大规模光伏电站并网及可再生能源广泛应用策略解析

### 大规模光伏电站并网及可再生能源广泛应用策略解析 #### 1. 光伏电站功率波动控制策略 在光伏电站的运行中，功率波动是一个需要重点解决的问题。为了应对这一问题，需要确定抵消最坏情况下光伏电站功率波动所需的能量和功率要求，然后采用合适的策略进行控制。 ##### 1.1 最大功率及相关参数计算 最大功率 \(P_{BAT,max}\) 的计算公式为： \[P_{BAT;max}(t) = P_n \frac{1}{100} (90 - t \cdot r_{max}) \left(1 + \ln \frac{90}{t \cdot r_{max}}\right)\] 其中 \(P_n\) 以 \(kW\) 为单位，\(r_{max}\) 以 \(\%/s\) 为单位，\(t\) 以 \(s\) 为单位，\(E_{BAT,max}\) 以 \(kWh\) 为单位。 ##### 1.2 传统斜坡率控制策略 传统斜坡率控制策略是一种初始的控制方法，其目的是平滑功率波动，考虑到注入电网的功率的最大允许斜坡率 \(r_{max} [\%/min]\)。具体操作流程如下： 1. 光伏电站产生的功率 \(P_{PV}(t)\) 通过一个斜坡率限制器。只有当 \(P_{PV}(t)\) 的动态变化超过斜坡率限制时，斜坡率限制器才会启动，其判断条件为： \[\frac{\Delta P_{PV,1min}(t)}{P_n} \times 100 > r_{max}\] 其中 \(r_{max}\) 以 \(\%/min\) 为单位。 2. 斜坡率限制器的输出是需要输送到电网的功率 \(P_G(t)\)，该功率与 \(P_{PV}(t)\) 类似，但斜坡率受到限制。 3. 电池通过的功率 \(P_{BAT}(t)\) 是 \(P_G(t)\) 和 \(P_{PV}(t)\) 的差值，电池通过的能量 \(E_{BAT}(t)\) 通过对 \(P_{BAT}(t)\) 进行积分得到。 4. 为了吸收正负波动，需要建立电池存储能量的参考值 \(E_{BAT,ref}\)。由于第一个波动的符号未知，需要一个容量为式 (5.19) 中两倍的电池来吸收上下波动，即 \(C_{BAT} = 2 E_{BAT,max}\)。 5. 实施充电状态 (SOC) 控制以确保 \(SOC = 50\%\)：不断将 \(E_{BAT}(t)\) 与 \(E_{BAT,ref} = C_{BAT}/2\) 进行比较，误差乘以常数 \(k\) 得到 SOC 控制所需的功率，该功率从 \(P_G(t)\) 中加或减。为了确保始终满足 \(r_{max}\) 条件，控制动作必须在斜坡率限制器之前实施。 为了评估该策略，取 \(k = 6\)，这个值可以在速度和系统稳定性之间取得良好的平衡。以 2012 年 11 月 21 日为例，在 \(P_n = 38.5 MW\) 的 Moura 光伏电站测量到极端波动，\(r_{max} = 2\%/min\)。在这种情况下，所需的最小理论有效电池容量 \(C_{BAT} = 24,558 kWh\)，当天实际使用的有效容量 \(C_{BAT,used} = E_{BAT,max} - E_{BAT,min} = 14,041 kWh\)，对应的 \(SOC_{max} = 85.07\%\) 和 \(SOC_{min} = 27.90\%\)。全年来看，实际值接近理论值（<5%）。 传统斜坡率控制策略的流程可以用以下 mermaid 流程图表示： ```mermaid graph LR A[P_PV(t)] --> B[/斜坡率限制器/] B --> C[P_G(t)] A --> D[计算P_BAT(t)] D --> E[积分得到E_BAT(t)] E --> F[/与E_BAT,ref比较/] F --> G[计算误差] G --> H[乘以k] H --> I[加/减到P_G(t)] ``` ##### 1.3 基于光伏电站模型的功率斜坡率控制策略 斜坡率控制的优点是只有当波动超过最大允许斜坡率值时才会起作用，从而降低储能系统 (ESS) 的循环退化。然而，传统控制的主要缺点是由于第一个波动的符号未知，需要双倍容量的电池来吸收上下波动，将 SOC 参考值设置为 50%，这增加了光伏电站的成本。 基于光伏电站模型的功率斜坡率控制策略通过根据光伏电站的瞬时功率及其生产极限来控制电池的 SOC，避免了双倍存储系统容量的需求。具体步骤如下： 1. 估算光伏电站的瞬时功率 \(P_{PV}(t)\)，可以根据给定的辐照度值 \(G(t)\) 和电池温度 \(T_c(t)\)，从光伏电站的参数模型中轻松估算。 2. 估算光伏电站的生产极限，包括在晴朗天空条件下电站可以输送的最大功率 \(P_{PV,max}(t)\) 和在完全阴天只有漫射辐射到达面板时电站将输送的功率 \(P_{PV,min}(t)\)。 - 为了计算 \(P_{PV,max}(t)\)，首先计算晴朗天空辐照度，然后应用参数模型从辐照度转换为功率输出。这里采用欧洲太阳能辐射图集的晴朗天空模型，该模型只需要 Linke 浊度作为输入参数。 3. 根据天气条件调整存储系统的参考 SOC： - 在晴朗的日子里，将存储系统的 SOC 设置接近 100%，光伏电站满功率运行，因为唯一可能发生的事件是负波动，可由存储系统提供的能量平滑。 - 在完全阴天，光伏电站仅在漫射辐照度下运行，存储系统的 SOC 应较低，以吸收唯一可能的正波动。 - 任何其他中间生产状态意味着设置一个参考 SOC，该 SOC 是瞬时天气条件的函数。 评估该策