光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

袁同生

【摘 要】太陽能能源基地建設(shè)正在從單一光伏發(fā)電向光伏光熱等多種太陽能能源利用形式方向發(fā)展。借助光熱電站的大容量?jī)?chǔ)熱裝置和具備快速爬坡速率的汽輪機(jī)組，光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的并網(wǎng)運(yùn)行的可調(diào)度性和可控性大大提升。從光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的運(yùn)行機(jī)理出發(fā)，建立了基于改進(jìn)粒子群算法的光伏光熱兩階段優(yōu)化調(diào)度模型，第一階段以削減等效負(fù)荷峰谷差、改善負(fù)荷曲線為優(yōu)化目標(biāo)，第二階段以發(fā)電總成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。該模型滿足光伏光熱電站的主要運(yùn)行約束和傳統(tǒng)機(jī)組組合安全約束，適用于光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行。對(duì)10機(jī)系統(tǒng)的仿真表明，在完全接納太陽能發(fā)電的前提下，光伏光熱發(fā)電基地在削減等效峰谷差、提高新能源消納和降低發(fā)電總煤耗效益顯著，同時(shí)對(duì)于光熱電站的靈敏度分析表明，在規(guī)劃建設(shè)光熱電站時(shí)可根據(jù)單位峰谷差削減量以及建設(shè)成本來選擇合適的裝機(jī)容量和儲(chǔ)熱裝置容量。

【關(guān)鍵詞】光伏;光熱;改進(jìn)粒子群;峰谷差;機(jī)組組合;靈敏度分析

引言

隨著人類社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)能源的快速消耗問題成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。據(jù)估計(jì)至2035年，世界能源消耗量將增加35%。同時(shí)，隨著傳統(tǒng)化石能源的開采與使用的規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，化石能源所產(chǎn)生的各種有害物質(zhì)也在不斷破壞生態(tài)環(huán)境。因此解決環(huán)境保護(hù)問題和可持續(xù)發(fā)展問題愈加迫切，人們需要開發(fā)新的能源解決這些問題。在目前的新能源中，太陽能作為一種清潔、高效且永不枯竭的可再生能源，一直是關(guān)注的焦點(diǎn)，同時(shí)研究太陽能的利用也符合我國(guó)太陽能資源豐富與分布廣泛的特有國(guó)情。太陽能的利用方法主要包括太陽能光伏技術(shù)與太陽能光熱技術(shù)。太陽能光伏技術(shù)是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)，將光子轉(zhuǎn)換為電子，使太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。而太陽能光熱技術(shù)則是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能進(jìn)行利用。目前常用硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度升高而降低，電池溫度每升高1K就會(huì)導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低0.5%。同時(shí)太陽電池也會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期在高溫條件下工作而導(dǎo)致其老化縮短使用年限。因此若在太陽能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，使集熱組件中的冷卻介質(zhì)將電池的熱量帶走并利用起來，既提高了電池光電轉(zhuǎn)換效率也可以得到熱能，此時(shí)可以同時(shí)達(dá)到光伏光熱利用效果。光伏光熱系統(tǒng)因其特性受到人們重視，但是由于各種原因，在實(shí)際情況中光伏光熱系統(tǒng)的效果尚未達(dá)到令人滿意的效果。主要是因?yàn)楣怆娦势毡樘幱谝粋€(gè)較低的水平，或是光伏光熱整體利用效果不佳。因此到目前為止，已經(jīng)有很多研究者對(duì)光伏光熱系統(tǒng)的效率提高進(jìn)行了研究。本文針對(duì)太陽能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析，并對(duì)效率提高的辦法進(jìn)行了總結(jié)，按照研究的位置不同進(jìn)行了分類。

1基本概念

光伏光熱系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件與光熱組件組成，由光伏板吸收太陽輻射能量并將其轉(zhuǎn)換為電能與熱能，再由光伏板下的冷卻介質(zhì)帶走熱量，實(shí)現(xiàn)電能與熱能的同時(shí)利用。光伏光熱系統(tǒng)類型較多，按照電池種類可以分為晶硅電池光伏光熱系統(tǒng)、非晶硅太陽能光伏光熱系統(tǒng)等;按照冷卻介質(zhì)可以分為光伏/熱水綜合利用技術(shù)，光伏/熱空氣綜合利用技術(shù)，光伏/熱泵綜合利用技術(shù)等;對(duì)于使用晶硅太陽電池的光伏光熱系統(tǒng)，按照集熱器結(jié)構(gòu)可分為管翅式、管板式、扁盒式等。圖1所示為典型管板式光伏光熱系統(tǒng)，主要由集熱器、冷卻介質(zhì)與太陽能電池三大部分組成，其中集熱器由玻璃蓋板、吸熱板與流道組成。

2光伏電站運(yùn)行機(jī)理

當(dāng)前，中國(guó)的并網(wǎng)光伏發(fā)電呈現(xiàn)著“分散開發(fā)、低壓就地接入”與“大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”的兩種主要發(fā)展趨勢(shì)，建設(shè)大型并網(wǎng)光伏電站是集中利用太陽能的重要方式。相比離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網(wǎng)光伏電站可以略去蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，基于最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率的提升;相比小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，大型并網(wǎng)光伏電站可以集中利用太陽能，通過采用逆變器并聯(lián)、集中管理和運(yùn)行控制技術(shù)，可在不同運(yùn)行場(chǎng)景下充分利用太陽能的時(shí)間特性和儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)電力系統(tǒng)起到削峰、無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。UmPm大型并網(wǎng)光伏電站一般有多個(gè)基本單元構(gòu)成，如圖2所示，每個(gè)單元基本容量為0.3～1.0 MW。多塊太陽能電池板經(jīng)過串、并聯(lián)組合構(gòu)成光伏陣列，實(shí)施光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的直流電通過防逆二極管連接至逆變器直流母線上。運(yùn)行過程中，通過MPPT跟蹤控制策略確定運(yùn)行的最大功率點(diǎn)電壓和功率。再輔以逆變器和必要的濾波環(huán)節(jié)，通過PQ控制策略及SPWM調(diào)制環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，將直流電轉(zhuǎn)換為滿足電能質(zhì)量要求的交流電，經(jīng)變壓器升壓后并網(wǎng)。

3光伏-光熱優(yōu)化調(diào)度模型

本文基于兩階段優(yōu)化的思路，從光伏光熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理入手，以削減等效負(fù)荷峰谷差和最大化并網(wǎng)效益為目標(biāo)建立基于光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的并網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型。

3.1第一階段優(yōu)化

大型光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)運(yùn)行后，由于光熱電站配備了大容量的儲(chǔ)熱裝置以及具備快速爬坡能力的汽輪機(jī)組，該系統(tǒng)對(duì)于電網(wǎng)而言具備了調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰谷差、改善負(fù)荷曲線、增強(qiáng)電力系統(tǒng)靈活運(yùn)行的作用。因此，在第一階段優(yōu)化過程中，以削減系統(tǒng)負(fù)荷峰谷差為目標(biāo)，應(yīng)用粒子群優(yōu)化算法，建立光伏光熱電站的調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)度模型，為第二階段的機(jī)組組合和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配提供等效負(fù)荷數(shù)據(jù)。

3.2第二階段優(yōu)化

第二階段的火電機(jī)組優(yōu)化調(diào)度在第一階段優(yōu)化后的等效負(fù)荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行。優(yōu)化目標(biāo)是在調(diào)度周期內(nèi)和一定約束條件下，合理安排機(jī)組啟停和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配，使得總發(fā)電成本最低

4存在問題

PV/T系統(tǒng)目前存在的主要問題之一就是效率不高，主要是光電效率不高，而系統(tǒng)各部分組件均存在一定的問題，進(jìn)而導(dǎo)致效率不高。因此本文近年來針對(duì)PV/T系統(tǒng)效率提高的方法進(jìn)行了總結(jié)，按照問題所在部位對(duì)其進(jìn)行分類，主要包括集熱器、冷卻介質(zhì)與光伏電池的改進(jìn)方法。

集熱器上的問題是較為顯著的。光伏板的冷卻主要依靠集熱器的冷卻結(jié)構(gòu)，因此集熱器對(duì)光伏板效率影響也較為明顯。主要問題包括：

4.1光伏板與集熱器連接處熱阻較大。由于光伏板本身材質(zhì)較脆，需要用背板加以固定以防止被破壞，因此光伏板與集熱器的冷卻結(jié)構(gòu)一般為間接接觸。這樣就提高了二者間的熱阻，影響散熱。

4.2集熱器中各種參數(shù)有待優(yōu)化完善。因?yàn)榧療崞髋c系統(tǒng)光電光熱效率息息相關(guān)，其中的各種參數(shù)也對(duì)系統(tǒng)性能有一定的影響，需要針對(duì)集熱器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行研究，調(diào)整合適的參數(shù)以便達(dá)到更高效率。

4.3冷卻結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。光伏板的溫度若能維持在一個(gè)較低水平則會(huì)有更好的效果?，F(xiàn)有的冷卻結(jié)構(gòu)往往由于本身結(jié)構(gòu)原因使其冷卻效果不能達(dá)到理想效果。

4.4其他影響集熱器性能的因素有待研究改進(jìn)。集熱器上光伏板覆蓋率、玻璃蓋板等對(duì)光伏板效率與熱效率影響同樣很大，因此同樣需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。冷卻介質(zhì)也與冷卻效果和集熱效果有著直接影響。冷卻介質(zhì)存在的主要問題就是選用哪種介質(zhì)對(duì)光伏板的冷卻效果最佳，對(duì)光伏板的溫度控制效果更好。

結(jié)語

本文從光伏電站和光熱電站的運(yùn)行機(jī)理入手，建立了光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地并網(wǎng)的兩階段優(yōu)化調(diào)度模型，并通過10機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，分析了聯(lián)合發(fā)電基地的并網(wǎng)效益。結(jié)果表明：（1）光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地在最大化利用太陽能資源的基礎(chǔ)上，可以利用光熱電站的特性，改善負(fù)荷曲線，降低等效負(fù)荷的峰荷和峰谷差;（2）由于光伏光熱電站的引入，在提高太陽能資源利用效率的同時(shí)，機(jī)組的發(fā)電總煤耗和開機(jī)時(shí)段均有一定的減少，削減了系統(tǒng)運(yùn)行成本;（3）在一定的運(yùn)行條件下，對(duì)光熱電站機(jī)組裝機(jī)容量和儲(chǔ)熱裝置容量的適當(dāng)提升有助于提高峰谷差削減量和降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，但是在規(guī)劃過程中，還應(yīng)該結(jié)合建設(shè)成本進(jìn)行成本效益分析，選擇合適的裝機(jī)容量進(jìn)行建設(shè)。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)山西省電力公司大同供電公司）