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

陟晶， 張高航， 邵沖， 丁坤

(1. 國網(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。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]。

含儲熱的光熱電站能將接收到的太陽能以熱能形式儲存起來，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、儲熱和發(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 光熱電站的簡化結(jié)構(gòu)Fig.1 Simplified structure of CSP

在光場中，集熱裝置將太陽能轉(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)可將部分熱能儲存至儲熱系統(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)化成熱能儲存至儲熱系統(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能轉(zhuǎn)化為熱能，配合儲熱系統(tǒng)和電加熱裝置能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)熱功率的儲存轉(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) 儲熱裝置熱量平衡約束。

(4)

(4) 儲熱裝置儲熱容量約束。

(5)

(5) 儲熱裝置儲、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對模型進(jìn)行優(yōu)化求解。

圖2 系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測曲線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)證光熱電站配置儲熱和電加熱對風(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熱(情形1)，系統(tǒng)接入光熱電站并配置儲熱(情形2)和系統(tǒng)接入光熱電站并配置儲熱和電加熱(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)段將部分太陽能以熱能的形式儲存起來，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)化成熱能儲存起來，對棄風(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、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能和儲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，光熱電站的儲熱裝置處于儲熱工作狀態(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、放熱曲線Fig.6 Generation and thermal storage/release curves of CSP plant

3.2 儲熱容量對系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響

為對比分析光熱電站儲熱容量對系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的影響，設(shè)置儲熱裝置的滿負(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熱裝置將接收到的能量儲存起來，轉(zhuǎn)移到其他時(shí)段使用以提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。隨著儲熱容量的增加，光熱電站能夠?qū)⒏嗟奶柲軆Υ嫫饋?，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

為對比分析不同備用容量供給方式對系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果的影響，光熱電站配置儲熱和電加熱裝置，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。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。