含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电运行控制方法

韩春绿，张彬，林江，宋程国

（中国电建集团山东电力建设第一工程有限公司，山东 济南 250100）

0 引言

当前，随着社会对电能需求量逐年增大，能源、环境危机加剧，传统石油、煤炭、天然气等能源逐渐枯竭，在此背景和环境下，我国急需进行能源结构转型和新能源的研究及应用。海上风电、光伏、储能均为新能源，与传统的能源相比，具有较强的优势及不可替代的特征，例如可以减少资源量的消耗速度、可再生、能够有效控制气体的排放、降低对环境的影响、控制温室效应速度等，这些优点在一定程度上解决了大部分能源发电存在的问题。在强化发电量的同时，提高整体的控制程序，对新能源的发展具有重要的意义。要达到预期的发电量，还需要将海上风电、光伏、储能等进行多能源的联合发电。然而，当前多能源发电的运行控制方式一般为单向，许懿等［1］和苏鹏等［2］分别提出传统AGC（Automatic Generation Control）多能源联合自动发电控制方法、传统惯性动态多能源联合发电优化控制方法，这2种控制形式虽然可以实现预期的控制任务及目标，但是缺乏针对性和稳定性，在不同的发电环境下，难以实现协调控制及把握运行的安全性和稳定性，造成不可预测的控制问题与缺陷［3］。不仅如此，单向的运行控制方式整体效率较低，这也是导致最终控制结果出现误差的重要原因之一［4］。为此，本文提出含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电运行控制方法的设计，并进行验证分析，以实际的发电工程为背景，从多个角度设计对应的发电控制结构，进一步扩大运行控制范围［5］。

1 风电—光伏—储能多能源发电控制方法设计

1.1 提取多能源联合发电调峰特性

海上风电、光伏、储能均属于新兴的优质能源，在当前的社会背景及环境下，新能源逐渐取代传统能源，成为发电行业的主要支撑能源［6］。因此，需要针对多能源联合发电控制的需求，提取联合发电调峰的特性［7］。当前，主流发电站多数由聚光集热系统总体控制，具有较强的稳定性与针对性，因此对应的能源联合发电效果通常较为稳定、可靠，可以凸显发电调峰的特征［8］。首先，对基础性的发电环境及范围进行设置，在当前的区域内，设置一定数量的监测节点，以便采集实时数据和信息。其次，通过聚光集热系统进行电能转换，测算电站的储电容量，计算公式如下：

其中：Q表示储电容量，μ表示发电覆盖区域，π表示负荷值，o表示时移调节次数，ζ表示额定功率。结合当前的测定，计算基础触电容量，并以此为基础，针对多能源联合发电的需求，进行基础性的负荷配置处理；此时，依据储电容量的变化，分析判定对应的运行控制调峰特性，形成初始的电力控制目标，实现对基础测试条件的制定。需要注意的是，当前设定的控制标准及发电调峰特征并不是固定的，而是根据实际的需求做出相应的调整，以强化控制的灵活性与稳定性。

1.2 设计多时段发电运行控制结构

传统的发电运行控制结构一般设置为独立形式，虽然可以实现预期的控制任务及目标，但是缺乏具体性与稳定性，在不同的发电环境下，难以把控各个电力处理的环节，无法达到预期的控制标准。因此，需结合实际的多能源联合发电的控制需求，设计多时段的发电运行控制结构。结合含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电控制需求及标准的变化，进行基础控制指标与标准值的设置（见表1）。

表1 多时段发电运行控制指标及标准值设置表

根据表1 完成对多时段发电运行控制指标及标准值的设置。结合当前多能源联合发电的需求，将发电的运行时段划分为下调峰时段和其他时段，利用提取的发电调峰特征作为引导，制定对应的运行控制目标，在发电的过程中，结合调峰标准的变动，对控制任务和质量进行修正转换，形成一个具有循环性的控制结构，进一步满足多变的控制要求。

1.3 构建随机约束自适应发电运行控制模型

结合随机约束原理，针对含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电的需求，构建自适应的发电运行控制模型。需要在下调分发电时段内设置一个基础性的边界规则，即一种发电的边界规则。明确具体的边界发电控制范围，将边界系数设置控制在3.25～4.16 为最佳，允许出现的最大边界差值为3.25。在当前的测试时段内，设计确定性的约束范围，现阶段约束条件中的随机变量为11.03～13.05。在不同的时刻分析发电情况并进行布设，结合上述边界条件的设置，计算当前的单元控制期望值，计算公式如下：

其中：Z表示模型单元控制期望值，ϑ2表示电力约束转化均值，S表示定向识别区域，R表示期望识别次数，σ1和σ2分别表示预期受阻电量和实时收租电量。结合当前的测定，计算模型的单元控制期望值，将其作为多能源联合发电运行控制的精准值，采用自适应的方式对发电控制环节进行合理性的调配处理，进而建立目标式的随机约束自适应发电运行控制模型，随机约束自适应发电运行控制模型结构图如图1所示。

图1 随机约束自适应发电运行控制模型结构图

根据图1 完成对随机约束自适应发电运行控制模型结构的设计与实践分析，并以此为基础，结合当前的多能源发电情况，修正初始的控制目标，通过设计模型计算随机约束控制限值，计算公式如下：

其中：p表示随机约束控制限值，ℜ 表示联合调峰优化值，δ表示预测功率，x表示受阻电量，y2表示计划电量，ς表示时段优化比。结合当前的测试，完成对随机约束控制限值的计算与实践分析。依据计算标准，在模型中设置随机约束边界条件和对应的发电运行控制标准，形成一个完整、具体的控制结构，从多个角度强化模型的实际应用效果，提升其对多能源联合发电运行控制的能力。

1.4 完成联合调峰交叉优化处理

联合调峰交叉优化处理一般是指针对模型得出的多能源联合运行控制结果进行交叉修正及处理的一种辅助发电控制方法。可以针对不同的时刻设定控制流程，联合调峰交叉优化处理流程图如图2所示。

图2 联合调峰交叉优化处理流程图

完成对联合调峰交叉优化流程的设计与验证分析后，通过模型的辅助，在下调峰段采用控制目标引导的方式，比对控制的结果与初始设置的预期结果，消除控制缺陷及误差后，即可实现对多能源联合发电运行的控制处理。

2 控制方法测试

本测试主要是对含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电运行控制方法的实际应用效果进行分析与验证研究，考虑到最终测试结果的真实性与可靠性，采用对比的方式展开分析，选定G 区域的新能源发电站作为主要的测试目标。本设计为多能源联合发电运行控制测试组，对比组为参考文献［1］和参考文献［2］设定的传统AGC 多能源联合自动发电控制测试组、传统惯性动态多能源联合发电优化控制测试组。比照研究最终得出的结果，搭建海上风电—光伏—储能的发电情况的基础测试环境。

2.1 测试准备

结合海上风电—光伏—储能的测试需求，进行初始测试环境的搭建处理。采用IEEE39 节点标准数据进行比对解析，随机选定3家对应的风电、光伏、储能发电厂，不同的发电形式对应的发电效果存在较大的差异。设置基础的风电装机容量为220 MW，可控的电力渗透率可以达到19.5 %。不同季节对应的发电量与运行情况不同，通常，冬季48 h内的电力初始值与电网运行负荷初始值保持一致。基于当前的测试要求，设置新能源联合发电系统基础控制指标与参数（见表2）。

表2 新能源联合发电系统基础控制指标与参数设置表

完成对新能源联合发电系统控制指标与参数的设置与实践分析后，结合当前各个发电站的具体运行情况，提取多能源联合发电的特性，依据实时弃风曲线和风电功率曲线的波动感，计算多能源联合发电的单元功率，计算公式如下：

其中：D表示单元功率，m表示可识别范围，n表示堆叠识别范围，ℑ表示风电功率均值，x表示热负荷聚合功率。分析测试结果，将计算出的单元功率划分为基础的多能源联合控制标准限值，基于实际的发电控制要求，调整控制的指标与标准，形成一个循环性的控制程序。至此，基本完成对测试环境的搭建，接下来进行具体的实践验证。

2.2 测试过程结果分析

在上述搭建的测试环境中，综合含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电的需求，进行具体的测试与验证研究。首先，进行基础测试区域的划分，在各个测试的位置部署一定数量的监测节点，节点之间互相连接，形成一个循环性的监测识别结构。其次，设置6 个发电测试周期，每一个周期通过节点采集实时多能源发电数据及信息，汇总整合后待后续使用。最后，随机选定6 个时刻进行测试，分别是00：30、8：30、12：30、17：30、20：30、22：30，不同的时刻含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电的发电量不同，当前的等效负荷值可以通过公式（5）计算。

其中：P表示联合发电等效负荷值，λ表示发电覆盖范围，θ表示受阻电量，β表示发电调峰值，ν表示受阻峰值下限。结合当前的测试，计算出联合发电等效负荷值；分析当前多时刻发电等效负荷值的变动情况（如图3所示）。

图3 多时刻发电等效负荷值变动情况分析图示

完成对多时刻等效负荷值波动情况的分析后，结合当前实际的发电状态，根据含海上风电—光伏—储能多能源联合发电要求及标准的变动，测定发电运行控制。在当前下调峰的出发点环境下，设计多层级的控制策略，保持定向的运行平衡；与此同时，结合实际的控制结果，计算受阻电量均值比，计算公式如下：

其中：F表示受阻电量均值比，τ表示发电控制均值，υ表示转换控制距离，u表示控制频次，b表示重复控制范围。结合当前的测试，完成测试结果的对比分析（如图4所示）。

图4 测试结果对比分析图

根据上述设定的6 个测试周期，与传统AGC 多能源联合自动发电控制测试组、传统惯性动态多能源联合发电优化控制测试组进行对比发现，本设计的多能源联合发电运行控制测试组最终得出的受阻电量均值比能较好地控制在0.25 以下，说明在当前多能源联合发电的背景下，本设计的方法运行控制效果更佳，误差可控，具有较大的实际应用价值。

3 结语

本文基于最新的控制发电基础，对含海上风电—光伏—储能的多能源联合发电运行控制方法进行设计及验证分析，提取海上风电—光伏—储能日常发电的共同特征，结合实际控制需求及标准的变化，制定对应的控制总目标，使设计的发电结构更灵活、多变，从多个角度强化多能源联合发电的效果，为后续新能源发电行业的进步及技术创新提供参考依据和理论借鉴。本文针对风电—光伏—储能发电的特点，进行电力供应的平衡性处理，过程中对各个环节进行多维优化处理，进一步满足实际的发电控制需求，推动相关行业与技术迈入一个新的发展台阶。