基于模擬退火算法的風(fēng)-光熱打捆發(fā)電系統(tǒng)成本優(yōu)化

宋汶秦, 張文蓮, 呂金歷, 李錦鍵, 王興貴, 楊維滿

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

風(fēng)能和太陽能等新能源大量集中在我國西北地區(qū)[1].近年來,由于大量新能源發(fā)電并網(wǎng),造成電力系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定[2].風(fēng)電屬于間歇性能源,其運(yùn)行需要額外配備一定容量的儲(chǔ)能裝置[3],所以可直接令含有儲(chǔ)熱裝置(thermal storage system,TSS)的光熱電站(concentrating solar power,CSP)作為補(bǔ)償電源.這使得風(fēng)-光熱打捆發(fā)電系統(tǒng)(wind-CSP generation system,W-CSPGS)成為研究熱點(diǎn).W-CSPGS的優(yōu)勢在于,可利用TSS調(diào)整CSP電站的出力,進(jìn)而使W-CSPGS的輸出功率更加平滑[4].

目前,國內(nèi)對(duì)于W-CSPGS及其運(yùn)行特性已有大量的研究成果.曹喜民等[5]建立了風(fēng)-火電多電源優(yōu)化配置模型,并考慮該打捆系統(tǒng)的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性,最終確定了風(fēng)-火電打捆的最優(yōu)出力比例.張鵬等[6]提出了CSP發(fā)電與風(fēng)電互補(bǔ)的發(fā)電模式,通過利用風(fēng)電過剩電力加熱熔融鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱的手段,降低了棄風(fēng)率,從根本上解決了電網(wǎng)調(diào)峰和消納能力不足的問題.張宏等[7]以風(fēng)電-光熱-光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過模糊優(yōu)化,使該系統(tǒng)得到最大的并網(wǎng)效益,并且輸出功率波動(dòng)有所降低,最終提高了聯(lián)合系統(tǒng)的運(yùn)行效益.劉芳等[8]對(duì)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)電的不確定性進(jìn)行建模分析,解決了多能源的協(xié)調(diào)優(yōu)化及風(fēng)電的有效消納問題.但是,已有的文獻(xiàn)缺乏對(duì)打捆發(fā)電系統(tǒng)單位發(fā)電成本的建模及其優(yōu)化策略的研究.

本文以W-CSPGS為研究對(duì)象,建立其單位發(fā)電成本的數(shù)學(xué)模型,以打捆系統(tǒng)正常運(yùn)行為約束條件,采用模擬退火算法,提出一種單位發(fā)電成本最低的優(yōu)化控制策略.最后通過算例分析及仿真驗(yàn)證了該優(yōu)化控制策略的有效性.

1 風(fēng)-光熱打捆發(fā)電系統(tǒng)

1.1 打捆發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理

W-CSPGS的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光熱發(fā)電系統(tǒng)以及調(diào)度系統(tǒng)組成.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能,經(jīng)調(diào)度系統(tǒng)傳輸?shù)诫娏ο到y(tǒng).光熱發(fā)電系統(tǒng)中,經(jīng)蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電.調(diào)度系統(tǒng)用來接收風(fēng)電和光熱的預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)風(fēng)電和光熱出力,以滿足電網(wǎng)負(fù)荷實(shí)際需求,同時(shí)保證風(fēng)-光熱打捆發(fā)電平穩(wěn)外送.

圖1 風(fēng)光熱打捆發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 W-CSP generation system structure

1.2 打捆發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式

W-CSPGS發(fā)電模式是為了緩解風(fēng)力發(fā)電帶來的間歇性和波動(dòng)性,充分利用打捆系統(tǒng)的互補(bǔ)特性,通過功率協(xié)調(diào)控制,保證打捆系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行.W-CSPGS主要有4種工作模式[9].

1) 風(fēng)-儲(chǔ)發(fā)電模式

有風(fēng)無光照時(shí),首先保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以最大功率輸出,再利用CSP電站中TSS存儲(chǔ)的能量進(jìn)行發(fā)電,以滿足系統(tǒng)出力要求.

2) 光-儲(chǔ)發(fā)電摸式

無風(fēng)有光照時(shí),風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無法啟動(dòng).CSP電站充分利用太陽輻射能發(fā)電及TSS輔助發(fā)電,以滿足系統(tǒng)出力要求.

3) 風(fēng)-光-儲(chǔ)發(fā)電模式

有風(fēng)有光照時(shí),為保證系統(tǒng)出力要求,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用最大功率輸出,由CSP輔助發(fā)電,同時(shí)將用于發(fā)電之外的多余熱能存儲(chǔ).

4) 儲(chǔ)熱發(fā)電模式

無風(fēng)無光照時(shí),系統(tǒng)僅利用CSP系統(tǒng)中TSS存儲(chǔ)的能量進(jìn)行發(fā)電,以保證系統(tǒng)出力要求.

因此W-CSPGS運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)化控制方法可以分為以下幾個(gè)步驟：

(1) 調(diào)度系統(tǒng)接受風(fēng)電站和CSP電站的預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)和線路允許傳輸最大功率；

(2) 協(xié)調(diào)風(fēng)電和光熱出力,以滿足系統(tǒng)的出力要求；

(3) 構(gòu)建以W-CSPGS單位發(fā)電成本最低為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)風(fēng)電和光熱發(fā)電功率優(yōu)化后調(diào)節(jié)風(fēng)電和光熱出力；

(4) 協(xié)調(diào)控制風(fēng)電和光熱出力.

2 風(fēng)-光熱打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本優(yōu)化策略

通過對(duì)W-CSPGS的運(yùn)行機(jī)理和運(yùn)行模式的分析,建立打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本最低的優(yōu)化控制模型.模型可具體描述為：在互聯(lián)系統(tǒng)風(fēng)電裝機(jī)容量與CSP發(fā)電裝機(jī)容量一定,且系統(tǒng)并網(wǎng)線路允許傳輸功率一定的情況下,以完全消納風(fēng)電為基礎(chǔ),以互聯(lián)系統(tǒng)的單位發(fā)電成本最小為目標(biāo)函數(shù),以互聯(lián)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行為約束條件,用模擬退火算法優(yōu)化CSP發(fā)電的輸出功率.

2.1 風(fēng)-光熱打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本模型

2.1.1模型目標(biāo)函數(shù)

本模型以W-CSPGS單位發(fā)電成本最小為目標(biāo)函數(shù),具體如下：

(1)

式中:S為打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本；SCSP為CSP電站機(jī)組總投資成本;Swind為風(fēng)電機(jī)組總投資成本;Sm為系統(tǒng)運(yùn)維成本；E為打捆系統(tǒng)在研究尺度內(nèi)的總發(fā)電量.上述變量的具體計(jì)算方法為

(2)

(3)

(4)

2.1.2模型約束條件

本模型的約束條件主要包括風(fēng)電、CSP電站正常、安全運(yùn)行時(shí)的約束.

1) CSP電站出力約束為

(5)

2) 汽輪機(jī)組功率爬坡約束為

(6)

3) 儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量約束為

(7)

4) 儲(chǔ)熱系統(tǒng)不能同時(shí)充放熱約束為

(8)

5) 風(fēng)電場出力約束為

(9)

6) 線路最大傳輸功率約束為

(10)

2.2 風(fēng)-光熱打捆功率協(xié)調(diào)控制優(yōu)化算法

本文所提出的優(yōu)化模型是含有多約束條件的非線性模型.模擬退火算法(simulated annealing,SA)對(duì)初始值沒有很強(qiáng)的依賴性以及廣闊的搜尋空間,因此被廣泛地應(yīng)用于含有多約束的非線性模型中.

SA算法可以通過緩慢降低固體溫度使固體內(nèi)部的能量最低,同時(shí)獲得內(nèi)部粒子的最優(yōu)狀態(tài).該算法之所以能夠跳出局部最小,是因?yàn)樗谛陆饨邮軙r(shí),采用Metropolis重要性采樣.Metropolis重要性采樣可以表示為

(11)

式中：p為新解被接受的概率；ΔE為系統(tǒng)能量之差,即ΔE=ETi-ETi-1.

SA算法的基本步驟如下：

(1) 給定粒子開始退火的初始溫度,即令T=T0.同時(shí)隨機(jī)選定粒子的初始位置X0,并計(jì)算該狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的能量ET0；

(2) 令T等于冷卻溫度表中的下一個(gè)值Ti；

(3) 對(duì)該溫度下的粒子位置進(jìn)行隨機(jī)擾動(dòng),得到一個(gè)新的位置Xi,并計(jì)算該狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的能量;

(4) 若ΔE<0,則該新的位置狀態(tài)就作為當(dāng)前最優(yōu)的位置狀態(tài),即當(dāng)前最優(yōu)解；若ΔE>0,則新的位置狀態(tài)Xi按照式(11)的概率被接受為當(dāng)前最優(yōu)解;

(5) 在當(dāng)前溫度Ti下,重復(fù)執(zhí)行步驟(3,4);

(6) 判斷T是否達(dá)到終止溫度Tf,是,則結(jié)束算法；否,則轉(zhuǎn)至步驟(2),繼續(xù)執(zhí)行.

綜上所述,本文提出的打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本最低優(yōu)化控制策略流程圖如圖2所示.

圖2 單位發(fā)電成本優(yōu)化控制流程框圖Fig.2 Block diagram of optimal control flow for unit power generation cost

3 算例分析

選取我國西北某地區(qū)的風(fēng)電場與CSP電站組成W-CSPGS,在線路允許最大負(fù)荷條件下,保證完全消納風(fēng)電,CSP電站用于補(bǔ)償風(fēng)電出力.通過對(duì)比使用所提的優(yōu)化控制策略前后打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本,驗(yàn)證了其可行性與有效性.

3.1 仿真模型參數(shù)

仿真參數(shù)為：風(fēng)電場機(jī)組單位投資成本為800 萬元/MW[10],根據(jù)國際能源署所給數(shù)據(jù),CSP電站機(jī)組單位投資成本為2 270萬元/MW；風(fēng)電場運(yùn)維成本系數(shù)為0.5 元/kW·h[11],參照美國SEGS的數(shù)據(jù),CSP電站運(yùn)維成本系數(shù)為0.26 元/kW·h；并網(wǎng)線路最大允許輸送功率為150 MW,風(fēng)電場總裝機(jī)容量為200 MW,CSP電站總裝機(jī)容量為100 MW.CSP電站主要參數(shù)見表1[12].

表1 100 MW CSP電站主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of 100 MW CSP power station

模擬退火算法中的初始化參數(shù)選取為：初始溫度T0=200,終止溫度Tf=1,最大迭代次數(shù)為50次,降溫系數(shù)為0.98.

3.2 仿真結(jié)果及分析

優(yōu)化前后W-CSPGS系統(tǒng)出力曲線如圖3所示,可以看出,在線路允許最大負(fù)荷及完全消納風(fēng)電的前提下,W-CSPGS的總出力在優(yōu)化前后沒有明顯差別.但可以明顯看出,CSP電站出力受到了優(yōu)化控制策略的調(diào)整.優(yōu)化前后的W-CSPGS單位發(fā)電成本見表2.

圖3 W-CSPGS出力曲線Fig.3 The output curve of the W-CSPGS

表2 優(yōu)化前與優(yōu)化后結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of results before and after optimization

表2中的數(shù)據(jù)反映出,優(yōu)化后的打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本同優(yōu)化前相比,降低9%.證明了本文針對(duì)W-CSPGS提出的優(yōu)化控制策略可以在設(shè)定條件下,有效地降低打捆系統(tǒng)的單位發(fā)電成本.

通過算例分析可以得出結(jié)論,本文所提出的W-CSPGS單位發(fā)電成本優(yōu)化控制策略是正確且有效的,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能.

4 結(jié)論

為降低新能源互聯(lián)系統(tǒng)的單位發(fā)電成本,且充分發(fā)揮風(fēng)電與CSP發(fā)電之間的互補(bǔ)性,本文提出一種W-CSPGS單位發(fā)電成本優(yōu)化控制策略.該優(yōu)化策略以打捆系統(tǒng)單位發(fā)電成本最低為目標(biāo),采用模擬退火算法優(yōu)化CSP電站的輸出功率,理論分析與仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：本文所提出的W-CPSGS單位發(fā)電成本優(yōu)化控制策略,可以使調(diào)度系統(tǒng)更加合理地調(diào)節(jié)各發(fā)電單元的輸出功率,從而降低發(fā)電成本,提高打捆發(fā)電系統(tǒng)的收益.