陟晶， 張高航， 邵沖， 丁坤

(1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2. 可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)教育部工程研究中心(新疆大學(xué))，新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊 830047)

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，大規(guī)模新能源并網(wǎng)成為必然趨勢(shì)。然而風(fēng)電等新能源發(fā)電固有的隨機(jī)波動(dòng)性導(dǎo)致靈活性需求劇增，消納難度大[1—3]。光熱發(fā)電作為除光伏發(fā)電外另一種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，擁有良好的可控性和調(diào)節(jié)特性，未來將發(fā)揮支撐高比例可再生能源并網(wǎng)的重要作用[4—6]。

含儲(chǔ)熱的光熱電站能將接收到的太陽(yáng)能以熱能形式儲(chǔ)存起來，實(shí)現(xiàn)出力靈活可控，使得大規(guī)模光熱發(fā)電并網(wǎng)成為可能。2025年全球光熱發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到22 GW，2050年光熱發(fā)電將滿足全球11.3%的電量需求[7]。我國(guó)也將逐步在甘肅、青海等地區(qū)發(fā)展集中式光熱發(fā)電，2030年光熱發(fā)電裝機(jī)容量可達(dá)30 GW[8]。為保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，須合理調(diào)度光熱電站出力，發(fā)揮其良好的調(diào)節(jié)特性。

目前針對(duì)光熱電站的調(diào)度問題已進(jìn)行大量研究，主要分為兩方面。一方面，聯(lián)合調(diào)度光熱與風(fēng)電以改善聯(lián)合系統(tǒng)出力的隨機(jī)波動(dòng)性。文獻(xiàn)[9—12]建立風(fēng)電-光熱聯(lián)合調(diào)度模型，降低了風(fēng)電不確定性的影響。文獻(xiàn)[13—14]在聯(lián)合系統(tǒng)中加入電加熱子系統(tǒng)，將棄風(fēng)轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存起來，降低棄風(fēng)電量。文獻(xiàn)[15]通過仿真驗(yàn)證了光熱電站對(duì)高比例間歇性能源并網(wǎng)的支撐作用。另一方面，光熱參與電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度以提升系統(tǒng)運(yùn)行靈活性和經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[16]建立了一種含光熱電站的電網(wǎng)調(diào)度模型，但未考慮電加熱的影響。文獻(xiàn)[17—18]在調(diào)度模型中考慮了系統(tǒng)綜合成本以獲得最佳運(yùn)行效益，但僅考慮了火電機(jī)組提供備用容量，未考慮利用光熱電站提供備用容量。文獻(xiàn)[19—21]從經(jīng)濟(jì)性的角度探究了光熱電站可調(diào)度性帶來的經(jīng)濟(jì)效益。這些研究考慮了光熱電站與風(fēng)電聯(lián)合或直接參與電網(wǎng)調(diào)度，但未考慮配置儲(chǔ)熱和電加熱的光熱電站參與電力系統(tǒng)調(diào)度及提供備用的能力。

綜上，文中提出一種含大規(guī)模風(fēng)電及光熱電站的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法。首先分析光熱電站運(yùn)行機(jī)理，建立配置儲(chǔ)熱和電加熱的光熱電站調(diào)度運(yùn)行模型；然后考慮火電機(jī)組、光熱電站及電加熱共同提供備用、系統(tǒng)安全運(yùn)行約束等因素，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)，建立優(yōu)化調(diào)度模型；最后通過IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例仿真驗(yàn)證該方法的有效性。

1 光熱電站調(diào)度運(yùn)行模型

光熱電站由光場(chǎng)、儲(chǔ)熱和發(fā)電部分組成[22]，通過熱力循環(huán)將3個(gè)部分聯(lián)系起來，如圖1所示。

圖1 光熱電站的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of CSP

在光場(chǎng)中，集熱裝置將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過傳熱流體將熱能傳遞到發(fā)電部分，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電，同時(shí)可將部分熱能儲(chǔ)存至儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在需要時(shí)將熱能釋放到熱力循環(huán)系統(tǒng)。電加熱裝置能夠?qū)⒏辉５娘L(fēng)、光等新能源轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存至儲(chǔ)熱系統(tǒng)，拓寬光熱電站的出力范圍，消納一定的棄風(fēng)電量[23]。

圖1中，光熱電站將接收到的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，配合儲(chǔ)熱系統(tǒng)和電加熱裝置能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)熱功率的儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化，進(jìn)而通過熱電功率耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)電出力的靈活調(diào)度，系統(tǒng)熱力運(yùn)行約束具體如下。

(1) 熱力平衡約束。

(1)

(2) 光熱電站熱功率約束。

(2)

(3)

(3) 儲(chǔ)熱裝置熱量平衡約束。

(4)

(4) 儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱容量約束。

(5)

(5) 儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)、放熱功率約束。

(6)

(6) 電加熱功率上下限。

(7)

(8)

(7) 光熱電站電出力約束。

(9)

(10)

(8) 最小運(yùn)行/停運(yùn)時(shí)間約束。

(11)

(12)

(9) 運(yùn)行狀態(tài)約束。

(13)

(10) 爬坡約束。

(14)

(15)

光熱電站通過汽輪機(jī)組發(fā)電，具有良好的快速調(diào)節(jié)能力，故具備與常規(guī)汽輪機(jī)組類似的發(fā)電運(yùn)行約束，即式(9)—式(15)。因此光熱電站電出力限值及爬坡能力等運(yùn)行特性由系統(tǒng)熱功率(由式(1)—式(8)決定)和汽輪機(jī)組運(yùn)行特性(由式(9)—式(15)決定)共同約束。

2 含光熱電站的電力系統(tǒng)調(diào)度模型

文中綜合考慮火電機(jī)組運(yùn)行約束、光熱電站運(yùn)行約束、功率平衡約束、備用容量約束等約束條件，充分利用含儲(chǔ)熱及電加熱的光熱電站的日前調(diào)度運(yùn)行靈活性提升系統(tǒng)風(fēng)電消納能力和經(jīng)濟(jì)性，提供備用容量的調(diào)節(jié)靈活性應(yīng)對(duì)新能源的波動(dòng)性和隨機(jī)性，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化調(diào)度模型。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)即系統(tǒng)運(yùn)行成本由三部分組成，第一部分F1為火電機(jī)組發(fā)電成本，包括機(jī)組的燃料成本和啟停成本；第二部分F2為光熱發(fā)電和風(fēng)電的運(yùn)維成本；第三部分F3為棄風(fēng)懲罰成本。

(16)

2.2 約束條件

2.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行約束

(1) 功率平衡約束。

(17)

式中：Pload,b,t為系統(tǒng)負(fù)荷功率；Nb為負(fù)荷數(shù)量。

(2) 備用容量約束。

(18)

(19)

(3) 線路潮流約束。

(20)

(4) 風(fēng)電出力約束。

0≤Pw,j,t≤Wj,t

(21)

2.2.2 火電機(jī)組運(yùn)行約束

(1) 火電機(jī)組出力約束。

(22)

(2) 火電機(jī)組最小運(yùn)行/停機(jī)時(shí)間約束。

(23)

(24)

(3) 火電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)約束。

(25)

(4) 火電機(jī)組爬坡約束[24]。

(26)

(27)

(5) 火電機(jī)組備用容量約束。

(28)

(29)

2.2.3 光熱電站備用容量約束

光熱電站的發(fā)電機(jī)組及電加熱具有良好的調(diào)節(jié)特性和可調(diào)度性，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供備用容量以響應(yīng)可再生能源出力的隨機(jī)波動(dòng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，如式(30)—式(33)所示。

(1) 光熱電站的發(fā)電機(jī)組備用容量約束。

(30)

(31)

(2) 電加熱備用容量約束。

(32)

(33)

3 IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)算例分析

文中采用改進(jìn)的IEEE 39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)對(duì)所構(gòu)建的調(diào)度模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真系統(tǒng)包含10臺(tái)火電機(jī)組，火電機(jī)組容量、爬坡速率等運(yùn)行參數(shù)見文獻(xiàn)[25]，光熱電站運(yùn)行參數(shù)及運(yùn)維成本詳見文獻(xiàn)[10,18]。系統(tǒng)負(fù)荷、風(fēng)電和光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線如圖2、圖3所示。文中在Matlab中基于Yalmip工具箱調(diào)用優(yōu)化軟件CPLEX對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

圖2 系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線Fig.2 Load forecast curve of system

圖3 風(fēng)電功率和光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線Fig.3 Forecast curves of wind power and solar irradiation

3.1 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證光熱電站配置儲(chǔ)熱和電加熱對(duì)風(fēng)電消納及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響(不考慮光熱電站提供備用容量)，設(shè)置以下3種情形：系統(tǒng)接入光熱電站但不配置儲(chǔ)熱(情形1)，系統(tǒng)接入光熱電站并配置儲(chǔ)熱(情形2)和系統(tǒng)接入光熱電站并配置儲(chǔ)熱和電加熱(情形3)。調(diào)度結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 不同運(yùn)行情形下系統(tǒng)成本Table 1 System cost under different operating scenarios 美元

圖4 不同運(yùn)行情形下風(fēng)電計(jì)劃出力Fig.4 Scheduled wind power under different operation conditions

由表1和圖4可知，情形2的系統(tǒng)運(yùn)行成本相比情形1降低了0.7%，經(jīng)濟(jì)性得到提升，且棄風(fēng)電量明顯減少，這是由于情形1中光熱電站出力受制于光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱，可調(diào)度性差，而情形2中配置儲(chǔ)熱后，光熱電站具有了良好的可調(diào)控性，在負(fù)荷需求小而風(fēng)電出力大時(shí)段將部分太陽(yáng)能以熱能的形式儲(chǔ)存起來，在負(fù)荷需求較大而風(fēng)電出力和光照強(qiáng)度較小時(shí)，將存儲(chǔ)的熱能釋放進(jìn)行發(fā)電，系統(tǒng)運(yùn)行靈活性增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)風(fēng)電消納能力和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。相比于情形1和情形2，情形3的棄風(fēng)懲罰成本明顯降低，這是由于電加熱裝置能夠?qū)⒉糠謼夛L(fēng)轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存起來，對(duì)棄風(fēng)進(jìn)行時(shí)間遷移，提升了系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)的風(fēng)電消納能力，且系統(tǒng)運(yùn)行成本隨著棄風(fēng)的減少而降低。

圖5為不同情形下系統(tǒng)的等效負(fù)荷曲線，引入配置儲(chǔ)熱和電加熱的光熱電站后系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線的峰谷差相比情形1和情形2分別減少了27.4%和15.9%，由此可知配置儲(chǔ)熱和電加熱的光熱電站能夠起到一定的“削峰填谷”作用，使得系統(tǒng)等效曲線更為平滑。

圖5 不同運(yùn)行情形下系統(tǒng)等效負(fù)荷曲線Fig.5 Equivalent load curve of system under different operation conditions

圖6為情形3中光熱電站的有功出力和儲(chǔ)、放熱功率曲線。由圖可知，01:00—06:00，負(fù)荷較小而風(fēng)電功率較大，此時(shí)光熱電站處于停機(jī)狀態(tài)，電加熱將部分棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)化成熱能儲(chǔ)存起來；07:00—11:00，負(fù)荷逐漸增加而風(fēng)電功率較小，此時(shí)光照強(qiáng)度也逐漸增強(qiáng)，光熱電站綜合利用接收到的太陽(yáng)能和儲(chǔ)熱裝置中的熱量增加光熱電站有功出力，承擔(dān)部分負(fù)荷；12:00—18:00，風(fēng)電出力和光照強(qiáng)度均較大，光熱電站的儲(chǔ)熱裝置處于儲(chǔ)熱工作狀態(tài)，送入系統(tǒng)的有功出力逐漸降低，避免擠占風(fēng)電出力空間導(dǎo)致棄風(fēng)。18:00后，風(fēng)電呈現(xiàn)反調(diào)峰特性，光熱電站利用儲(chǔ)熱裝置中的熱量發(fā)電，輸出并網(wǎng)友好性更好的高價(jià)值電能，能夠降低機(jī)組運(yùn)行煤耗并緩解風(fēng)電反調(diào)峰帶來的調(diào)節(jié)壓力，提升系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此，通過光熱電站中儲(chǔ)熱和電加熱的協(xié)調(diào)配合，能夠有效提升光熱電站的靈活調(diào)節(jié)能力，削減風(fēng)電反調(diào)峰帶來的影響，消納更多風(fēng)電。

圖6 光伏電站有功出力和儲(chǔ)、放熱曲線Fig.6 Generation and thermal storage/release curves of CSP plant

3.2 儲(chǔ)熱容量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響

為對(duì)比分析光熱電站儲(chǔ)熱容量對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響，設(shè)置儲(chǔ)熱裝置的滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)在[0,14]內(nèi)變化，相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行成本如圖7所示。

圖7 不同儲(chǔ)熱容量下的系統(tǒng)運(yùn)行成本Fig.7 System operation cost under different heat storage capacity

隨著光熱電站配置的儲(chǔ)熱容量增加，系統(tǒng)的運(yùn)行成本逐漸降低并趨于穩(wěn)定。光熱電站能夠利用儲(chǔ)熱裝置將接收到的能量?jī)?chǔ)存起來，轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段使用以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。隨著儲(chǔ)熱容量的增加，光熱電站能夠?qū)⒏嗟奶?yáng)能儲(chǔ)存起來，在需要時(shí)轉(zhuǎn)換成更靈活的電能替代常規(guī)機(jī)組出力，提高調(diào)度周期內(nèi)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和風(fēng)電消納能力，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。儲(chǔ)熱裝置滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)達(dá)到12 h后繼續(xù)增加，則系統(tǒng)運(yùn)行成本沒有進(jìn)一步降低，是由于受到光照資源的約束，光熱電站調(diào)節(jié)能力達(dá)到飽和，增加的儲(chǔ)熱容量并未被利用，不能繼續(xù)提升系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.3 不同備用容量供給方式下系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果

為對(duì)比分析不同備用容量供給方式對(duì)系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的影響，光熱電站配置儲(chǔ)熱和電加熱裝置，設(shè)置以下3種方案：(1) 僅由火電機(jī)組提供備用容量(方案1)；(2) 由火電機(jī)組和光熱電站提供備用容量(方案2)；(3) 由火電機(jī)組、光熱電站和電加熱共同提供備用容量(方案3)。

調(diào)度結(jié)果如表2所示，系統(tǒng)運(yùn)行成本隨著備用容量供給來源的增加呈下降趨勢(shì)。在方案1中，僅由火電機(jī)組提供備用容量使得系統(tǒng)備用成本較高，火電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性也相對(duì)較差；方案2增加光熱電站參與提供備用容量，系統(tǒng)運(yùn)行和備用成本分別降低了3.5%和29.7%；方案3采用火電機(jī)組、光熱電站和電加熱共同提供備用容量，使得火電機(jī)組出力降低，煤耗減小，且系統(tǒng)運(yùn)行成本和備用成本最小，能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性并提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

表2 不同運(yùn)行方案下系統(tǒng)成本Table 2 System cost under different operating methods 美元

4 結(jié)論

文中在詳細(xì)考慮光熱電站運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上，提出一種含大規(guī)模風(fēng)電及光熱電站的電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并通過算例分析驗(yàn)證了該方法的有效性，得到如下結(jié)論：

(1) 光熱電站能夠利用儲(chǔ)熱和電加熱實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)發(fā)電出力，具有良好的調(diào)度可控性，通過與火電機(jī)組的協(xié)調(diào)優(yōu)化能夠在保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上消納更多風(fēng)電及降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

(2) 隨著儲(chǔ)熱容量增加，系統(tǒng)的運(yùn)行成本逐漸降低并趨于穩(wěn)定，故合理的儲(chǔ)熱容量能夠提升光熱電站運(yùn)行靈活性和系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，避免不必要的投資成本。

(3) 充分利用光熱電站和電加熱的備用容量供給能力，能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性并提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。