交直流混合配电台区光伏消纳优化控制

陈 斌，马仲坤，刘文龙，吕志鹏，黄奇峰，戚星宇

（1.国网江苏省电力有限公司常州供电分公司，江苏常州 213003；2.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海 201210；3.南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016）

光伏发电系统并网装置能够将光伏电池的电能传输到电力网络中进行消纳。然而，目前的光伏并网装置多采用交流并网方式将光伏发电量转移至交流电网，忽视了直流电网，因而其适用面较窄，难以适应多种类的用电需要。光伏发电系统大规模接入交直流混合配电台区对输出电压控制和继电保护都会产生一定影响。因此，如何有效地控制配电台区光伏消纳能力，提高光伏并网效率，是当前的重点研究内容。

近几年有学者对配电台区光伏消纳控制方法做出了研究。文献[1]在光伏并网大规模应用情况下，使用光伏发电消纳序列重构技术，构建配电台区约束精细化模型；文献[2]提出了一种基于负荷曲线等效斜率提升的控制方法，该方法通过控制负荷曲线等效斜率，分析用户不同用电需求程度。根据等效斜率计算公式，将时间尺度转移到光伏发电系统最佳工作模式，由此管控光伏消纳。

上述两种方法容易受到外部环境影响，例如外物遮挡导致光伏消纳效果不佳，为此提出交直流混合配电台区光伏消纳优化控制方法。

1 配电台区互联结构

在交直流混合配电台区互联结构中，与光伏电源能源供给相关的是电动汽车。当电动汽车电池存储量消耗到一定程度时，就必须对充电装置进行能量补给。由此得到的光伏电源接入充电站的配电台区互联结构如图1 所示。

图1 光伏电源接入充电站的配电台区互联结构

在图1 所示的结构中，融合终端与交流、直流微网的控制可以按照其工作方式和功能需求划分为操作功能控制和流程级协同控制。在互联平台区域内配备一种新型的智能融合终端，能够全面监测平台区域的操作信息，监测并网的逆变器、智能断路器（或光电边缘开关）[3-4]。以配电台区融合终端装置为枢纽，结合多主体信息交互方式，可实现配电台区与电力系统直接进行信息交互，定期地调用和检测主站点获取的数据[5]。交直流混合配电台区的智能融合终端间可直接进行数据汇总，也为光伏消纳优化控制提供数据支持。

2 光伏消纳优化控制

2.1 多台区光伏消纳分区管理

在正常工作的情况下，MPPT 运行模式可以达到最大发电功率。光伏发电系统的输出与目前的光照强度有很大关系，而不同的光照强度则对应不同发电功率[6]。因此，如果使用光照强度作为指标调整控制参量，那么必须先确定不同光照强度下光伏消纳的效果。依据光照强度，划分多台区光伏消纳区间，其中，第一区间光照强度在800 W/m2以上，第二区间光照强度大于400 W/m2小于800 W/m2，第三区间光照强度在400 W/m2以下[7-9]。

由于不同光照强度下调节工作效率存在差异，使得光伏发电系统的功率输出通常会因光照强度的不同而有所变化[10]。为了方便后续控制，充分考虑不同光照强度区间下的光伏消纳，综合全部消纳结果可得到如下计算公式：

式中，W1、W2、W3分别表示在光强大于800 W/m2、大于400 W/m2小于800 W/m2、小于400 W/m2的光伏阵列消纳[11]，V1、V2、V3分别表示与W1、W2、W3相对应的权重。根据不同环境下的光伏消纳分区管理模式，能够跟踪光伏阵列全局的最佳输出电压。依据该原理，优化控制光伏消纳。

2.2 基于多能耦合交互的控制模型构建

考虑能源转换设备的运行条件，将外部能源供应作为主体，根据自身调节特点，构建火电-光伏-用电设备出力模型，以期最大程度消纳光伏[12]。基于此，构建火电-光伏-用电设备出力模型如下：

式中，ω1表示火电机组运行权重；ω2表示光伏未消纳权重；ω3表示负荷需求响应补偿权重；E1、E2、E3分别表示火电机组发电煤耗量、光伏发电未消纳量、系统负荷响应成本[13]。以跟踪不同环境下光伏阵列全局的最佳输出电压为目标，通过赋予这三个指标合理权重系数[14]，构建三个指标的子函数为：

式中，T表示控制周期；n1、n2分别表示火电机组数量和光伏电站数量；ci、zi分别表示机组燃烧成本系数和机组启停成本[15]；Wi,t、ui,t分别表示机组发电量和机组在t时刻启停状态；Xt、X′表示光伏发电未消纳量预测值和实际值；λ表示需求与电价线性系数；Δqt表示系统需求响应负荷值。调控火电-光伏-用电设备出力的各项指标，实现多能耦合交互控制。改变电力用户用电阶段，从而实现削峰填谷。

2.3 能量交互控制

在配电台区灵活性资源接入前提下，采用逆变器电压无功控制技术，解决光伏消纳问题。在削峰填谷的控制方案下，应保证交直流混合配电台区的光伏发电系统总容量在30%以下，总容量计算公式为：

式中，N表示光伏组件数；g表示单块光伏组件最大容量[16]。为了避免光伏发电系统在最小负荷条件下出现消纳不均的情况，需保证光伏发电系统接入交直流混合配电台区的容量不宜小于式（4）。在实际光伏消纳过程中，无功调节受到功率因素约束，逆变器无功控制由功率因素决定，由此得到的电压幅值变化量为：

式中，F有、F无分别表示有功、无功电压幅值；ΔP有、ΔP无分别表示有功、无功变化量序列。根据光伏发电单元无功功率计算公式，可得到逆变器最大无功功率，如下：

式中，Pcut表示逆变器切入、切出功率，θmax表示逆变器最大功率因数角。充分考虑光伏接入交直流混合配电台区后，通常导致并网处节点的电压升高，通过式（6）控制逆变器输出功率，使光伏消纳优化控制效果更明显。

3 实验

为了验证交直流混合配电台区光伏消纳优化控制合理性，在Simulink 仿真平台下进行充电桩的光伏消纳模拟实验测试。

3.1 实验环境设置

选用10×150 的光伏阵列来验证所研究方法的自适应性，设置了光照强度突变环境，即外物遮挡。光伏阵列结构如图2 所示。

图2 并网光伏发电系统结构

假定图2 中右上角的光伏阵列受到遮挡，光照强度由1 500 W/m2降到300 W/m2。在有无遮挡前提条件下，设置随机模拟场景。

模拟场景1：同时包含单点接入及多点接入，各节点的电压均处于安全电压上限之内。模拟场景2：单点接入，各节点的电压均处于安全电压上限之内，多点接入各节点的电压超越安全电压上限。模拟场景3：多点接入，各节点的电压均处于安全电压上限之内，单点接入各节点的电压超越安全电压上限。

3.2 实验数据分析

在设置的三种模拟场景下，无遮挡光伏阵列和遮挡光伏阵列下的输出电压如图3 所示。

图3 配电台区输出电压波形图

由图3 可知，在无遮挡情况下，三个场景的输出电压均超过200 V，能够较好地实现光伏消纳；在有遮挡情况下，三个场景的输出电压均未超过200 V，此时逆变器负责调节输出电压，使得电压波动幅度较小，有效保证了在输出电压稳定情况下光伏消纳达到最大。

3.3 实验结果与分析

分别使用基于时序运行模拟的消纳方法、基于负荷曲线等效斜率提升的控制方法和该文研究方法，对比分析输出电压，对比结果如图4 所示。

图4 三种方法输出电压对比分析

由图4（a）可知，在有遮挡情况下，三个场景的输出电压均未超过200 V。在无遮挡情况下，场景1 下的输出电压未超过200 V，场景2、3 输出电压均超过200 V；由图4（b）可知，在有遮挡情况下，三个场景的输出电压均低于100 V。在无遮挡情况下，只有场景3 下的部分输出电压超过200 V；由图4（c）可知，在有遮挡情况下，三个场景的输出电压均未超过200 V。在无遮挡情况下，场景1 下有小部分输出电压未超过200 V，其余均超过200 V。

通过上述分析结果可知，使用该文研究方法得到的配电台区输出电压与实际输出电压波形一致，且数值相差较小，说明该方法在理想输出电压的前提下，具有良好的光伏消纳效果。

4 结束语

该文提出了交直流混合配电台区光伏消纳优化控制方法，利用交直流混合配电台区互联结构，结合MPPT 运行模式，按照实际光照强度分区管理光伏消纳。同时，通过光伏并网逆变器控制方法，扩大非对称参数死区宽度，提升光伏消纳优化控制效果，保证光伏发电系统在不同模拟场景下，对交直流混合配电台区起到电力支撑作用。通过实验验证了该方法研究的可靠性，有效提高了光伏消纳效率，提升了光伏发电系统运行稳定性。