1 Relationship among the function blocks of the active power control system

實(shí)時(shí)監(jiān)視與預(yù)警類(lèi)應(yīng)用，由網(wǎng)絡(luò)分析、電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)發(fā)電控制組成。完成對(duì)省網(wǎng)內(nèi)電源、負(fù)荷、廠站和線路數(shù)據(jù)采集監(jiān)視、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ徒⒑瓦\(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析，以及常規(guī)能源和光伏的有功控制決策和閉環(huán)控制功能。光伏AGC和常規(guī)AGC構(gòu)成了自動(dòng)發(fā)電控制應(yīng)用的功能模塊，光伏AGC支持主站對(duì)光伏廠站的功率控制，也支持與常規(guī)AGC協(xié)同參與全網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰控制功能。

調(diào)度計(jì)劃類(lèi)應(yīng)用包括預(yù)測(cè)和發(fā)電計(jì)劃兩個(gè)部分。預(yù)測(cè)部分在系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和母線負(fù)荷預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，增加光伏功率預(yù)測(cè)，為發(fā)電計(jì)劃編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。發(fā)電計(jì)劃部分根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、聯(lián)絡(luò)線受電計(jì)劃和檢修計(jì)劃制定未來(lái)1 d的日前發(fā)電計(jì)劃，并實(shí)時(shí)獲取超短期負(fù)荷和光伏功率預(yù)測(cè)和電網(wǎng)實(shí)時(shí)工況，用于制定實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)劃。日前計(jì)劃和實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃提供給自動(dòng)發(fā)電控制功能模塊，作為有功控制的決策依據(jù)。

安全校核類(lèi)應(yīng)用，由潮流分析、靈敏度分析和靜態(tài)安全分析子功能模塊構(gòu)成。該應(yīng)用對(duì)日前和實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行安全斷面潮流分析，為計(jì)劃修正和優(yōu)化提供支持，同時(shí)在輸電斷面重載或越限發(fā)生時(shí)，為預(yù)防重載或解除越限提供控制決策依據(jù)。

2 光伏有功控制功能設(shè)計(jì)

西藏電網(wǎng)電源構(gòu)成中水電和抽蓄機(jī)組占據(jù)較大比重，這部分機(jī)組具有啟閉靈活、并網(wǎng)時(shí)間快的特點(diǎn)，適用于承擔(dān)調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)。光伏具有晝夜日規(guī)律特征，可充分發(fā)揮水庫(kù)日調(diào)節(jié)特性與光伏電站互補(bǔ)運(yùn)行，而針對(duì)調(diào)節(jié)性能好的水庫(kù)除日調(diào)節(jié)外，還可在更長(zhǎng)的尺度范圍考慮季節(jié)性補(bǔ)償，與火電等其他電源實(shí)現(xiàn)互濟(jì)運(yùn)行。多源互濟(jì)協(xié)調(diào)控制，在電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制時(shí)間尺度范圍內(nèi)，將光伏有功控制納入電網(wǎng)有功控制體系，作為電網(wǎng)輔助調(diào)節(jié)控制手段，輔助參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰控制。

2.1 有功控制架構(gòu)

光伏有功控制由電網(wǎng)側(cè)調(diào)度控制主站和光伏控制子站兩層控制架構(gòu)構(gòu)成。電網(wǎng)側(cè)調(diào)度控制主站配置在省級(jí)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，下發(fā)有功控制遙調(diào)指令到光伏電站，光伏電站側(cè)通過(guò)廠站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)光伏組件的底層控制。光伏控制子站上送包括全站實(shí)時(shí)出力、當(dāng)前調(diào)節(jié)上下限、遠(yuǎn)方控制投退信號(hào)等信息到調(diào)度主站，如圖2所示。

圖2 有功控制系統(tǒng)框架圖Fig. 2 Framework of the PV active power control system

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)并網(wǎng)光伏電站的有功功率控制進(jìn)行了規(guī)定，要求配置有功功率控制系統(tǒng)，具備功率連續(xù)平滑調(diào)節(jié)和緊急功率控制功能[7-10]。具備功率控制功能的光伏電站支持本地和遠(yuǎn)方控制兩種方式，通過(guò)逆變器啟停調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率。光伏電站有功控制指令經(jīng)有效性校驗(yàn)和安全性校驗(yàn)，通過(guò)逆變器啟停策略?xún)?yōu)化，避免單臺(tái)逆變器頻繁動(dòng)作，最終輸出站內(nèi)逆變器的啟?？刂浦噶?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度主站有功控制指令的閉環(huán)跟蹤。

2.2 計(jì)及光伏的調(diào)度計(jì)劃編制

多時(shí)間尺度光伏功率預(yù)測(cè)可以對(duì)光伏未來(lái)出力逐級(jí)細(xì)化，并在一定程度上可以反映其未來(lái)波動(dòng)趨勢(shì)，因此在發(fā)電計(jì)劃編制過(guò)程中引入光伏功率預(yù)測(cè)，建立光伏優(yōu)先消納的多元電源優(yōu)化模型，在多時(shí)間尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光伏的合理有效消納[11-12]。

2.2.1 光伏有功控制數(shù)據(jù)流程

光伏有功控制軟件數(shù)據(jù)流程，是由日前發(fā)電計(jì)劃、實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)劃和自動(dòng)發(fā)電控制構(gòu)成多時(shí)間尺度有功閉環(huán)控制體系，如圖3所示。

圖3 光伏有功控制數(shù)據(jù)流程Fig. 3 Flow of the PV active power control

調(diào)度計(jì)劃功能模塊獲取短期光伏功率預(yù)測(cè)和負(fù)荷預(yù)測(cè)，結(jié)合交換計(jì)劃和檢修計(jì)劃等數(shù)據(jù)，制定光伏電站和常規(guī)機(jī)組的日前發(fā)電計(jì)劃和日內(nèi)發(fā)電計(jì)劃。實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)劃基于超短期光伏功率預(yù)測(cè)、負(fù)荷預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行工況，對(duì)日內(nèi)發(fā)電計(jì)劃修正得到實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)劃，并提供給新能源控制和自動(dòng)發(fā)電控制（AGC，Automatic Generation Control）模塊。新能源控制和AGC基于電網(wǎng)有功“平衡控制”和“安全控制”需求，形成有功控制指令，分別下發(fā)給可控光伏電站和AGC機(jī)組。不可控光伏電站和非AGC機(jī)組則以跟蹤實(shí)時(shí)滾動(dòng)計(jì)劃的方式參與不平衡量超前控制。

2.2.2 計(jì)及光伏的調(diào)度優(yōu)化模型

受光伏功率預(yù)測(cè)精度的限制，直接使用預(yù)測(cè)結(jié)果無(wú)法有效跟蹤系統(tǒng)等效負(fù)荷（考慮光伏波動(dòng)）功率波動(dòng)。因此，在機(jī)組組合優(yōu)化和計(jì)劃編制中，考慮預(yù)測(cè)偏差因素影響，形成了計(jì)及預(yù)測(cè)不確定性的備用約束條件，建立起光伏發(fā)電優(yōu)先接納的多元電源發(fā)電計(jì)劃模型，從而對(duì)新能源與常規(guī)能源共同優(yōu)化，據(jù)此制定日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)遞進(jìn)和滾動(dòng)計(jì)劃。

為保證光伏發(fā)電優(yōu)先接納，引入光伏降出力懲罰因子，如圖4所示，隨著光伏出力削減量的增加，懲罰因子也會(huì)增加。

圖4 光伏降出力分段懲罰因子Fig. 4 The piecewise penalty factor of solar curtailment

目標(biāo)函數(shù)為調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)總成本（煤耗）最低，由于光伏發(fā)電成本為零，僅在發(fā)生光伏降出力時(shí)考慮虛擬懲罰成本，因此系統(tǒng)實(shí)際成本為常規(guī)火電機(jī)組發(fā)電成本，優(yōu)化目標(biāo)為：

式中，T為系統(tǒng)調(diào)度周期所含時(shí)段數(shù)；N為系統(tǒng)中參與調(diào)度的常規(guī)火電機(jī)組數(shù)；Ci，t為常規(guī)發(fā)電機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電成本；W為系統(tǒng)中光伏機(jī)組數(shù)；δw，t為光伏機(jī)組w在t時(shí)段的降出力懲罰成本。

引入光伏降出力分段懲罰因子后，降出力成本可表示為：

式中，S為分段懲罰函數(shù)總段數(shù)；λw，s為光伏機(jī)組w在其分段函數(shù)第s段的懲罰因子，該因子一般較大，以達(dá)到抑制光伏降出力的效果；Δpw，s，t為光伏機(jī)組w在t時(shí)段在分段函數(shù)第s段上的變化量，為非負(fù)值。

光伏機(jī)組功率下降值采用分段累加表達(dá)：

式中，pdropw，t為光伏機(jī)組w在t時(shí)段的降出力值；PΔw，s，t為分段函數(shù)中各分段區(qū)間的終點(diǎn)功率。

由此可知，光伏機(jī)組出力為：式中，pw，t為光伏機(jī)組w在t時(shí)段的出力；為光伏機(jī)組w在t時(shí)段的預(yù)測(cè)出力。

光伏機(jī)組并網(wǎng)后，系統(tǒng)負(fù)荷平衡約束為：

式中，pi，t為常規(guī)火電機(jī)組i在t時(shí)段的出力；PLt為t時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)值。

調(diào)度計(jì)劃模型中的其他約束如火電機(jī)組出力上下限約束、機(jī)組爬坡/滑坡率約束、支路及輸電斷面極限約束等，多篇文獻(xiàn)均有詳細(xì)闡述[13-14]，此處不在贅述。其中，考慮大規(guī)模光伏等新能源預(yù)測(cè)不確定性的系統(tǒng)備用容量設(shè)置，采用文獻(xiàn)[15]中的方法。

2.3 適應(yīng)光伏接入的多源協(xié)調(diào)控制策略

西藏電網(wǎng)水電資源較為豐富，水電的優(yōu)良調(diào)節(jié)特性為光伏資源消納提供了有利條件。未來(lái)隨著光伏滲透率的增加，光伏出力波動(dòng)和峰谷效應(yīng)愈加凸顯，多源互補(bǔ)協(xié)調(diào)控制需求將更加迫切。多源協(xié)調(diào)控制策略屬于電網(wǎng)實(shí)時(shí)控制環(huán)節(jié)，在該時(shí)間尺度范圍內(nèi)優(yōu)化協(xié)調(diào)光伏與常規(guī)能源機(jī)組出力，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)平衡控制與光伏最大化利用兩者的兼顧[16-17]。

2.3.1 光伏電站有功控制模式

光伏輔助參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻控制，采用與常規(guī)能源機(jī)組相類(lèi)似的有功控制模式。光伏電站有功控制模式由基點(diǎn)功率模式和調(diào)節(jié)功率模式組成，結(jié)合光伏資源特性，基點(diǎn)功率模式，在自動(dòng)控制模式（AUTO）、計(jì)劃跟蹤模式（SCHE）、人工設(shè)點(diǎn)模式（BASE）的基礎(chǔ)上[15]，增加最大功率模式（MPPT）。MPPT基點(diǎn)功率取最大出力，保證光伏電站自由發(fā)電保證最大功率輸出。調(diào)節(jié)功率模式根據(jù)區(qū)域控制偏差（ACE，Area Control Error）所處控制區(qū)設(shè)置為：不調(diào)節(jié)（O）、調(diào)節(jié)（R）、輔助（A）、緊急（E）[18]。

在光伏電站控制模式配置中，采用以下幾種控制模式，如表1所示。

表1 光伏電站有功控制模式Tab. 1 PV station’s active power control mode

在光伏滲透率較小的電網(wǎng)，光伏電站以MPPTO為主。計(jì)及光伏的發(fā)電計(jì)劃，在日前和實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃中考慮了電網(wǎng)平衡約束，隨著地區(qū)電網(wǎng)光伏滲透率的增加，建議采用SCHEO/SCHEE和AUTOE兩種模式應(yīng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻難題，可保證光伏的并網(wǎng)電量，并在必要時(shí)參與電網(wǎng)有功調(diào)節(jié)。

2.3.2 計(jì)及光伏的多源協(xié)調(diào)控制策略

光伏電站控制模式的配置方案，體現(xiàn)了光伏在電網(wǎng)擾動(dòng)調(diào)節(jié)中的介入時(shí)機(jī)，因此光伏與常規(guī)能源在ACE控制區(qū)的動(dòng)作區(qū)間分布如圖5所示。

圖5 常規(guī)能源與光伏的ACE動(dòng)作區(qū)間Fig. 5 ACE Regulation Zone of Traditional Source and PV

AUTOE、SCHEE、MPPTE模式的光伏電站，僅在ACE處于緊急區(qū)時(shí)，與網(wǎng)內(nèi)常規(guī)能源參與區(qū)域總調(diào)節(jié)功率（ARR，Area Required Regulation）的分配。

式中，PARR為區(qū)域總調(diào)節(jié)功率；PPV，Group為光伏承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率；PTS，Group為常規(guī)能源承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率。

常規(guī)AGC一般采用比例分擔(dān)和優(yōu)先級(jí)排序兩種分配策略，將調(diào)節(jié)功率需求在機(jī)組之間進(jìn)行分配。考慮光伏后，單一的比例分擔(dān)策略顯然無(wú)法適應(yīng)；優(yōu)先級(jí)排序控制策略可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)存在加出力調(diào)整需求時(shí)優(yōu)先調(diào)整光伏，存在減出力調(diào)整需求時(shí)優(yōu)先調(diào)整常規(guī)機(jī)組，但光伏增出力的不確定性可能會(huì)對(duì)區(qū)域整體控制效果造成不利影響。

綜合分析比例分擔(dān)和優(yōu)先級(jí)排序兩種策略的優(yōu)缺點(diǎn)，形成光伏與常規(guī)電源分組控制的方法：

1）需要增加出力時(shí)，若光伏控制組具有上調(diào)空間，則優(yōu)先享有調(diào)節(jié)權(quán)，但考慮光伏出力的不確定性，只能部分優(yōu)先，也就是優(yōu)先將總調(diào)節(jié)功率的一部分（可指定比例因子α，不大于1.0）分配給光伏控制組，剩余部分則分配給常規(guī)電源組；

當(dāng)PARR>0，|ACE|>PE時(shí)，

式中，α為光伏承擔(dān)比例因子；Pmax，i為光伏電站或機(jī)組可調(diào)出力上限；Pgen，i為光伏電站或機(jī)組實(shí)際出力。

若PARR－PPV，Group>0，

2）需要減少出力時(shí)，常規(guī)能源組優(yōu)先減少出力，常規(guī)能源調(diào)節(jié)容量不足部分，再由光伏控制組進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)PARR<0，|ACE|>PE時(shí)，

式中，Pmin，i為光伏電站或機(jī)組可調(diào)出力下限。若PARR－PTS，Group<0，）

3 應(yīng)用效果分析

西藏中部電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)主要由常規(guī)水電、抽水蓄能電站、燃油火電機(jī)組、地?zé)犭娬尽⒐夥娬竞推渌娫礃?gòu)成，其中常規(guī)水電機(jī)組裝機(jī)容量269.14 MW，占全網(wǎng)總裝機(jī)容量的38.92%；抽水蓄能機(jī)組裝機(jī)容量90 MW，占13.01%；光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量105 MW，占15.18%。研究成果已應(yīng)用于西藏電網(wǎng)，運(yùn)行狀況良好，圖6、圖7為西藏地區(qū)電網(wǎng)某天負(fù)荷、光伏出力曲線和頻率曲線，圖中看出電網(wǎng)負(fù)荷較為平穩(wěn)，考慮西藏電網(wǎng)與外網(wǎng)直流互聯(lián)，頻率波動(dòng)僅與本區(qū)有功平衡有關(guān)，頻率波動(dòng)較大時(shí)段集中在光伏出力大發(fā)時(shí)段。圖8取相鄰兩天12:00～14:00頻率曲線，對(duì)比多源協(xié)調(diào)控制策略投入前后系統(tǒng)頻率情況，可看出多源協(xié)調(diào)控制策略投入后光伏可控并參與ACE調(diào)節(jié)，可優(yōu)化系統(tǒng)調(diào)頻性能。

圖6 西藏電網(wǎng)全網(wǎng)負(fù)荷和光伏出力日曲線Fig. 6 Load and PV output of the Tibet grid in 24 hours

圖9為某光伏電站投入有功控制模式后有功控制指令與其實(shí)際出力跟蹤效果，該光伏電站于11時(shí)投入AUTOE模式，能有效跟蹤主站下發(fā)的有功調(diào)節(jié)指令，在12:00～13:00限出力時(shí)段受日照增強(qiáng)因素影響，降出力調(diào)節(jié)速率較小，指令跟蹤實(shí)測(cè)平均調(diào)節(jié)速率為0.6 MW/min，約2%裝機(jī)容量/min，調(diào)節(jié)精度90%左右。

圖7 西藏電網(wǎng)頻率日曲線Fig. 7 Frequency of the Tibet grid in 24 hours

圖8 多源協(xié)調(diào)控制策略投入前后系統(tǒng)頻率對(duì)比Fig. 8 Comparison of frequency regulating effect before and after the multi-source coordinated control is put into operation

圖9 光伏電站有功控制指令跟蹤效果Fig. 9 PV station active power tracking performance

4 結(jié)語(yǔ)

光伏等間歇性電源消納是一項(xiàng)復(fù)雜課題。本文從考慮光伏接入有功控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)及光伏的調(diào)度計(jì)劃編制和多源協(xié)調(diào)控制策略的角度，為西藏電網(wǎng)光伏資源的合理有效消納提供了較為可行的解決方案。

工程實(shí)踐中光伏功率控制手段較為單一，隨著光伏功率控制技術(shù)的深入發(fā)展，光伏有功和無(wú)功調(diào)節(jié)性能仍有待挖掘，部分地區(qū)間歇性電源滲透率的增加，有待進(jìn)一步開(kāi)展光伏發(fā)電和常規(guī)電源的在線優(yōu)化調(diào)度控制、計(jì)及運(yùn)行控制風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的量化分析等相關(guān)技術(shù)的研究。

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