光熱發(fā)電接入電網(wǎng)的調(diào)度模型與入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

史騰飛，馬朋飛，鄭欣，劉榮海，常喜茂，王坤，李亞寧

（1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

目前我國(guó)的發(fā)電形式主要以火力發(fā)電為主，但是其付出的環(huán)境成本巨大，面對(duì)日益枯竭的一次性能源，急需尋求其他可再生、可持續(xù)發(fā)展的新能源來代替。而太陽能無疑是一種十分適合發(fā)展的清潔能源，以其無污染、可再生和綠色環(huán)保的特點(diǎn)成為新能源中很重要的開發(fā)對(duì)象。太陽能光熱發(fā)電目前也發(fā)展的越來越成熟，其工作原理和火電機(jī)組是通過聚焦光熱帶動(dòng)蒸汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，重點(diǎn)是太陽能光熱發(fā)電增加了熱能存儲(chǔ)裝置，可以自行調(diào)節(jié)輸出功率，有利于光熱發(fā)電的穩(wěn)定輸出和并網(wǎng)。目前光熱發(fā)電和光伏發(fā)電成本相當(dāng)，但是光伏的生產(chǎn)對(duì)于環(huán)境影響大且對(duì)于工藝要求較高，光熱發(fā)電中自帶的儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的能源輸出。由此可以看出，光熱發(fā)電在新能源發(fā)電中有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1]。

1 光熱發(fā)電站的運(yùn)行原理

太陽能光熱發(fā)電是利用太陽能聚光集熱器把太陽輻射的能量聚集起來，通過加熱工質(zhì)來帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。下圖1是光熱發(fā)電站的主要構(gòu)成，下面介紹各個(gè)部分的工作原理。圖1中的太陽能集熱場(chǎng)是用來聚集太陽能的熱輻射，同時(shí)加熱其管道內(nèi)的導(dǎo)熱工質(zhì)，一般用到的導(dǎo)熱工質(zhì)為導(dǎo)熱油；導(dǎo)熱工質(zhì)被加熱至400℃以上，導(dǎo)熱工質(zhì)攜帶熱能與儲(chǔ)熱系統(tǒng)和熱循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換；儲(chǔ)熱裝置可以儲(chǔ)存熱量便于在陰天或者夜間等太陽光輻射低時(shí)熱交換使用，熱循環(huán)系統(tǒng)將得到的熱量加熱水至蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功，從而產(chǎn)生電能[2]。

從光熱發(fā)電站的運(yùn)行原理可以看出，其在攜帶有儲(chǔ)熱裝置后具有很強(qiáng)的負(fù)荷調(diào)度能力，其調(diào)節(jié)速度要比一般的火電機(jī)組快得多，這個(gè)特點(diǎn)可用于協(xié)調(diào)和平衡其他不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電的波動(dòng)[3]。同時(shí)，光熱發(fā)電站的汽機(jī)為了匹配光場(chǎng)和儲(chǔ)熱裝置的特性，也具有良好的快速調(diào)節(jié)能力，能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 光熱發(fā)電站的主要構(gòu)成

光熱發(fā)電站的調(diào)度特性與傳統(tǒng)火電廠類似，但特殊的地方在光熱發(fā)電站的建模是必須考慮的。

1）對(duì)于光熱發(fā)電站的能源供給是人為無法控制的，因吸收的光能在一天中是不斷變化的，這是在光能作為輸入所必須考慮的。

2）一般的光熱發(fā)電站中攜帶的儲(chǔ)能裝置的容量有限，而且這一過程會(huì)有能量損耗，容量的上下限和能量在換熱過程的損失也是建模中必須考慮的問題[4]。

2 光熱發(fā)電站的約束情況分析

在光熱發(fā)電站的建模之前，明確電站的運(yùn)行特點(diǎn)和描述重點(diǎn)。應(yīng)是在整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)中對(duì)于能量的變化和運(yùn)行要求的上下限制的重點(diǎn)描述[5]。而其中在調(diào)度問題中因系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化時(shí)間相比于調(diào)度的時(shí)間間隔小得多，且調(diào)度模型不需要關(guān)注太多系統(tǒng)內(nèi)部的能量交換，可以充分簡(jiǎn)化這兩個(gè)內(nèi)容，由此可得到光熱發(fā)電站的抽象模型為：

圖2 光熱發(fā)電系統(tǒng)原理簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

2.1 光熱發(fā)電站中能量的轉(zhuǎn)移及等式約束

通過對(duì)光熱發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化之后，可以很方便的將其中的導(dǎo)熱工質(zhì)看做是系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)導(dǎo)熱工質(zhì)也作為一個(gè)能量交換中心，將從光場(chǎng)吸收到的能量傳遞給儲(chǔ)熱裝置和熱循環(huán)系統(tǒng)，可以得出系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)移等式如式（1）所示：

從光場(chǎng)中傳出的能量是由光鏡面積、光熱轉(zhuǎn)換效率和光照輻射指數(shù)共同決定的，其接收到的功率為：

式中：η光場(chǎng)為光熱轉(zhuǎn)換效率；S光場(chǎng)為鏡場(chǎng)面積；Rt為t時(shí)刻的光照直接輻射指數(shù)。

此時(shí)系統(tǒng)中鏡場(chǎng)在接收到光能時(shí)總會(huì)伴有光量的丟失，如式（3）所示：

式中：P吸收為系統(tǒng)吸收太陽得到的總功率，P丟失為丟失的棄光功率[6]。

對(duì)于系統(tǒng)中的儲(chǔ)熱裝置來說，熱量在熱交換的過程中會(huì)不可避免的損失一部分，這些損失的能量也是在建模之中應(yīng)該考慮到的，熱耗散在其中的體現(xiàn)為:

式中：和分別為儲(chǔ)能裝置的充、放熱功率；ηc和ηd分別為充放熱效率。

在考慮到能量丟失和熱耗散之后，通過對(duì)其系統(tǒng)在工作點(diǎn)附近線性化的簡(jiǎn)化計(jì)算之后，可得到能量方程為：

式中：Et為t時(shí)刻光熱發(fā)電站的總能量；γ為耗散系數(shù)；Δt為時(shí)間間隔。

這中間在熱力循環(huán)裝置的能量流動(dòng)可以通過熱功率和電功率的函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系來簡(jiǎn)化表示為：

式中：為熱力循環(huán)的電功率。

2.2 光熱發(fā)電站中運(yùn)行時(shí)的限制條件

光熱發(fā)電站通過吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱工質(zhì)并推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，所以其運(yùn)行過程中的約束條件與火電廠汽輪機(jī)組相似，這部分可以參照火電機(jī)組的約束條件，即：

式中：和為光熱發(fā)電機(jī)組的備用發(fā)電功率；和分別為光熱發(fā)電機(jī)組的最大和最小負(fù)荷；xt為機(jī)組的工作狀態(tài)；TMinOn和TMinOff分別為機(jī)組的最小運(yùn)行和停運(yùn)時(shí)間；ut和vt分別為機(jī)組的開停機(jī)變量，1表示機(jī)組在t時(shí)刻啟動(dòng)/停機(jī)；RU和RD分別為機(jī)組的最大上、下爬坡能力；T為總時(shí)長(zhǎng)。

這其中，在光熱發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)熱裝置起著舉足輕重的作用，一個(gè)光熱發(fā)電站的持續(xù)輸出功率能力很大一部分取決于儲(chǔ)熱裝置的容量大小，儲(chǔ)熱裝置的容量一般用汽輪機(jī)組的“滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)”來衡量[7]，儲(chǔ)熱裝置的容量也應(yīng)有最小儲(chǔ)能限制用以保證安全，其相關(guān)約束可以表示為：

式中：Emin為儲(chǔ)熱裝置的最小儲(chǔ)熱能量；ρ為以滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為單位描述的儲(chǔ)熱裝置的最大容量。

在儲(chǔ)熱裝置的充/放熱過程中，必須限制其在可調(diào)范圍內(nèi)變化，不能超過充/放熱的最大量程，也不能同時(shí)進(jìn)行充/放熱，這是可以得到的約束條件為：

式中：和分別為最大充、放電功率。

3 光熱發(fā)電站的電網(wǎng)調(diào)度模型建立

通過對(duì)于光熱發(fā)電系統(tǒng)的約束條件進(jìn)行分析之后，建立了一系列的上下限約束條件和能量轉(zhuǎn)移等式。在此基礎(chǔ)上組合各個(gè)約束條件建立光熱發(fā)電站電網(wǎng)調(diào)度模型為：

式中：xc和yc分別為光熱發(fā)電站對(duì)應(yīng)的0-1變量和連續(xù)變量；為發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本函數(shù)；x和y分別為兄中其他機(jī)組對(duì)應(yīng)的0-1變量和連續(xù)變量；A、B、C、D、F、G、H、L、R、W、a、c、d、g、h、r均為參數(shù)矩陣[8]。

其中式（20）至式（23）為光熱發(fā)電站在運(yùn)行時(shí)約束條件的具體矢量化描述；式（21）表示系統(tǒng)中其他機(jī)組對(duì)應(yīng)離散變量的約束，包括機(jī)組啟停狀態(tài)變量約束、最小開機(jī)/停運(yùn)時(shí)間約束；式（22）表示系統(tǒng)中的連續(xù)變量的約束，包括機(jī)組的爬坡約束、風(fēng)電出力約束、系統(tǒng)總備用約束、傳輸容量約束和傳輸功率爬坡約束，其中部分約束也設(shè)計(jì)光熱發(fā)電的控制變量；式（23）為混合整數(shù)約束，包括機(jī)組的出力和備用約束。

4 算例系統(tǒng)分析

算例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，此系統(tǒng)是通過標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)修改而來。同時(shí)，通過光熱發(fā)電站的模型來簡(jiǎn)化模擬系統(tǒng)的發(fā)電過程和運(yùn)行情況[9]。

首先要分析放熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本，必須了解系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的成本，而發(fā)電機(jī)的成本函數(shù)在工作時(shí)是非線性的，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在求解時(shí)直接用分段線性化的方法進(jìn)行近似[10]。

圖3 算例系統(tǒng)

其中：ai，bi，ci為發(fā)電成本系數(shù)。

為了精確化的表達(dá)熱力循環(huán)系統(tǒng)的工作效率，通過對(duì)其在不同發(fā)電功率的情況下對(duì)應(yīng)的注入功率的關(guān)系進(jìn)行分段線性表示：

通過利用上述式子中對(duì)于能量轉(zhuǎn)移的約束條件和儲(chǔ)熱裝置的容量限制等的約束問題，對(duì)式（18）進(jìn)行了線性化處理，最后得到了相應(yīng)的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。同時(shí)利用MATLAB中的相應(yīng)工具包對(duì)系統(tǒng)的約束條件進(jìn)行求解，并得到了很好的結(jié)果[10]。

為方便研究，以下算例中認(rèn)為光熱發(fā)電站電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)在一天的總能量相等，均為總?cè)萘康?0%。系統(tǒng)最小備用容量取調(diào)度日最大負(fù)荷的10%。

1）算例1：光熱發(fā)電站并網(wǎng)的發(fā)電成本計(jì)算與分析,首先應(yīng)假定系統(tǒng)的負(fù)荷和光照曲線，如下圖4所示，其中應(yīng)假設(shè)光熱發(fā)電站的功率為500 MW。對(duì)比系統(tǒng)在不含太陽能電站（情形1）、接入光伏發(fā)電站（情形2）和接入光熱發(fā)電站（情形3）時(shí)的系統(tǒng)發(fā)電成本，結(jié)果如表1所示?？梢院苊黠@的看出，在同一發(fā)電量下，采用光熱發(fā)電的總成本是最低的，從中就能很清楚地看到太陽能光熱發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，即在低成本的情況下產(chǎn)生最大的效益和價(jià)值[11]。

圖5是在分別加入了光伏發(fā)電站和光熱發(fā)電站之后的負(fù)荷變化曲線，其中，原始負(fù)荷曲線峰谷差為239.5 MW，引入光伏發(fā)電后增加至245.8 MW，增加2.7%；引入光熱發(fā)電站后峰谷差降至204.2 MW，減少10.6%。從中可以看出光熱發(fā)電站電站的作用可以概括為“填谷去峰”。對(duì)應(yīng)的光熱發(fā)電站儲(chǔ)/放熱以及發(fā)電曲線在圖6中給出，可以看到，借助儲(chǔ)熱裝置，一部分的光熱發(fā)電站能被平移到負(fù)荷高峰期，使系統(tǒng)的等效負(fù)荷曲線更為平滑[12]。

圖4 算例1的系統(tǒng)負(fù)荷和光照曲線

圖5 光伏發(fā)電站和光熱發(fā)電站接入系統(tǒng)的總負(fù)荷和發(fā)電曲線

圖6 光熱發(fā)電站儲(chǔ)/放熱和發(fā)電曲線

2）算例2：光熱發(fā)電站并網(wǎng)在傳輸線路利用方面的效益,首先，定義線路的利用率指標(biāo)為：

式中：f1,t和f1,max分別為線路t時(shí)刻的傳輸容量和極限傳輸容量[13]。

當(dāng)光熱發(fā)電站和風(fēng)電場(chǎng)同時(shí)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入時(shí)，若此時(shí)的極限傳輸容量為200 MW，且假設(shè)光熱發(fā)電站發(fā)電能夠完全消納。曲線變化很明顯的反映了光伏發(fā)電站和光熱發(fā)電站的線路上有功功率的變化。

從上圖可以看出，由于光伏發(fā)電站的不可調(diào)度性，其占用大量的輸電資源，直接導(dǎo)致棄風(fēng)量的上升。棄風(fēng)量由123.54 MW·h增加至387.53 MW·h，增加213.68%；而光熱發(fā)電站電站在將自身發(fā)電100%送出的基礎(chǔ)上，不僅減少了棄風(fēng)，還使線路利用率提高了10.58個(gè)百分點(diǎn)，有助于解決大規(guī)模風(fēng)電集中匯入線路利用率偏低的共性問題。算例2表明，光熱發(fā)電站發(fā)電的引入是提高線路利用率的有效方案[14]。

圖7 不同光熱發(fā)電站容量下線路的功率曲線

5 結(jié)束語

綜上所述由于太陽能光熱發(fā)電無污染，并采用常規(guī)汽輪機(jī)即可發(fā)電，加之目前太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可以引入熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定，避免了光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電難以解決的入網(wǎng)調(diào)峰問題，所以太陽能光熱發(fā)電必將作為新能源的新興產(chǎn)業(yè)迅速崛起，尤其槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)必將有廣闊的市場(chǎng)前景[15]。本文從光熱發(fā)電站的運(yùn)行機(jī)理出發(fā)，建立了其電網(wǎng)調(diào)度模型。并將該模型納入含網(wǎng)絡(luò)SCUC中，通過一些仿真算例檢驗(yàn)了所建模型的特性，初步分析了光熱發(fā)電站并網(wǎng)的潛在效益。算例表明：光熱發(fā)電站具有較好的可調(diào)度性，與同容量的光伏發(fā)電站相比，通過合理安排其出力，能夠有效降低系統(tǒng)的發(fā)電成本；光熱發(fā)電站和風(fēng)電打捆并網(wǎng)時(shí)，可利用光熱發(fā)電站的爬坡能力和備用，有效減少因風(fēng)電波動(dòng)和系統(tǒng)備用不足導(dǎo)致的棄風(fēng)；光熱發(fā)電站和風(fēng)電打捆并網(wǎng)時(shí)，可有效提高大規(guī)模風(fēng)電集中匯入外送線路的利用率?？傊鉄岚l(fā)電站發(fā)電具有在自身被完全消納的前提下為電網(wǎng)運(yùn)行帶來更多效益的優(yōu)良特性。雖然光熱發(fā)電站發(fā)電技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其發(fā)展還存在一些阻礙。光熱發(fā)電具有市場(chǎng)需求范圍廣，產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿艽蟮膬?yōu)勢(shì)。