黃冬梅,高 軒,孫錦中,胡安鐸
(1.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,上海 201306;2.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,上海 200090)
隨著能源危機的日益嚴(yán)重與生態(tài)環(huán)境的惡化,清潔能源發(fā)電蓬勃發(fā)展[1]。由于風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電具有隨機性和波動性的特點,新能源出力被迫下降,導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄電現(xiàn)象[2-4]。另一方面,大規(guī)模新能源并網(wǎng)在節(jié)約資源、保護環(huán)境的同時也對電力系統(tǒng)造成了極大的沖擊,嚴(yán)重增加了系統(tǒng)的運行成本。如何降低系統(tǒng)運行成本、減少新能源棄電量,已經(jīng)成為新能源發(fā)展必須要解決的技術(shù)問題[5]。
太陽能光熱電站CSP(concentrating solar power)技術(shù)越來越成熟[6],而且具有儲熱系統(tǒng)可極大提高出力的穩(wěn)定性和靈活性,擁有與常規(guī)機組可媲美的爬坡速度和調(diào)節(jié)能力,為降低系統(tǒng)運行成本、提高新能源利用率提供了技術(shù)途徑[7-9]。根據(jù)CSP的運行特性,在兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟性和穩(wěn)定性的同時,國內(nèi)外學(xué)者進一步研究利用CSP與其他新能源發(fā)電進行聯(lián)合調(diào)度。文獻[10]建立了風(fēng)電與CSP的日前調(diào)度雙層模型,并簡化為等效的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。文獻[11]在含網(wǎng)絡(luò)安全約束機組組合模型基礎(chǔ)上,建立了含儲熱CSP的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。文獻[12]根據(jù)儲熱CSP出力可控和調(diào)度性強的特點,構(gòu)建了風(fēng)-光-火虛擬電廠日前和實時兩階段優(yōu)化調(diào)度模型。文獻[13]以在技術(shù)操作約束下利潤最大化為目標(biāo),包括輸電線路相關(guān)約束,建立了風(fēng)電-CSP聯(lián)合系統(tǒng)的自調(diào)度混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。文獻[14]利用CSP可調(diào)度性強的特點,構(gòu)建了風(fēng)電-CSP聯(lián)合調(diào)度的自適應(yīng)魯棒優(yōu)化模型,降低了聯(lián)合發(fā)電功率的不確定性。文獻[15]為解決太陽能發(fā)電的不連續(xù)性,提出了一種CSP-PV(photovoltaic)混合發(fā)電模型,并利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了混合發(fā)電模型提供固定功率曲線的能力。
電加熱EH(electric heater)系統(tǒng)是一種將電能轉(zhuǎn)換為熱能的裝置,幾乎不產(chǎn)生能量損耗[16]。當(dāng)出現(xiàn)棄風(fēng)棄光時,可通過電加熱裝置將棄電量轉(zhuǎn)化為熱量并儲存在儲熱系統(tǒng)中[17]。根據(jù)電加熱系統(tǒng)的運行特性,國內(nèi)外學(xué)者研究了利用電加熱技術(shù)來降低系統(tǒng)運行成本,提高新能源利用率。文獻[18]利用蓄熱電鍋爐來提高風(fēng)電消納,并確定了配置最佳電鍋爐容量的方法。文獻[19]利用蒙特卡羅方法,建立了評價棄風(fēng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型,并提高了風(fēng)電利用率。
上述研究主要是單獨考慮CSP和EH系統(tǒng)參與新能源調(diào)度,很少考慮CSP和EH系統(tǒng)聯(lián)合運行對風(fēng)光消納的影響。本文基于CSP和EH裝置的運行特性,計及EH系統(tǒng)的投資成本,以系統(tǒng)綜合運行成本最小為優(yōu)化目標(biāo),構(gòu)建了CSP和EH系統(tǒng)聯(lián)合運行的風(fēng)光火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。該系統(tǒng)利用EH裝置實現(xiàn)能量向CSP儲熱系統(tǒng)的回流,在降低系統(tǒng)運行成本的同時能夠促進風(fēng)光消納,并提高了CSP的調(diào)度性。
CSP由光場SF(solar filed)、儲熱TES(thermal energy storage)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)3部分組成。光場通過定日鏡把太陽光反射到吸熱器表面,完成光能到熱能的轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生的熱量通過傳熱流體HTF(heat transfer fluid)一部分流入發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電,另一部分流入儲熱罐中。儲熱罐中熱量可隨時通過HTF流入發(fā)電系統(tǒng)使用。在CSP中,TES可將光場收集的熱量進行平移,使CSP具有一定的可調(diào)度性,CSP相比常規(guī)機組具有更好的可控性和調(diào)節(jié)能力,可實現(xiàn)汽輪機組的快速調(diào)節(jié)。CSP主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 CSP主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of CSP station
光場吸收的熱功率包括流向HTF的熱功率和棄熱功率兩部分。將HTF視為1個節(jié)點,HTF中能量損耗忽略不計。系統(tǒng)的熱功率平衡關(guān)系和CSP發(fā)電功率可描述為
儲熱系統(tǒng)的熱量來自光場和電加熱系統(tǒng)兩部分,電加熱系統(tǒng)的出力模型可表示為
式中:Peh,t、分別為t時刻的輸入電功率和輸出熱功率,MW;ηe為電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。
由于HTF流入TES中的熱量在儲熱和放熱的過程中都會存在能量損失,可以用儲放熱效率描述熱量損失,引入EH系統(tǒng)的儲熱系統(tǒng)儲放熱特性,即
本文主要為風(fēng)光火聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng),同時在系統(tǒng)中加入EH裝置,并與CSP聯(lián)合運行,以此進一步降低綜合運行成本,促進風(fēng)電與光伏消納。對于電網(wǎng)調(diào)度而言,CSP模型在簡化的基礎(chǔ)上應(yīng)該重點描述CSP內(nèi)部的能量傳遞和交換,忽略傳熱工質(zhì)及儲熱系統(tǒng)的熱量損失,聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可簡化為圖2所示。在風(fēng)光出力較大時,容易造成棄風(fēng)棄光,此時EH系統(tǒng)開始工作,產(chǎn)生的熱能儲存在CSP的儲熱系統(tǒng)中,擴大了CSP的熱源,增加了CSP的調(diào)度性和靈活性。當(dāng)風(fēng)光出力不能滿足系統(tǒng)負(fù)荷要求時,迅速增加常規(guī)機組出力,滿足系統(tǒng)功率平衡。在負(fù)荷劇烈波動及風(fēng)光出力預(yù)測偏差較大時,常規(guī)機組還可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定經(jīng)濟運行。
圖2 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)能流Fig.2 Energy flow in hybrid power generation system
本文以綜合運行成本最低來間接描述新能源棄電量最低,聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的綜合運行成本可描述為各機組運行成本與并網(wǎng)環(huán)境效益之差。運行成本包括常規(guī)機組發(fā)電成本、CSP和EH系統(tǒng)的運行維護成本及EH系統(tǒng)的投資成本。綜合運行成本F可表示為
式中:F為綜合運行成本,¥;F1為常規(guī)機組發(fā)電成本,¥;F2為EH裝置和CSP的運行維護成本,¥;F3為EH裝置的投資成本,¥;F4為新能源發(fā)電產(chǎn)生的并網(wǎng)環(huán)境效益,¥。
1)常規(guī)機組發(fā)電成本
常規(guī)機組的運行成本包括機組的運行費用和啟停費用,即
式中:C1為常規(guī)機組運行費用,¥;C2為常規(guī)機組啟停費用,¥;ai、bi、ci為機組i的運行成本系數(shù);Ui,t為t時刻機組i的運行狀態(tài),Ui,t=1表示開機狀態(tài),Ui,t=0表示停機狀態(tài);Si為機組i的啟停費用,¥。
2)運行維護成本
CSP和EH裝置在運行過程中會產(chǎn)生折舊費用和維護費用,因此引入運行維護成本F2,F(xiàn)2可表示為
式中,ηg、ηeh分別為CSP和EH裝置的運行維護成本系數(shù),¥/MW。
3)EH系統(tǒng)投資成本
本文對有/無EH系統(tǒng)的聯(lián)合系統(tǒng)運行成本進行對比。因此,引入EH系統(tǒng)的投資成本F3,F(xiàn)3可表示為
式中:AEH為EH系統(tǒng)折算成日投資成本的成本系數(shù),¥/MW;PEH為EH系統(tǒng)的額定容量,MW。
4)并網(wǎng)環(huán)境效益
傳統(tǒng)能源發(fā)電會產(chǎn)生大量有害物質(zhì),嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。新能源發(fā)電能夠有效減少化石能源消耗,降低能源危機,產(chǎn)生一定的環(huán)境效益F4。F4可表示為
式中,kw、kv、kG為新能源并網(wǎng)的環(huán)境效益系數(shù),¥/MW。
2.2.1 儲熱運行約束
儲熱系統(tǒng)可與新能源進行配套,能夠跟蹤計劃出力,優(yōu)化新能源電站出力。儲熱系統(tǒng)運行中需要滿足多種約束,且儲熱系統(tǒng)剩余熱量與上一時刻密切相關(guān)[20]。與此同時,為保證CSP持續(xù)運行,在調(diào)度周期內(nèi),系統(tǒng)需要保證儲熱系統(tǒng)始末熱量保持平衡[21]。
(1)儲放熱功率約束為
(2)儲熱、放熱不能同時進行約束。為了降低熱功率在充放過程中產(chǎn)生的熱量損耗,光熱集熱功率需要滿足在儲熱系統(tǒng)中儲熱、放熱不能同時進行的條件,即
(3)儲熱系統(tǒng)容量約束。儲熱系統(tǒng)在調(diào)度周期內(nèi)會有一定的熱量耗散,且剩余熱量與上一時刻密切相關(guān)。因此,相鄰時間段儲熱系統(tǒng)的熱量變化關(guān)系可以描述為
儲熱系統(tǒng)容量有上限約束,同時為保證系統(tǒng)連續(xù)運行,儲熱量還應(yīng)滿足下限約束,即
式中:Et為t時刻儲熱系統(tǒng)的熱量,MW·h;γ為儲熱系統(tǒng)的熱損耗系數(shù);Emax、Emin分別為儲熱系統(tǒng)儲熱量的上限、下限,MW·h。
(4)儲熱系統(tǒng)始末容量約束。為保證聯(lián)合系統(tǒng)下一個調(diào)度周期能夠正常進行,儲熱系統(tǒng)在調(diào)度周期末需留有一部分熱量,系統(tǒng)需要保證始末儲熱量保持不變,即
式中,E0、ET分別為儲熱系統(tǒng)的始、末儲熱量,MW·h。
2.2.2 系統(tǒng)運行約束
(1)功率平衡約束為
式中,PL,t為t時刻的負(fù)荷,MW。
(2)常規(guī)機組與光熱機組出力約束為
式中:Pi_max、Pi_min分別為各臺火電機組的最大、最小出力,MW;PG_max、PG_min分別為光熱機組的出力上限、下限,MW。
(3)正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用容量約束。大規(guī)模新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)運行帶來了巨大壓力,導(dǎo)致系統(tǒng)的不確定性增加,為了解決負(fù)荷突然增大或減小及風(fēng)光出力預(yù)測偏差等造成的系統(tǒng)調(diào)度困難的問題,應(yīng)該預(yù)留一定的備用容量,即
式中:Ru,i、Rd,i分別為各常規(guī)機組的最大上爬、下爬坡率,MW/h;Pc,t為風(fēng)電、光伏和負(fù)荷的預(yù)測誤差功率,MW;L、F、G為預(yù)測誤差率。
(4)常規(guī)機組與光熱機組爬坡約束為
式中,RuG、RdG分別為光熱機組的最大上爬、下爬坡能力,MW/h。
(5)電加熱約束為
本文所建立模型為混合整數(shù)規(guī)劃模型,使用具有遺傳特性的粒子群優(yōu)化PSOG(particle swarm optimization with genetics)算法求解模型,相比于標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法,引入變異和交叉操作,提高了算法的收斂速度和精度,同時提高了粒子群優(yōu)化PSO(particle swarm optimization)算法的優(yōu)化性能,抑制了優(yōu)化過程中可能出現(xiàn)的退化現(xiàn)象?;赑SOG算法的聯(lián)合調(diào)度流程如圖3所示。
圖3 PSOG算法流程Fig.3 Flow chart of PSOG algorithm
為驗證上述模型,本文構(gòu)建了1個火電裝機265 MW、風(fēng)電裝機200 MW、光伏裝機250 MW、光熱裝機100 MW、電加熱裝機40 MW的聯(lián)合系統(tǒng),并將EH系統(tǒng)接在CSP處。使用具有PSOG算法求解模型。
風(fēng)電、光伏和負(fù)荷的預(yù)測數(shù)據(jù)如圖4所示,CSP詳細數(shù)據(jù)如表1所示[22],火電機組詳細數(shù)據(jù)如表2所示[23]。EH系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率ηe=99%,環(huán)境效益系數(shù)[24]kw=kv=kG=230¥/MW,電加熱系統(tǒng)投資成本[25]折算成日成本為AEH=1 000¥/MW,取Ru,i=Rd,i、RuG=RdG、ηc=ηd。通過優(yōu)化算法求解模型,具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。對其進行建模分析,對比有/無電加熱系統(tǒng)的兩種優(yōu)化結(jié)果。
圖4 風(fēng)電、光伏及負(fù)荷的預(yù)測功率Fig.4 Forecasted power of wind,photovoltaic and load
表1 CSP參數(shù)Tab.1 Parameters of CSP station
表2 各火電機組參數(shù)Tab.2 Parameters of thermal power units
表3 優(yōu)化算法參數(shù)設(shè)置Tab.3 Parameter setting for optimization algorithm
利用文中所給的PSOG算法對模型進行仿真,連續(xù)運行50次得到綜合運行成本全局最小值的平均值。將其優(yōu)化結(jié)果和PSO算法的迭代結(jié)果進行對比,如圖5所示。從圖5可以看出,本文選用的求解算法進行仿真的收斂性能優(yōu)于PSO算法的收斂性能,可提前得到最優(yōu)運行成本,且具有較高的求解精度,以此證明本文算法在求解復(fù)雜模型方面的高效性和準(zhǔn)確性。由于系統(tǒng)綜合運行成本曲線在迭代過程中滿足嚴(yán)格單調(diào),故可認(rèn)為達到全局最優(yōu)。
圖5 兩種優(yōu)化算法的收斂效果對比Fig.5 Comparison of convergence effect between two optimization algorithms
場景1無EH系統(tǒng)的聯(lián)合運行優(yōu)化結(jié)果
由于火電機組具有最小出力約束和旋轉(zhuǎn)備用容量約束,CSP具有最小出力約束和儲熱系統(tǒng)始末容量相同約束,導(dǎo)致了大量的棄風(fēng)棄光,無EH系統(tǒng)時風(fēng)光出力如圖6所示。此時,調(diào)度周期內(nèi)總棄電量達到703.29 MW·h,風(fēng)電和光伏總滲透率為87.7%,風(fēng)光并網(wǎng)整體水平不高。
圖6 風(fēng)光預(yù)測功率及并網(wǎng)消納功率Fig.6 Forecasted power and grid-connected consumption power of wind and photovoltaic
由圖6可知,在1~6時段和20~24時段,風(fēng)電出力較大,但負(fù)荷需求較低,受到風(fēng)力發(fā)電反調(diào)峰特性的影響,造成嚴(yán)重棄風(fēng);在11~15時段,太陽輻射強,光伏出力較大,容易出現(xiàn)棄光現(xiàn)象。嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光還會增加系統(tǒng)的運行成本,無EH系統(tǒng)時,綜合調(diào)度成本為70.76×104¥。
場景2含EH系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度分析
EH系統(tǒng)與CSP協(xié)同運行,風(fēng)光出力得到了明顯提高,引入EH系統(tǒng)前后的風(fēng)光出力如圖7和圖8所示。此時總棄電量為77.7 MW·h,相比無EH參與時棄電量減少了625.59 MW·h。調(diào)度周期內(nèi)風(fēng)光總利用率達到了98.6%,EH系統(tǒng)效果顯著。
圖7 有/無EH時風(fēng)電出力對比Fig.7 Comparison of wind power output with and without EH
圖8 有/無EH時光伏出力對比Fig.8 Comparison of photovoltaic power output with and without EH
由圖7和圖8可知,未加入EH系統(tǒng)時,棄風(fēng)棄光電量不能轉(zhuǎn)化為熱能,會造成大量棄風(fēng)棄光,不能增加CSP的熱源;而加入EH系統(tǒng)后,可以將部分棄風(fēng)棄光轉(zhuǎn)換為熱能,儲熱容量增加。因此,引入EH系統(tǒng)后,儲熱容量可以達到更高的峰值,使CSP更具有可調(diào)度性。EH功率曲線如圖9所示。引入EH系統(tǒng)不僅能夠減少新能源棄電量,增加環(huán)境效益,還可以降低運行成本。
圖9 EH裝置出力曲線Fig.9 Output power curve of EH
含儲熱系統(tǒng)的CSP極大地提高了系統(tǒng)的可調(diào)度性。圖10為CSP的最優(yōu)出力曲線,風(fēng)光出力較大時CSP出力較小,系統(tǒng)進行儲熱;火電機組出力較大時光熱出力較大,系統(tǒng)進行放熱。CSP的儲熱系統(tǒng)儲熱、放熱功率曲線如圖11所示,在光熱出力低時進行儲熱,相反進行放熱。
圖10 CSP最優(yōu)出力調(diào)度曲線Fig.10 Optimal output scheduling curve of CSP station
圖11 儲熱系統(tǒng)各時刻儲熱、放熱功率Fig.11 Heat storage power and exothermic power of thermal energy storage system at different time
由圖11可見,在夜晚沒有光熱熱功率時仍有儲熱功率,這是由于EH裝置將部分棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)化成熱量儲存在儲熱系統(tǒng)中,為儲熱系統(tǒng)增加了熱源,進一步提高了CSP的可調(diào)度能力。儲熱系統(tǒng)在調(diào)度周期內(nèi)滿足儲熱量下限約束和始末熱量相同的條件,保證了CSP穩(wěn)定運行和下一個調(diào)度周期正常進行,儲熱系統(tǒng)各時刻熱量變化曲線如圖12所示。
圖12 儲熱系統(tǒng)各時刻熱量變化曲線Fig.12 Heat curve of thermal energy storage system at different time
綜合成本最低時,各火電機組的出力調(diào)度曲線如圖13所示。從圖13可以看出,煤耗成本小的機組出力大,而且在風(fēng)光出力較大時,火電機組均維持在最低出力水平,明顯降低了常規(guī)機組運行成本。
圖13 火電機組各時刻出力曲線Fig.13 Output curves of thermal power units at different time
由表4可知,無EH裝置參與時,雖然沒有EH系統(tǒng)的運維成本和投資成本,但降低了并網(wǎng)環(huán)境效益,系統(tǒng)綜合調(diào)度成本為70.76×104¥;引入40 MW EH裝置后,風(fēng)電和光伏利用率提升了10.9%,減少了火電機組的發(fā)電成本,增加了系統(tǒng)的環(huán)境效益,系統(tǒng)綜合調(diào)度成本為61.65×104¥,降低了9.11×104¥,減少了12.87%,經(jīng)濟性明顯提高。
表4 不同調(diào)度方式結(jié)果對比Tab.4 Comparison between results obtained using different scheduling methods
為驗證本文模型的有效性,采用不同容量的EH裝置進行驗證,得到各EH容量下綜合運行成本和消納百分比曲線如圖14所示。從圖14可以看出,隨著EH裝置容量增加,新能源消納率不斷提升,而系統(tǒng)的綜合成本先降低再增加,當(dāng)容量增加至40 MW時,綜合成本達到最低。EH裝置小于40 MW時,綜合運行成本降低是由于新能源棄電量逐漸減小,所帶來的收益超過EH裝置的折算投資成本,而當(dāng)容量增加至大于40 MW時,增加容量造成新能源的消納率提升緩慢,新能源的消納率接近100%,過剩的EH容量反而會增大綜合成本。因此,對于所考慮的風(fēng)光聯(lián)合系統(tǒng)及相應(yīng)的成本設(shè)定,40 MW的EH裝置容量是一個優(yōu)選配置方案。
圖14 綜合成本和消納百分比隨電加熱裝置容量變化曲線Fig.14 Curves of comprehensive cost and consumption percentage with changes in electric heater capacity
本文基于CSP和EH系統(tǒng)的運行特性,構(gòu)建了聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。通過算例分析得到如下結(jié)論。
(1)含CSP和EH系統(tǒng)聯(lián)合運行的調(diào)度模式,風(fēng)電和光伏利用率提升了10.9%,綜合運行成本降低了9.11×104¥,減少了12.87%。因此,引入電加熱系統(tǒng)能夠有效增加經(jīng)濟性,減少風(fēng)光棄電量。當(dāng)采用容量為40 MW的EH裝置時,綜合運行成本達到最低,此時風(fēng)光利用率接近100%。
(2)儲熱系統(tǒng)具有對能量進行雙向調(diào)節(jié)的能力,能對其進行時空平移。CSP因其具有儲熱系統(tǒng),具有較強的可調(diào)度性,可認(rèn)為能夠提供一定備用的電源。引入EH系統(tǒng)后,不僅能夠減少新能源棄電量,還可以擴大儲熱系統(tǒng)的熱量來源,進一步提高CSP的可調(diào)度能力。