大规模光伏电站群的集群控制与电力市场交易策略

一、引言

在全球应对气候变化、推动能源转型的大背景下，光伏发电作为一种清洁、可再生能源得到了迅猛发展。大规模光伏电站群凭借规模效益，在能源供应体系中的地位日益凸显。然而，光伏电站群的大规模接入给电网运行带来诸多挑战，如功率波动大、电压稳定性差等，亟需高效的集群控制系统来保障可靠运行。同时，在电力市场环境下，如何制定合理的交易策略，实现光伏电站群的经济价值最大化，成为行业关注焦点。

二、大规模光伏电站群面临的挑战

（一）功率波动特性

光伏电站的发电功率受光照强度、天气变化等自然因素影响显著，具有间歇性和波动性。大规模光伏电站群整体功率波动幅度更大，短时间内的剧烈变化会对电网频率、电压稳定性造成冲击，增加电网调度难度。

（二）电压调节问题

光伏电站出力变化易引发并网点及周边区域电压波动，尤其在远距离输电情况下，电压降落、无功功率需求变化等问题突出。若缺乏有效电压控制措施，可能导致局部电压越限，影响电网安全运行。

（三）集群协同困难

多个光伏电站组成集群时，各电站地理位置、设备参数、运行工况存在差异，实现电站间的协同运行，如统一的最大功率点跟踪、功率分配与调度，面临通信延迟、控制策略不一致等难题。

三、大规模光伏电站群的集群控制系统

（一）系统架构

1. 集中式架构

设立中央控制中心，统一收集各光伏电站的运行数据，包括发电功率、电压、电流等，基于全局信息制定控制指令，下发至各电站执行。优点是控制精准度高，便于统筹规划；缺点是对通信可靠性要求极高，一旦中心故障，影响整个集群运行。

2. 分布式架构

各光伏电站具备独立的控制单元，根据本地信息进行初步控制决策，同时与相邻电站通过对等通信交互少量关键数据，协同优化控制。这种架构容错能力强，通信负担小，但协调难度相对较大，需精细设计协同算法。

3. 混合式架构

结合集中式与分布式优势，在关键控制环节（如集群总功率调节）采用集中式，日常运行维护采用分布式，兼具高可靠性与灵活性，是当前较为实用的架构选择。

（二）关键功能

1. 最大功率点跟踪协同（MPPT）

考虑到光照不均匀、组件老化差异等因素，各光伏电站的最大功率点不同。通过集群控制实现 MPPT 协同，使整个电站群在不同光照条件下始终运行于接近全局最大功率点，提高发电效率。采用智能优化算法，如粒子群优化算法，动态调整各电站的MPPT 参数。

2. 电压无功控制

实时监测电网电压，根据电压偏差及无功功率需求，协调各电站的无功补偿设备（如 SVG、电容器组）投切与逆变器无功出力调节。利用电压 - 无功灵敏度矩阵，精准计算各电站的无功分配量，确保电网电压稳定在合格范围。

3. 功率预测与调度

结合气象预报、历史发电数据，运用时间序列分析、机器学习等方法预测电站群未来发电功率。依据预测结果，制定日前、日内发电调度计划，合理分配各电站发电任务，提前应对功率波动，满足电网负荷需求，降低弃光率。

（三）关键技术支撑

1. 高速通信技术

采用光纤通信、5G 等高速通信手段，保障集群内海量数据的实时传输，包括运行数据采集、控制指令下达等，确保控制及时性与准确性。

2. 大数据与云计算

利用大数据存储、分析电站群长期积累的运行数据，挖掘潜在规律，为控制决策提供数据支持；云计算平台提供强大计算能力，加速复杂算法的运算，提升集群控制效率。

3. 智能算法与模型

除上述提到的粒子群优化算法、电压 - 无功灵敏度矩阵，还运用神经网络、模糊逻辑等智能算法构建电站模型、优化控制流程，实现自适应、智能化的集群控制。

四、大规模光伏电站群的电力市场交易策略

（一）中长期合同交易

1. 电量合同

与电力大用户、售电公司等签订固定电量、固定电价的中长期合同，保障基本收益。合同电量依据电站群发电能力预测、历史发电数据及市场需求合理确定，在合同期内按约定执行，稳定发电计划，减少市场不确定性风险。

2. 差价合同

与电网企业或其他购电方签订差价合同，以约定基准电价与市场实时电价的差价进行结算。当市场电价波动时，电站群通过差价合同锁定部分收益，避免因电价大幅下跌受损，同时在电价上涨时有额外获利机会。

（二）现货交易

1. 日前现货交易

根据功率预测结果，提前一天参与日前现货市场报价，申报发电计划与期望电价。综合考虑成本、市场供需预测、竞争对手情况等因素，运用博弈论、优化算法制定报价策略，力求在满足电网调度要求下实现收益最大化。

2. 日内现货交易

随着时间临近实时运行，利用更精准的功率预测更新和实时市场信息，对日前申报计划进行调整优化，参与日内现货交易。通过快速响应市场变化，捕捉有利电价时机，增加额外收入，如在光照突然增强、发电成本降低时，及时调整报价增加上网电量。

（三）辅助服务市场交易

1. 调频服务

凭借光伏电站群快速的功率调节能力，参与电网调频服务市场。通过集群控制系统实时监测电网频率，当频率偏差超出允许范围，迅速调整电站群发电功率，按照调频里程、调节效果获取相应补偿收益。

2. 备用服务

作为备用电源，在电网负荷高峰或紧急情况下，按要求提供有功、无功备用容量。根据不同备用等级（如旋转备用、非旋转备用）要求，制定合理的备用容量配置与调用策略，结合市场定价机制，从备用服务中获取经济回报。

五、实际案例分析

（一）案例概况

某地区拥有总装机容量达 500MW 的大规模光伏电站群，由 10 个地理位置相近、规模各异的光伏电站组成，接入当地 220kV 电网。采用混合式集群控制系统，并积极参与电力市场交易。

（二）集群控制效果

实施集群控制后，电站群发电效率较之前提高了 ，主要得益于 MPPT 协同优化。电压合格率从 提升至 ，有效应对了因功率波动引发的电压问题，保障电网安全稳定运行。功率预测平均准确率达到 ，为发电调度与市场交易提供有力支撑。

（三）交易策略成效

在电力市场方面，通过合理签订中长期合同，锁定 60%的电量收益，降低市场波动风险。积极参与现货交易，利用日内优化调整，使现货交易收入较初期增加 20%。参与辅助服务市场，调频与备用服务年收入达 500 万元，进一步拓展了盈利渠道，电站群整体经济效益显著提升。

六、结论与展望

大规模光伏电站群的集群控制与电力市场交易策略相辅相成，高效的集群控制是稳定运行、提升发电效率的基石，合理的交易策略则是实现经济价值最大化的关键。通过构建科学的集群控制系统，融合先进技术，解决功率波动、电压调节、协同困难等问题；同时，依据电力市场规则，灵活运用中长期合同、现货交易、辅助服务等多元化交易模式，光伏电站群可在保障电网安全的同时，获取良好经济效益。未来，随着技术进步与市场机制完善，如虚拟电厂技术融入集群控制、电力市场交易品种创新，大规模光伏电站群将迎来更广阔发展空间，为全球能源转型持续赋能。

参考文献：

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[2] 陈刚，李明华，赵峰. 中国电建集团江西省水电工程局有限公司在新能源工程建设中的技术创新实践[J]. 江西电力，2023（02）： 35 - 39.