分散式光伏與陸上風電協同運行在電力系統中的優化配置

祖守圓

（中石化江蘇石油工程設計有限公司，江蘇 揚州 225012）

0 引 言

隨著可再生能源在電力系統中的廣泛應用，分散式光伏與陸上風電作為2 種重要的可再生能源，因其清潔、可再生的特性，成為電力系統中備受關注的能源形式。然而，這兩者的波動性和不確定性給電力系統的運行帶來新的挑戰[1]。文章旨在通過深入研究光伏和風電的技術特性，通過建立協同運行的模型和應用優化算法，進一步提高電力系統的穩定性與可靠性。

1 分散式光伏與陸上風電的特性及運行機制

1.1 分散式光伏的特性

分散式光伏系統具有獨特的特性，主要表現在以下幾個方面。首先，分散式光伏系統采用分布廣泛的小規模光伏發電單元，與集中式光伏相比，系統規模相對較小，從而使分散式光伏更適應于城市環境和有限空間，可以在建筑物屋頂、地面等有限場所進行布局，提高能源的有效利用。其次，分散式光伏系統具備靈活性高的特點。分散式光伏采用多個獨立發電單元，因此系統整體不受單一組件故障的影響，具備良好的健壯性和可靠性。同時，系統的靈活性使得可以根據需要進行模塊化擴展，更好地適應能源需求的變化。最后，分散式光伏系統具備分布式發電的優勢，可以在離電源較遠的地方發電，減少輸電損耗，提高能源利用效率[2]。同時，分散式光伏的分布性有助于分散電網負荷，減輕電網壓力，提高電力系統的穩定性。

1.2 陸上風電的特性

陸上風電系統具有獨特的特性，主要表現在以下幾個方面。首先，陸上風電利用風能進行發電，通過在地面或海拔一定高度設置風力發電機組，將風能轉化為機械能，再通過發電機轉換為電能。這種發電方式具有廣泛的適用性，可以在不同地理環境和氣象條件下建設，提供清潔可再生的電力資源。其次，陸上風電系統的規模較大，通常由多臺風力發電機組成的風電場構成，使得陸上風電系統能夠集中利用風資源，提高整體發電效益。同時，規?；倪\營有助于降低發電成本，使得風電成為一種經濟可行的清能源選擇。再次，陸上風電系統的可再生特性使得其對環境的影響相對較小。相比傳統能源，風能發電過程中不產生溫室氣體和其他污染物，有利于減緩氣候變化和改善空氣質量。最后，風電場的占地面積相對較小，不會對土地資源造成嚴重損害。

1.3 分散式光伏與陸上風電在電力系統中的運行機制

分散式光伏和陸上風電作為電力系統中的清潔能源，具有獨特的運行機制。分散式光伏系統利用太陽能光輻射，通過光伏電池將太陽能轉化為直流電能。這些光伏電池通常分布在建筑物屋頂、農田或城市設施上，形成一個分散式的光伏發電網絡。這個網絡通過逆變器將直流電轉換為交流電，供應給當地的電力網絡。這種分布式布局可以降低輸電損耗，增加電力系統的穩定性，還可以高效利用分布式能源。陸上風電系統在電力系統中的運行機制主要依賴于風力發電機組。當風力機葉片受到風的推動時，機組開始旋轉，帶動發電機轉動產生電能。陸上風電場通常包括多個風力機組，構成一個規模龐大的風電場。這些風力機組通過集電線路將電能傳輸到變電站，然后接入電力系統。由于陸上風電場的規模較大，需要考慮風電場內風速的變化和不同風機之間的協調運行，以提高風電場的整體發電效益。在電力系統中，分散式光伏和陸上風電的運行機制都涉及電力的輸送和接入，需要與傳統的發電方式協同運行[3]。為實現清潔能源的高比例滲透，電力系統需要建立先進的智能調度與管理系統，以確保清潔能源的可靠供應，并協調各類發電方式的配合運行，實現電力系統的安全、高效運行。

2 分散式光伏與陸上風電協同運行的技術挑戰

在電力系統中，分散式光伏和陸上風電的協同運行，面臨著一系列技術挑戰。這些挑戰主要源于光伏和風電特有的運行特性和環境因素，以及電力系統對穩定性和可靠性的要求。分散式光伏與陸上風電的輸出具有顯著的不確定性和波動性。光伏發電的輸出取決于日照強度、云量等氣象條件，而風力發電的輸出則會受到風速、風向等多方面因素的影響。這種不確定性使得電力系統的調度和運行面臨很大的挑戰，需要在短時間內快速響應和處理大量的數據，以保持電力系統的平衡和穩定。分散式光伏與陸上風電的運行特性不同，因此如何實現它們之間的協同調度是一個關鍵問題。不同類型的光伏和風電設備可能需要不同的運行參數和條件，這就需要研發先進的調度算法和技術，以實現它們之間的有效協同。此外，需要考慮如何將不同來源的電能進行有效的整合和調度，以最大限度地利用可再生能源，并確保電力系統的穩定性。

大規模接入分散式能源對電力系統的穩定性和可靠性提出更高的要求。大量不穩定的可再生能源接入電力系統，電壓和頻率的波動可能會變得更加顯著。因此，需要研發先進的控制技術和保護策略，以應對這些波動和不確定性，確保電力系統的安全穩定運行。為適應高比例可再生能源的接入，電力系統的輸電網和配電網需要進行相應的改造和升級。這涉及對現有電網的升級和改造，以及對新設備的研發和應用。此外，需要研究和開發智能電網技術，以實現對分散式可再生能源的高效管理和調度。綜合考慮多方面因素，協同運行技術的研發和實施需要克服這些技術挑戰，以實現清潔能源的協同、穩定、高效運行。

3 電力系統中的協同運行優化

3.1 協同運行模型構建

為在電力系統中實現分散式光伏與陸上風電的協同運行，首先需要建立一個合理有效的協同運行模型。這一模型的構建對于優化電力系統運行、提高可再生能源利用率、降低系統運行成本具有重要意義。具體的構建流程如圖1 所示。

圖1 協同運行模型構建流程

該模型應準確描述光伏和風電的發電特性，并明確它們與傳統發電方式的耦合關系。光伏和風力的發電量受氣象條件影響較大，因此需要充分考慮日照、云量、風速及風向等關鍵氣象要素，建立準確的發電量模型。同時，模型應考慮電力系統的傳輸和分布網絡，包括輸電線路、變壓器和配電設備等，以構建光伏和風電與電網之間的耦合模型。此外，為實現對不穩定可再生能源的有效調節，模型中須涵蓋電能存儲設備，如電池儲能系統等，以實現調峰和調頻功能；為實現電力系統的最佳協同運行狀態，協同運行模型還需要引入智能調度算法。這些算法能夠實時優化運行參數，有效應對光伏和風電的波動性與不確定性。通過智能調度，電力系統能夠在動態條件下實現最優配置，提高電力供應的可靠性和穩定性。通過建立這樣的協同運行模型，可以有效解決分散式光伏與陸上風電并網帶來的技術挑戰。在模型的指導下，電力系統能夠更好地整合可再生能源，降低對傳統能源的依賴，從而推動電力行業的可持續發展。同時，協同運行模型的建立有助于提高電力系統的運行效率，降低運營成本，為電力用戶提供更加優質、可靠的電力服務。隨著技術的不斷進步和應用范圍的擴大，協同運行模型將在未來的電力系統中發揮更加重要的作用，為實現綠色、高效的能源利用提供有力支持。

3.2 協同運行的優化配置算法

在電力系統中，協同運行的優化配置算法是確保分散式光伏和陸上風電有效協同運行的關鍵?？紤]到分散式光伏和陸上風電的波動性，可以引入以下數學模型，以最大限度地提升系統的經濟性和可靠性。本文將優化目標定義為最小化電力系統總成本，包括發電成本、傳輸損耗以及設備維護成本，數學模型為

式中：Cgeneration為發電成本，與分散式光伏和陸上風電的發電量相關；Ctransmission為傳輸損耗成本，與輸電過程中的能量損耗有關；Cmaintenance為設備維護成本，與電力系統設備的使用壽命和維護頻率相關。

為解決這一多目標優化問題，采用多目標遺傳算 法（Multi-Objective Genetic Algorithm，MOGA），其基本思路是通過模擬自然選擇的過程，在保留較優解的同時引入多樣性，以搜索出一組具有較好經濟性和可靠性的解。遺傳算法的迭代過程包括選擇、交叉、變異等操作，通過不斷優化決策變量，即分散式光伏和陸上風電的發電量、運行模式等參數，以實現系統總成本的最小化[4]。此外，考慮電力系統的動態性，引入模糊邏輯控制策略，根據實時系統狀態調整優化參數，以適應不同運行條件。

文章提出的優化配置算法，能夠在電力系統中實現分散式光伏和陸上風電的協同運行，最大限度地提高系統的經濟性和可靠性，從而為電力系統的可持續發展提供有效的技術支持。

3.3 電力系統穩定性與可靠性分析

在電力系統中，穩定性與可靠性是評估系統運行狀況的重要指標。因此，文章對分散式光伏和陸上風電協同運行的電力系統進行評估，結果如表1 所示。

表1 電力系統穩定性與可靠性評估結果

首先，風電和光伏的發電功率直接受到風速與光照強度的影響。在表1 的示例中，隨著風速的增加和光照強度的提高，風電和光伏的發電功率呈現出相應的增長趨勢。這直接關系到系統的電力供給能力對系統穩定性和可靠性產生的影響[5]。其次，系統頻率和系統電壓是反映電力系統運行狀態的重要參數。表1 中的數據顯示，在不同日期下，系統頻率保持在50 Hz 左右，而系統電壓也在合理范圍內波動。這些參數的穩定性直接關系到電力系統的正常運行，過高或過低的頻率和電壓都可能導致系統不穩定或設備損壞，從而降低系統的可靠性。最后，穩定性評分和可靠性評分綜合考慮系統在特定條件下的運行表現。這些評分可以基于一系列標準和指標，如頻率偏差、電壓偏差、電力供應可靠性等。通過對這些評分的分析，可以全面了解電力系統的運行狀況，為進一步的協同運行優化提供參考和依據。通過對這些評分的監測和調整，可以實現電力系統在不同條件下的穩定運行和可靠供電。

4 結 論

文章通過對分散式光伏與陸上風電協同運行的全面分析和深入研究，為電力系統的優化配置提供切實可行的解決方案，為清潔能源的大規模應用提供理論和實踐的支持。未來的研究方向可以考慮更多清潔能源的引入和協同運行模型的優化，以實現電力系統的進一步提升和可持續發展。