CN102332730A - 可再生能源发电出力控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出可再生能源发电出力控制方法和系统。采集各发电设备的发电功率，汇总所有发电设备功率，计算功率变化率；判断功率变化率是否大于最大允许变化率，如果是，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，否则，执行功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程。本发明使不具有抑制功率波动的可再生能源发电综合出力平滑。

Description

可再生能源发电出力控制方法和系统

技术领域

本发明涉及可再生能源，主要包括光伏发电、风力发电等，尤其涉及可再生能源发电出力控制方法和系统。

背景技术

在能源危机和环境保护的双重压力下，利用以风、光为代表的可再生能源发电受到越来越多的关注。由于风速具有不可预期和随机波动等特性，使得风电机组输出有功功率随风速变化而波动，同样太阳能光伏输出功率随光照变化而波动。

对于大型风电场和光伏发电站的选址主要受风力资源和光照资源分布的限制，风、光资源较好的地区往往人口稀少，负荷量小，电网结构相对薄弱，发电机组输出有功功率的波动可能会对电网电能质量产生较大的影响，甚至造成电网的稳定性问题。大型风力发电机常常利用电力电子技术通过控制桨矩角，或发电机组配置电容器、飞轮等储能元件来抑制风电机组输出功率的波动。大型光伏发电站常常不具备自我抑制功率波动的能力。

除了大型风电场和光伏发电站采用集中利用风力、光照发电以外，还有很大一部分分散的、容量较小的风力发电、光伏发电等可再生能源以分布式电源的形式在终端负荷附近接入大电网，就近完成发电和用电。分布式电源或直接并网接入大电网，或配合负荷、储能等以微电网的形式接入大电网。这种可再生能源发电设备由于容量较小等因素常常不具备自我抑制功率波动的能力。

随着大型风电场和光伏发电基地的建立，以及以小型风力发电机、小型光伏发电设备为代表的分布式电源的推广建设，可再生能源发电受天气影响出现出力的间歇性和波动性对大系统照成的影响等问题也凸显出来。

发明内容

鉴于以上，本发明提出可再生能源发电出力控制方法和系统。

本发明提出发电出力控制方法，包括以下步骤：

采集各发电设备的发电功率，汇总所有发电设备功率，计算功率变化率；

判断功率变化率是否大于最大允许变化率，如果是，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，否则，执行功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程。

本发明提出发电出力控制系统，包括：发电设备、补偿发电设备以及平滑输出控制服务器，其中：

平滑输出控制服务器采集各发电设备的发电功率，汇总所有发电设备功率，计算功率变化率；当功率变化率大于最大允许变化率时，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，给补偿发电设备下发命令，否则，执行功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程，给补偿发电设备下发命令。

本发明利用多种能源发电互补技术，使不具有抑制功率波动的可再生能源发电综合出力平滑，实现风、光等可再生能源发电设备友好接入大电网的目标。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是本发明中控制方法主体流程图；

图3是本发明中功率变化率大于最大变化率处理流程图；

图4是本发明中功率变化率小于等于最大变化率处理流程图。

具体实施方式

在建设风力发电、光伏发电初期，需要根据发电容量、发电功率估计、发电功率波动估计，并根据发电建设性质(大型发电基地、分布式电源发电)、是否存在可利用的其他稳定发电资源、大电网接入时允许的输出波动率等因素，合理规划其他类型的发电设备或储能作为补偿发电设备，为平滑输出控制提供功率支撑。

本发明利用多种能源发电互补技术，通过补偿发电设备抑制可再生能源发电设备功率的骤变，使综合发电功率平滑。

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明主要涉及：(一)补偿发电设备类型与容量的确定；(二)补偿发电出力平滑控制算法。

(一)补偿发电设备类型与容量的确定

对于大型风电场和光伏发电站，发电容量大并常常地处负荷量小的地区，发电机组功率需要远距离传输。在建设大型风电场和光伏发电站时，可以根据本地资源选择配套建设相当容量(其容量根据最大发电功率波动估计配置，如公式(1)所示)的水力发电、火力发电等出力稳定可控的发电设备作为补偿发电设备，如果资源受限也可配置大型储能站作为补偿发电设备。

对分布式电源，其发电容量较小且发电就地消耗，因此可配置小容量的储能用于抑制发电波动，如果在冷热电联供系统中也可以通过调节微燃气轮机实现总体输出平滑。

补偿发电设备容量计算公式如下所示：

$P_a=K*\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(R_i\×P_{i\_\max })---\left(1\right)$

式中P_a为补偿发电设备的容量规划值，P_{i_max}为第i个不具有自功率波动抑制的可再生能源发电设备的最大发电功率估计值，R_i为该发电设备的最大功率波动值，是百分比，K为裕度值，通常可设置K＞1。

(二)补偿发电出力平滑控制算法

图2是本发明中控制方法主体流程图，通过该方法，在功率变化率大于最大允许变化率时，调节补偿发电设备出力进行功率补偿，控制功率变化率小于等于最大允许变化率；进一步，在功率变化率小于等于最大允许变化率时，将补偿功率缓慢降到设定功率值，该设定功率值接近于0，补偿功率降低的幅度满足功率变化率小于等于最大允许变化率。该方法包括以下步骤：

在步骤201，初次设置启动控制为不启动；

在步骤202，初次设置功率变化率超标次数为0；

在步骤203，汇总所有发电设备功率；

在步骤204，判断功率是否发生改变，如果是，执行步骤205，否则返回到步骤203；

在步骤205，计算功率变化率。在功率变化率不为0时继续执行步骤206，在功率变化率为0时返回到步骤203；

功率变化率公式如下所示：

$R_g=(\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t}-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t-1})/\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t}---\left(2\right)$

其中，R_g为功率变化率，P_{i_t}为第i个发电设备的本次功率，

为所有发电设备本次功率之和，P_{i_t-1}为该发电设备上次功率，

为所有发电设备上次功率之和。当功率变化率小于零时，整个系统发电出力降低；当功率变化率大于零时，整个系统发电出力增加。

在步骤206，判断功率变化率是否大于最大允许变化率，如果是，执行步骤207，否则，执行步骤208；

在步骤207，判断上次是否启动控制，如果是，执行步骤211，否则，执行步骤209；

在步骤208，执行功率变化率小于等于最大允许变化率的控制过程，如图4所示，将补偿功率缓慢降到设定功率值，该设定功率值接近于0，补偿功率降低的幅度满足功率变化率小于等于最大允许变化率。处理之后，跳转到步骤203；

在步骤209，将功率变化率超标次数加1，执行步骤210；

在步骤210，判断功率变化率超标次数是否大于设定超标值，如果是，执行步骤211，否则，跳转到步骤203；

在步骤211，执行功率变化率大于最大允许变化率的控制过程，此时需要调节补偿发电设备出力进行功率补偿，控制功率变化率小于等于最大允许变化率，如图3所示。处理之后，跳转到步骤203。

本发明解决风、光等可再生发电设备功率波动问题，实现风、光等可再生发电设备友好接入大电网的目标。

如图3所示，为本发明功率变化率大于最大允许变化率的控制过程，包括以下步骤：

在步骤301，计算本次补偿功率，设置已补偿功率为0；

功率变化率绝对值大于最大允许变化率，此时发电功率增加或降低过快，计算需要增加或减小的补偿功率大小。

功率变化率大于零，此时发电功率增加过快，需要通过减小补偿功率，或通过增大储能充电功率来抑制功率波动，本次补偿功率计算如下所示：

$P_{a\_t}=(R_{\max }-R_g)\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t}+P_{a\_t-1}---\left(3\right)$

式中P_{a_t}为本次补偿功率，R_max为最大允许变化率，R_g为功率变化率，

为所有发电设备功率之和，P_{a_t-1}为上次补偿功率。

功率变化率小于零，此时发电功率降低过快，需要通过增加补偿功率抑制功率波动，本次补偿功率计算如下所示：

$P_{a\_t}=\left(\right|R_g|-R_{\max })\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t}+P_{a\_t-1}---\left(4\right)$

在步骤302，生成补偿发电设备列表，具体如何生成列表将在下面进行说明；

在步骤303，判断本次补偿功率是否等于已补偿功率，如果是，返回，否则执行步骤304；

在步骤304，判断补偿发电设备列表中是否有设备可参与控制，如果有，执行步骤305，否则返回；

在步骤305，选取列表中补偿发电设备；

在步骤306，判断补偿发电设备是否为储能，如果是，执行步骤307，否则执行步骤308；

在步骤307，判断该储能SOC是否允许充电或放电，如果不允许，跳转到步骤303，否则执行步骤309；

在步骤308，计算补偿发电设备最大功率，执行步骤310；

在步骤309，计算本储能最大功率，执行步骤310；

在步骤310，判断本补偿发电设备最大功率与已补偿功率之和是否小于本次补偿功率，本补偿发电设备指步骤308中补偿发电设备或步骤309中本储能，如果是，执行步骤311，否则执行步骤313；

在步骤311，已补偿功率＝已补偿功率+本补偿发电设备最大功率，本补偿发电设备功率＝本补偿发电设备最大功率，继续执行步骤312；

已补偿功率＝已补偿功率+本补偿发电设备最大功率，本补偿发电设备功率＝本补偿发电设备最大功率，都是赋值语句，即将等号前面的值更新为等号后面的值。

在步骤312，给本补偿发电设备下发命令，返回到步骤303；

在步骤313，本补偿发电设备功率＝本次补偿功率-已补偿功率，已补偿功率＝本次补偿功率，继续执行步骤314。类似的，上述两个等式也是赋值语句。

在步骤314，给本补偿发电设备下发命令，返回。

如图4所示，为本发明功率变化率小于等于最大允许变化率的控制过程，包括以下步骤：

在步骤401，判断上次是否启动控制，如果是，执行步骤402，否则返回；

在步骤402，判断上次补偿功率是否为0，如果是，返回，否则执行步骤403；

如果功率变化率小于最大允许变化率，并且补偿功率不为零则需要将补偿功率缓慢降到设定功率值，该设定功率值接近于0，补偿功率降低的幅度满足功率变化率小于等于最大允许变化率。

在步骤403，计算本次补偿功率，设置已补偿功率为0；

如果步骤402中上次补偿功率大于0，说明补偿发电设备正处于弥补发电中，此时控制目标是使补偿功率值减小，本次补偿功率公式如下：

$P_{a\_t}=(R_g-R_{\max })\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t}+P_{a\_t-1}---\left(5\right)$

如果步骤402中上次补偿功率小于0，说明补偿发电设备正处于抑制发电中，此时控制目标是使补偿功率绝对值减小，本次补偿功率公式如下：

$P_{a\_t}=(R_{\max }-R_g)\×\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_{i\_t}+P_{a\_t-1}---\left(6\right)$

当本次补偿功率与上次补偿功率方向相反(针对补偿发电设备为储能，对储能的功率需要由充电变为放电，或由放电变为充电时补偿功率方向相反)，或本次补偿功率非常小接近零时，可认为调节目标达到。

在步骤404，生成补偿发电设备列表；

在步骤405，判断本次补偿功率是否等于已补偿功率，如果是，返回，否则执行步骤406；

在步骤406，判断补偿发电设备列表中是否有设备参与补偿，如果有，执行步骤407，否则返回；

在步骤407，选取列表中补偿发电设备；

在步骤408，判断本补偿发电设备功率与已补偿功率之和是否小于本次补偿功率，如果是，执行步骤409，否则执行411步骤；

在步骤409，已补偿功率＝已补偿功率+本补偿发电设备功率，本补偿发电设备功率为0，继续执行步骤410；

在步骤410，给本补偿发电设备下发命令，返回到步骤405；

在步骤411，本补偿发电设备功率＝本次补偿功率-已补偿功率，已补偿功率＝本次补偿功率，继续执行步骤412；

在步骤412，给本补偿发电设备下发命令，返回。

图1是本发明系统结构图。该系统包括发电设备、平滑输出控制服务器以及补偿发电设备。其中，发电设备比如光伏逆变器、风力发电机等，补偿发电设备比如其他类型的发电设备或储能PCS等。

下面对平滑输出控制服务器的工作过程进行详细说明。

平滑输出控制服务器实时采集各发电设备的发电功率，汇总所有发电设备功率，计算功率变化率。

判断功率变化率是否大于最大允许变化率，如果是，则查看上次是否已经在进行抑制控制，如果未进行抑制控制，则功率变化率连续多次(次数可以设定，大于等于1次)超过最大允许变化率才进行平滑控制计算，这样做的目的是为了避免偶然的功率突变而引起的不必要的功率平滑调整。流程图如图2所示。如果功率波动结束，则需要逐步恢复补偿发电设备的功率输出，为下次的平滑控制做准备。

功率变化率大于最大允许变化率，流程如图3所示。计算本次补偿功率，将所有还具有可调出力能力(当前出力小于最大出力)的补偿发电设备形成列表。如果补偿发电设备类型不止一种，可将不消耗燃料的补偿发电设备如抽水蓄能发电、储能电池等安排在列表的前面，将消耗燃料的补偿发电设备如燃料电池、微燃气轮机、火力发电机组等安排在列表的后面。

根据最大变化率限制，计算总的补偿功率。对补偿发电设备列表中的设备逐一分配补偿功率，每个补偿发电设备的最大补偿功率等于最大发电功率减去当前发电功率，如果补偿发电设备的最大补偿功率大于当前总的剩余补偿功率，说明本设备有能力承担当前总的剩余补偿功率，无需列表中其他设备参与控制。否则还需要寻找下一个补偿设备对其进行补偿功率的分配，直到分配的补偿功率满足当前总的剩余补偿功率需求。

如果补偿发电设备为储能，除考虑储能的充放电功率外，出于对储能寿命的考虑还得查看储能的剩余容量SOC，当SOC不满足充放电时(即当储能剩余容量SOC过大而实际需要储能充电，或储能剩余容量SOC过小而实际需要储能放电时)该储能不能参与控制。

平滑输出控制服务器计算获得每个补偿发电设备分摊的补偿功率值后，将遥控命令下发给各补偿发电设备，补偿发电设备接收遥控命令后并执行，完成本次平滑控制。

功率变化率小于最大允许变化率，说明功率波动结束或未发生功率波动，如果上次的补偿功率不为零(功率波动结束)则需要将补偿功率缓慢降到0使其恢复到热备用状态，其流程如图4所示。在恢复补偿发电设备出力过程中，补偿发电设备减少的出力不使发电设备总的发电出力变化率超出其允许范围，根据该要求计算本次补偿功率。

将补偿功率不为0的补偿发电设备形成列表，形成列表的顺序与功率变化率大于最大允许变化率情况形成的列表相反，即将消耗燃料的补偿发电设备如燃料电池、微燃气轮机、火力发电机组等安排在列表的前面，将不消耗燃料的补偿发电设备如抽水蓄能发电、储能电池等安排在列表的后面以减小燃料的消耗。

本过程与功率变化率大于最大允许变化率情况非常相似，对补偿发电设备列表中的设备逐一检查本补偿发电设备功率，如果本补偿发电设备功率与已补偿功率之和小于本次补偿功率，即本补偿发电设备当前补偿功率小于当前总的剩余补偿功率，说明可以将本补偿发电设备功率恢复为0，还可以进行下一个循环查看补偿发电设备列表中的下一个设备是否可以减少补偿出力。直到补偿发电设备的当前补偿功率大于当前总的剩余补偿功率，说明仅能恢复本补偿发电设备的部分补偿功率，该设备能恢复的功率为总的剩余补偿功率减去列表中本设备前面设备的补偿功率的总和。

平滑输出控制服务计算获得每个补偿发电设备能恢复的补偿功率值后，将遥控命令下发给各补偿发电设备，补偿发电设备接收遥控命令后并执行，完成本次波动恢复控制。

本发明中，平滑输出控制服务器实时采集发电设备的发电功率，并计算发电功率变化率，如果功率变化率持续大于最大允许变化率，则控制补偿发电设备的发电功率，使最终的综合出力波动小于最大允许变化率，从而使发电出力平滑。

本发明利用多种能源发电互补技术，使不具有抑制功率波动的可再生能源发电综合出力平滑，实现风、光等可再生能源发电设备友好接入大电网的目标。

风力发电、光伏发电如果配置补偿发电设备(补偿发电设备为非风、光发电)，形成至少两种类型能源发电设备，不同类型能源发电有其自己的发电特性，充分掌握每种能源发电的优势与劣势，通过综合配置与控制，实现以这种能源发电的优势弥补那种能源发电的劣势，就形成多种能源发电互补。

本发明还可配合储能的充放电，储能可以看作为一种特殊的补偿发电设备，对它充电时可以把它看成是一种负荷，用于抑制可再生能源发电的快速增长。对它放电时可以把它看成是一种发电设备，用于缓减可再生能源发电的快速降低。合理利用储能的充放电功能就能平滑可再生能源发电出力。

作为对详细描述的结论，应该注意本领域的技术人员将会很清楚可对优选实施例做出许多变化和修改，而实质上不脱离本发明的原理。这种变化和修改包含在所附权利要求书所述的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.发电出力控制方法，包括以下步骤：

采集各发电设备的发电功率，汇总所有发电设备功率，计算功率变化率；

判断功率变化率是否大于最大允许变化率，如果是，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，否则，执行功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程。

2.根据权利要求1所述发电出力控制方法，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，包括以下步骤：

功率变化率大于最大允许变化率时，查看上次是否启动控制，如果未进行控制，将功率变化率超标次数加1，当功率变化率超标次数连续N次大于设定超标值，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，所述N为大于1的整数。

3.根据权利要求1或2所述发电出力控制方法，执行功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程，包括以下步骤：

如果功率变化率小于等于最大允许变化率，且上次补偿功率不为零则将补偿功率缓慢降到设定功率值。

4.根据权利要求1或2所述发电出力控制方法，功率变化率大于最大允许变化率控制流程，包括以下步骤：

(11)计算本次补偿功率，设置已补偿功率；

(12)生成补偿发电设备列表；

(13)判断本次补偿功率是否等于已补偿功率，如果不等于，继续步骤(14)；

(14)判断补偿发电设备列表中是否有设备参与补偿，如果有，选取列表中补偿发电设备，计算本补偿发电设备最大功率；

(15)判断本补偿发电设备最大功率与已补偿功率之和是否小于本次补偿功率，如果是，执行步骤(16)，否则执行步骤(17)；

(16)给本补偿发电设备下发命令，其中，已补偿功率＝已补偿功率+本补偿发电设备最大功率，本补偿发电设备功率＝本补偿发电设备最大功率，跳转到步骤(13)；

(17)给本补偿发电设备下发命令，其中，本补偿发电设备功率＝本次补偿功率-已补偿功率，已补偿功率＝本次补偿功率。

5.根据权利要求3所述发电出力控制方法，功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程，包括以下步骤：

(21)计算本次补偿功率，设置已补偿功率；

(22)生成补偿发电设备列表；

(23)判断本次补偿功率是否等于已补偿功率，如果不等于，继续步骤(24)；

(24)判断补偿发电设备列表中是否有设备参与补偿，如果有，选取列表中补偿发电设备；

(25)判断本补偿发电设备功率与已补偿功率之和是否小于本次补偿功率，如果是，执行步骤(26)，否则执行步骤(27)；

(26)给本补偿发电设备下发命令，其中，已补偿功率＝已补偿功率+本补偿发电设备功率，本补偿发电设备功率降到设定功率值，跳转到步骤(23)；

(27)给本补偿发电设备下发命令，其中，本补偿发电设备功率＝本次补偿功率-已补偿功率，已补偿功率＝本次补偿功率。

6.发电出力控制系统，包括：发电设备、补偿发电设备以及平滑输出控制服务器，其中：

平滑输出控制服务器采集各发电设备的发电功率，汇总所有发电设备功率，计算功率变化率；当功率变化率大于最大允许变化率时，执行功率变化率大于最大允许变化率控制流程，给补偿发电设备下发命令，否则，执行功率变化率小于等于最大允许变化率控制流程，给补偿发电设备下发命令。

7.根据权利要求6所述发电出力控制系统，其中：

平滑输出控制服务器在功率变化率大于最大允许变化率时，对补偿发电设备列表中的设备逐一分配补偿功率，每个补偿发电设备的最大补偿功率等于最大发电功率减去当前发电功率，如果补偿发电设备的最大补偿功率大于当前总的剩余补偿功率，说明本设备有能力承担当前总的剩余补偿功率，无需列表中其他设备参与控制，否则还需要寻找下一个补偿设备对其进行补偿功率的分配，直到分配的补偿功率满足当前总的剩余补偿功率需求。

8.根据权利要求6所述发电出力控制系统，其中：

平滑输出控制服务器在功率变化率小于等于最大允许变化率时，对补偿发电设备列表中的设备逐一检查本补偿发电设备功率，本补偿发电设备当前补偿功率小于当前总的剩余补偿功率，将本补偿发电设备功率降到设定功率值，进行下一个循环查看补偿发电设备列表中的下一个设备是否可以减少补偿出力，直到补偿发电设备的当前补偿功率大于当前总的剩余补偿功率，该设备恢复的功率为总的剩余补偿功率减去列表中本设备前面设备的补偿功率的总和。

9.根据权利要求6或7或8所述发电出力控制系统，其中：

对于大型风电场和光伏发电站，根据本地资源选择配套建设相当容量的水力发电设备或火力发电设备，如果资源受限则配置大型储能站作为补偿发电设备；

对分布式电源，配置小容量的储能作为补偿发电设备，在冷热电联供系统中通过微燃气轮机作为补偿发电设备。

10.根据权利要求7或8所述发电出力控制系统，其中：

当功率变化率大于最大允许变化率时，将所有具有可调出力能力的补偿发电设备形成列表，将不消耗燃料的补偿发电设备安排在列表的前面，将消耗燃料的补偿发电设备安排在列表的后面；

当功率变化率小于等于最大允许变化率时，将补偿功率不为0的补偿发电设备形成列表，将消耗燃料的补偿发电设备安排在列表的前面，将不消耗燃料的补偿发电设备安排在列表的后面。

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