大型并网型风光互补发电系统的协制 靳丹 ，温志伟 ，董海鹰，，李 坦 （１．甘肃省电力公司科信部，甘肃兰州７３００５０；２．甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州７３００５０； ３．兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州７３００７０１ 摘要：针对大型并网型风光互补发电系统中，系统最大输出功率大于给定功率时，风力发电子系统和光伏发电子系统功 率如何协调的问题。提出了一种功率协制方法。在该方法中。采用分级递阶控制结构，上级决策单元为功率协 制器。下级决策单元为两个子系统。根据系统并网效益和输出功率平滑性构建目标函数，采用带精英策略的快速非支配 排序遗传算法（ＮＳＧＡ－Ｕ）对风力发电子系统和光伏发电子系统的输出功率进行多目标优化。协制子系统的发电功 率。仿真结果验证了该功率协制方法的有效性。 关键词：风光互补发电系统；协制；递阶控制；ＮＳＧＡ—ｌＩ；多目标优化 中图分类号：ＴＭ ５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—０８７ Ｘ（２０１５）０５—１０３６－ｏ４ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒＯ１ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｎｄ／ＰＶ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ＪＩＮ Ｄａｎ ，ＷＥＮ Ｚｈｉ—ｗｅｉ ，ＤＯＮＧ Ｈａｉ－ｙｉｎｇ￣，ＬＩ Ｔａｎ３ ．Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＧａｎｓｕＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ； ２．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧａｎｓｕＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌ￣ｌｚｈｏｕＧａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ ＪｉａｏＴｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｇａｎｓｕ ７３ｏ０７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｗｉｎｄ／ＰＶ ｈｙｂｒｉｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂｅｙｏｎｄ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｖｉｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｄｅｖｉｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｌｅｖｅｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ ｗｅｒｅ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｌｅｖｅｌ ｕｎｉｔｓ．Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｐｕｒｐｏｓｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ。Ｓ ｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂｅｎｅｆｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ． ＮＳＧＡ－Ｉ１ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ。Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｗｉｎｄ／ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．１１１ｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ／ＰＶ ｈｙｂｒｉｄ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｌｒ；ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＮＳＧＡ一¨：ｍｕｌｔｉ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ 风光互补发电系统能充分利用风能和太阳能在时间上的 互补性，是可再生供电系统的重要形式。 目前并网型风光互补发电系统的研究领域，主要集中于风 力发电机组的研制与控制、光伏发电单元的研制及控制、风光 互补发电系统的优化设计、风光互补发电系统中风力发电子系 光互补发电系统装机容量大时，对储能装置要求非常高。这些 功率控制方法都没有针对风光互补发电系统中风力发电子系 统和光伏发电子系统的功率如何协调分配的问题进行研究。在 实际应用中，大型风光互补发电系统常常会在某个时段，系统 发电功率大于电网调度命令给定的功率，这时对风力发电子系 统和光伏发电子系统的功率进行协制是非常必要的。 本文针对大型并网型风光互补发电系统，提出一种功率 协制方法，当系统输出功率达到或超过给定功率时，实时 协调风力发电子系统和光伏发电子系统的发电功率，使系统 发电功率始终维持在给定功率附近，并对两个子系统的输出 功率进行优化。 统和光伏发电子系统的最大功率跟踪控制（ＭＰＰＴ）等方 面＿】＿，对风光互补发电系统的能量管理控制研究很少。最早的并 网系统由相互的并网型风力发电系统和并网型光伏发电 系统组成，采用耗能电阻投切抑制功率波动。随后出现的直流 耦合并网型系统 ，将风力发电机组和光伏电池组通过直流母 线连在一起，然后通过逆变器和交流电网连接，它是通过储能 装置平衡实际输出功率和电网调度命令给定功率的偏差，在风 收稿日期：２０１４—１０—０９ 基金项目：国家高技术研究发展计划（２０１２ＡＡ０５２９０３） １协制系统建模 １．１系统结构 本文提出的功率协制方法，采用分级递阶控制结构， 作者简介：靳￣Ｊ－（１９７５一），男，甘肃省人，硕士。高级工程师，主要 研究方向电力系统自动化。 通信作者：董海鹰 将风光互补发电系统分为两级，上级决策单元为功率协 制器，下级决策单元为两个子系统。系统结构如图１所示。 ２０１ ５．５ Ｖｏ１．３９ ＮＯ．５ １ ０３６ 电辣技 上级 一 下级 图１ 风光互补系统递阶控制结构 图３ 光伏发电系统功率控制框图 １．２风力发电子系统数学模型 风力发电机是工作在不可预知的风速环境条件下，并具 控制。其中ｄ轴电流调节光伏逆变器的有功输出，使光伏阵列 工作在给定功率值，ｑ轴电流调节光伏逆变器无功输出，对并 有严格要求的复杂系统。系统主要由桨叶轮毂、机械传动机 构、发电机、控制系统、变频装置等组成ｌ ３Ｉ。其中，风轮从风能捕 获的功率和获得的气动转矩分别为： Ｐ＝０．５ ＰＶ ｓｃ￣（ｚ，卢） ＝０．５ｐＳＣ￣（ｚ，ＪＢ）Ｖ ． 网功率因数进行控制。 １．４协制系统数学模型 在功率协制系统中，本文根据系统并网效益和输出 （１） （２） （３） 功率平滑性构建目标函数，使系统并网效益趋于最大，输出功 率平滑性趋于最优。 系统目标函数如下： Ｚ－－ｍｉｎ｛ （）（）， （ ） （１３） ２Ⅱ ∞Ｒ Ｘ为决策向量； （ 为风光互补发电系统单位时间并网 Ｃｐ＝（０．４４－０．０１６ ７卢）ｓｉｎｌ ｉ ｊ ｌ－０．００１ ８４（ 一３）卢（４） 式中：式中：Ｐ为风力机机械功率；ｐ为空气密度；Ｓ为桨叶扫掠面积； 效益的倒数；点（ 为系统输出功率的波动大小，取风力发电子 系统和光伏发电子系统功率波动之和。 （ 和 （ 均取最小 值，即系统并网效益最大化，输出功率曲线平滑性最优。 为风能利用系数； 为叶尖速比；ＪＢ为桨距角利用系数；Ｖ为 风速； 为气动转矩； 为风力机主轴转速。 风力发电机组的功率控制框图如图２所示。 由于风力发电和光伏发电的不确定性，为避免输出功率 低于或高于给定功率时造成资源的浪费，在并网效益函数中 加入对这部分浪费的惩罚函数： （： 只 —Ｐ ４－ｃ Ｐ 一ＰＪ Ｆ Ｃ Ｐ：一Ｐ Ｃ Ｐ：一Ｐ （１４） ５ １．３光伏发电子系统数学模型 建立工程用太阳电池单体数学模型 ： 』 。｛卜Ｏｒ＂［ ＿＝１］｝ ＝式中：Ｆｗ为风力发电子系统的惩罚函数； 为光伏发电子系统 的惩罚函数； 为风力发电子系统的低估惩罚成本系数；ｃ （５） 为风力发电子系统的高估惩罚成本系数； 为光伏发电子系 统的低估惩罚成本系数； 为光伏发电子系统的高估惩罚成 本系数； 为风力发电子系统的给定功率；Ｐｗ为风力发电子 ［半产 ｃ （６） （７１ 卢 系统的实际功率； 为光伏发电子系统的给定功率；只为光伏 发电子系统的实际功率。 该多目标优化问题的数学模型： 任意温度和辐照度下的模型参数求取： △ ＝卜 （８） （９） （１０） ｔ 专（１＋ａＡＴ） Ｖ ＝ＶＡｎ（ｅ＋ｂ△Ｓ）。（１一ｃ△Ｔ） ＝（ ）＝ （ ， ）＝（Ｃｗ ＋ ＋ ＋Ｆｗ） （１６） （ （ ， ）： ≤ ＋ （１７） Ｌ‘ Ｓ‘（Ｉ＋ａＡＴ） （１１） ≤ ｌｎ（ｅ＋ｂ△Ｓ）。（１一ｃ△】） （１２） ≤ ≤ Ｐ ＋Ｐ ：Ｐ （１８） 式中： 为太阳电池板短路电流；Ｖ 为太阳电池板开路电压； ｒｍ为最大功率点电流；ｖｍ为最大功率点电压；ｅ为自然对数底 数，约为２．７１８ ２８；补偿系数ａ，ｂ，ｃ的经典推荐值为： ａ＝０．００２ ５℃＿。，ｂ－－０．０００ ５（Ｗ／ｍ ）＿。，ｃ＝０．００２ ８８℃－－１。 式中：Ｃｗ为风电上网电价；Ｃ为光电上网电价； 为风力发电 子系统装机容量； 为光伏发电子系统装机容量； 为当前 光伏发电子系统功率控制框图如图３所示。其中外环为 功率控制环，利用ＰＩ调节器控制光伏阵列功率、跟踪功率的给 定。次外环为电压控制环，利用一个ＰＩ调节器控制光伏阵列输 出电压，跟踪给定功率点的参考电压；内环为电流控制环，应 光照强度和温度下光伏发电子系统的最大输出功率； 为当 前风速下风力发电子系统的最大输出功率；Ｐ 为风光互补发 电系统给定功率。 在控制过程中，需要实时检测当前风速、光照强度和温 用电流控制的电压源型逆变器，在与电网电压同步的旋转坐 标系下，利用两个ＰＩ调节器对并网ｄ．ｑ轴电流分别进行解耦 度，计算各子系统的最大输出功率。其中： Ｐｑ ・Ｖ ・Ｎ （１９） １ ０３７ ２０１ ５．５ Ｖｏ１．３９ ＮＯ．５ 技‘ 式中：Ｎ为光伏电池板的数量。将式（１１）和式（１２）带入上式可得 光伏发电子系统的最大输出功率。 开始 ２功率协制方法 ２．１优化方法 本文提出的功率协制方法，根据系统并网效益和输 出功率平滑性构建目标函数，对子系统的发电功率进行多目 根据风速、光照强度和温度计算风力发电子 系统和光伏发电子系统最大功率 标优化。目前的多目标优化算法有很多，Ｋａｌｙａｎｍｏｙ Ｄｅｂ提出 的ＮＳＧＡ—ＩＩ【５］，属于综合性能较好的一种算法。该算法由ＮＳ— 将实际功率反馈至功率协制器 ＧＡ算法改进而来，采用遗传方法对种群进行进化、快速非支 配法对个体排序、拥挤距离法保持种群的多样性程度，计算效 率高，得到的非劣解在目标空间分布均匀，收敛性和鲁棒性 好。 根据系统并网效益和输出功率平 惰性构建目标函数 在本文中，采用ＮＳＧＡ—ＩＩ求解该多目标优化问题。下面说 明ＮＳＧＡ．ＩＩ的求解过程。 开始随机生成种群 和 ，规模为 对种群进行非支 采用ＮＳＧＡ一１Ｉ对两个子系统发电 功率进行优化，求解目标函数 配排序，每对解的适应度就是它的非支配水平。进行选择、交 叉和变异，生成子代种群Ｑｗ和Ｑ５，规模为Ｎ。然后进入 ＮＳＧＡ—ＩＩ的主循环： 将求得的解作为两个子系统功率的给定 Ｓｔｅｐ １将父代种群 和子代种群 结合成种群Ｒｌ，Ｒｔ＝ ｕ Ｏ。 对Ｒ进行非支配排序确定Ｒ全部非支配解前沿面Ｆ＝ ｆ ， …．）； 图４ 功率协制流程图 真通过程序代码实现。本研究以中节能玉门昌马风光互补并 网发电示范项目为背景，设系统总装机容量为２０９ Ｍｗ，其中 Ｓｔｅｐ ２建立新种群 ＋ ，设置指针 １。计算 的拥挤距离 （ｃｒｏｗｄｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ），执行只＋１＝ ＋１ Ｕ 和ｉ＝／＋１，直至ｆ ＋１Ｉ＋ｌＥｔ≤ Ｎ： 风电场装机容量２００ Ｍｗ，光伏电站装机容量９ ＭＷ。风速和 光照强度的样本如图５所示，其中，图５（ａ）为光照强度样本，图 ５（ｂ）为风速样本。由于该控制方法为实时控制，控制周期短，故 假设该时间段内大气温度不变，保持在２５℃。在仿真过程中， 设电网调度命令给定的功率为１００ Ｍｗ。 Ｓｔｅｐ ３对Ｆ进行排序（ ， 。选择 中排序最好的（ １ ＋ Ｉ）个 解，即 ＋ ＝ ＋ ｕ Ｆｆ１：（Ｎ－ｌｅ， ｆ）］； Ｓｔｅｐ ４对种群只＋，应用选择、交叉和变异算子得到子代种群 Ｑ¨。 最后求解得到的Ｐａｒｅｔｏ解集，取加权平均值作为最满意 ・解。 昌 ● ２＿２功率协制过程 该功率协制方法流程如图４所示。首先，将电网调度 命令发送的功率作为风光互补发电系统功率的给定，然后，根 ≥ 据当前的风速、光照强度和温度计算风力发电子系统和光伏 发电子系统的最大功率，检测两个子系统实际输出功率，并将 实际功率反馈至功率协制器，根据系统并网效益和输出 功率平滑性构建目标函数，通过ＮＳＧＡ．ＩＩ对各子系统的发电 慧 甏 米 ｔ，ｓ （＿）光照强度变化曲线 功率进行优化，使系统并网效益趋于最大，输出功率平滑性趋 于最优，求解目标函数，将求得的解作为子系统功率的给定， 两个子系统均为功率闭环控制。然后，继续根据当前风速、光 照强度和温度计算各子系统的最大功率，并将子系统实际输 出功率反馈到功率协制器，功率协制器进一步对两 个子系统的发电功率进行优化协调，这样通过上级与下级之 Ｉ－ ● 茸 制 噻 间不断进行信息交换，最终使系统的运行状态达到理想目标， 实现风光互补发电系统的协制。 ｔ／ｓ ３仿真分析 在Ｍａｔｌａｂ下建立系统仿真模型，功率协制系统的仿 （ｂ）风速变化曲线 图５ 样本数据 ２０１ ５．５ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．５ １ ０３８ 辣技禾 目标函数优化结果和系统输出功率仿真结果分别如图６、 ７所示。由图可看出，目标函数 （）ｏ优化结果曲线和光照强度 曲线变化趋势相反，光伏发电子系统输出功率曲线与光照强 度曲线变化趋势相同。由于光伏发电并网效益高于风电并网 效益，所以光伏发电子系统输出功率应趋近于当前光照强度 下子系统的最大输出功率，说明对并网效益的优化取得了良 好的效果；目标函数点（ 优化结果均在０．０６以下，较为理想， 风光互补发电系统输出功率曲线如图７（ｃ）所示，由仿真结果求 得，系统输出功率在给定功率附近的最大波动为０．９７％，波动 较小。 参窆、醉露 ｆ，ｓ （－Ｊｆ，（３Ｏｔ￣化结果曲线 ｆＩｓ （ｂ） 【的优化结果曲线 图６ 目标函数优化结果 图７ 系统输出功率曲线 ［２］ ＧＩＲＡＵＤ Ｆ，ＳＡＬＡＭＥＨ Ｚ Ｍ．Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｄ— ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｒｏｏｆｔｏｐ ｈｙｂｒｉｄ ｗｉｎｄ－ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓ￣ｔｅｍ ｗｉｔｈ ｂａｔ・ ４结论 为实现大型并网型风光互补发电系统的优化协制， 本文根据系统的并网效益和输出功率平滑性构建目标函数， 采用递阶控制结构，用ＮＳＧＡ－ＩＩ算法协制风力发电子系 ｔｅｒｙ ｓｔｏｒａｇｅ［Ｊ］＿ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２００１（１）： １．７． 统和光伏发电子系统的发电功率。仿真结果表明，当系统输出 功率达到或超过给定功率时，ＮＳＧＡ．ＩＩ能很好地优化各子系 统的输出功率，使系统并网运行的效益趋于最大，输出功率平 ［３］王金铭，卢爽碹，何新，等．大型风力发电机风能利用系数参数拟 合的研究［Ｊ］．太阳能学报，２０１２，３３（２）：２２１—２２５． 滑性趋于最优。该功率协制方法，能良好地协调大型并网 型风光互补发电系统中风力发电子系统和光伏发电子系统的 ［４］廖志凌，阮新波．任意光强和温度下的硅太阳电池非线性工程简 化数学模型［Ｊ］．太阳能学报，２００９，３０（４）：４３ １—４３５． ［５］ＤＥＢ Ｋ，ＰＲＡＴＡＰ Ａ，ＡＧＡＲＷＡＬ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ａ ｆａｓｔ ａｎｄ ｅｌｉｔｉｓｔ ｍｕｌｔｉｏ・ 发电功率。 参考文献： ［１】吴大中，王晓伟．一种光伏ＭＰＰＴ模糊控制算法研究［Ｊ］．太阳能 学报，２０１１，３２（６）：８０９—８１３． ｂｊｅｃｔｉｖｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ：ＮＳＧＡ－ｔｉ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｖｏ— ｌｕｔｉｏｎａｒｙ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，２００２，６（２）：１８２－１９７． １ ０３９ ２０１ ５．５ Ｖｏ１．３９ ＮＯ．５
