促進(jìn)新能源消納的混合發(fā)電系統(tǒng)

楊昆，孫磊，房超運(yùn)，張怡

(1. 上海電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，上海 200090；2. 華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

隨著環(huán)境問題逐漸加重，人類對(duì)可再生能源的需求逐漸增加，可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量也迅速增加[1-6]。在各種可再生能源技術(shù)中比較成熟的是太陽(yáng)能和風(fēng)能，它們廉價(jià)、豐富且更利于環(huán)保[7-9]。根據(jù)2020年以前全球太陽(yáng)能和風(fēng)能安裝數(shù)據(jù)可得最初風(fēng)能裝置的增長(zhǎng)速度很快，后來太陽(yáng)能裝機(jī)容量在2013年超過了風(fēng)能。在中國(guó)，2019年風(fēng)電光伏發(fā)電裝機(jī)容量占全球總裝機(jī)容量的45%[10-12]。技術(shù)限制、電網(wǎng)接入管理等問題減少了風(fēng)電機(jī)組光伏發(fā)電機(jī)組設(shè)備利用小時(shí)數(shù)，導(dǎo)致大量新能源得不到利用[13-16]。

為了提高風(fēng)光發(fā)電的可靠性，減少新能源的浪費(fèi)，本文提出將風(fēng)光發(fā)電和其他形式的能源相結(jié)合。文獻(xiàn)[17-18]考慮到風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)特征，重點(diǎn)關(guān)注目前風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)化調(diào)度。源荷功率具有隨機(jī)性，風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有一定互補(bǔ)性[19-22]。光熱發(fā)電是收集太陽(yáng)能和發(fā)電的另一種有前途的技術(shù)。與光伏系統(tǒng)不同，熱能儲(chǔ)存用于光熱發(fā)電。熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)比機(jī)電存儲(chǔ)或化學(xué)存儲(chǔ)經(jīng)濟(jì)得多，而且便于大規(guī)模實(shí)施[23]。光熱發(fā)電是一種與其他間歇性能源相結(jié)合的理想發(fā)電技術(shù)[24]。張匯泉等人提出了一種風(fēng)力發(fā)電廠日前調(diào)度策略，該調(diào)度基于雙層數(shù)學(xué)規(guī)劃方法[25]。

以上只研究了獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)電和光熱發(fā)電電力系統(tǒng)，并且在風(fēng)電波動(dòng)時(shí)沒有采用額外的措施。本文在混合動(dòng)力系統(tǒng)中引入了光伏發(fā)電系統(tǒng)和新型的電加熱器。電加熱器將縮減的風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能儲(chǔ)存在熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)中，利用儲(chǔ)熱系統(tǒng)的可調(diào)度性，將新混合動(dòng)力系統(tǒng)的調(diào)度問題定義為一個(gè)在技術(shù)操作約束下實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化的混合整數(shù)模型，采用Matlab對(duì)模型進(jìn)行求解。

1 混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)

2 混合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化模型約束條件

3 算例分析

3.1 仿真系統(tǒng)

以IEEE-14節(jié)點(diǎn)為仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在1節(jié)點(diǎn)接入光熱電站和電加熱裝置，在2節(jié)點(diǎn)接入風(fēng)電場(chǎng)，在3節(jié)點(diǎn)接入光伏電站。

圖1 IEEE-14節(jié)點(diǎn)仿真系統(tǒng)Fig. 1 IEEE-14 node simulation system

3.2 算例參數(shù)

本文系統(tǒng)中包含光伏電廠、風(fēng)電場(chǎng)、光熱電站和電加熱裝置各1個(gè)，其中電加熱裝置最大功率為50 MW。風(fēng)電場(chǎng)以及太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)采用預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖2及圖3所示。光熱電站參數(shù)[17]如表1所示，日前分時(shí)電價(jià)如下表2所示。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)功率Fig. 2 Predicted power of wind farm

圖3 太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig. 3 Forecast of solar radiation intensity

表1 CSP電站運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operating parameters of CSP power station

表2 日前分時(shí)電價(jià)Table 2 Electricity price in advance

3.3 算例結(jié)果分析

3.3.1 系統(tǒng)對(duì)新能源消納分析

根據(jù)優(yōu)化求解結(jié)果，分析不同天氣情況時(shí)電加熱裝置對(duì)新能源消納效果分析如下。晴天陰天光伏發(fā)電預(yù)測(cè)功率以及有無(wú)電加熱裝置對(duì)光伏消納情況的對(duì)比分別如圖4及圖5所示。電加熱裝置對(duì)風(fēng)電消納的情況如圖6所示，不同天氣情況系統(tǒng)運(yùn)行效益如表3所示。

圖4 晴天光伏發(fā)電預(yù)測(cè)與消納功率對(duì)比Fig. 4 Comparison of forecast and consumed power of photovoltaic power generation in clear days

圖5 陰天光伏發(fā)電預(yù)測(cè)與消納功率對(duì)比Fig. 5 Comparison of PV power generation forecast and consumption power on cloudy days

圖6 風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)與消納功率對(duì)比Fig. 6 Comparison diagram of wind power forecast and consumed power

表3 不同運(yùn)行模式有無(wú)電加熱裝置系統(tǒng)收益對(duì)比Table 3 Benefit comparison of different operating modes with or without electric heaters system

由圖4～6可知，系統(tǒng)無(wú)電加熱裝置時(shí)會(huì)存在大量的棄風(fēng)棄光的現(xiàn)象。加入電加熱裝置以后，風(fēng)電和光伏的消納功率幾乎等于其預(yù)測(cè)功率很大程度上提高了新能源的消納量。由表3可知，加入電加熱裝置后在每一種運(yùn)行模式下系統(tǒng)收益都相應(yīng)有所提高。

3.3.2 加入電加熱裝置對(duì)光熱電站運(yùn)行影響分析

上思縣地勢(shì)較高且地形起伏較大，因此土壤的垂直分布規(guī)律較明顯。在海拔600 m以下的山地土壤主要是砂頁(yè)巖赤紅壤，其主要特點(diǎn)為色紅、酸性，較富含鐵鋁，質(zhì)黏。海拔1 000 m以上的山地土壤是砂頁(yè)巖黃壤，其心土黃色，底土為半風(fēng)化巖石碎屑，土壤酸性至強(qiáng)酸性。海拔600～1 000 m的土壤屬赤紅壤與黃壤之間的過渡類型砂頁(yè)巖黃赤紅壤，土色紅、黃相兼，酸性，剖面層次分化不明顯。不同海拔所形成的耕地土壤也往往呈現(xiàn)出相應(yīng)的特點(diǎn)。

晴天和陰天時(shí)有無(wú)電加熱裝置光熱電站儲(chǔ)熱容量的對(duì)比分別如圖7及圖8所示。由對(duì)比可得在晴天時(shí)有電加熱裝置會(huì)響應(yīng)提高光熱電站的儲(chǔ)熱量，但是提高儲(chǔ)熱量的比例大約占總儲(chǔ)熱量的10%?？傮w來看在陰天時(shí)電加熱裝置提高儲(chǔ)熱量的比例占總的儲(chǔ)熱量大約在40%。

圖7 晴天時(shí)有無(wú)電加熱裝置光熱電站儲(chǔ)熱量對(duì)比Fig. 7 Comparison of heat storage in photothermal power stations with or without electric heating devices on sunny days

圖8 陰天時(shí)有無(wú)電加熱裝光熱電站儲(chǔ)熱量對(duì)比Fig. 8 Comparison of heat storage in photovoltaic power station with or without electric heating on cloudy days

4 結(jié)論

本文建立了風(fēng)電光伏光熱和電加熱裝置聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化模型，對(duì)不同天氣電加熱裝置對(duì)系統(tǒng)效益和新能源消納效果進(jìn)行仿真求解，研究發(fā)現(xiàn)如下。

（1）電加熱裝置可以在電網(wǎng)產(chǎn)生棄風(fēng)棄光時(shí)從電網(wǎng)購(gòu)電，將所產(chǎn)生的熱量存儲(chǔ)在光熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，能夠有效降低系統(tǒng)棄風(fēng)棄光量。

（2）電加熱裝置和光熱電站聯(lián)合運(yùn)行能夠提高光熱電站得到儲(chǔ)熱容量，從而提高系統(tǒng)的調(diào)度靈活性。特別在陰天時(shí)的場(chǎng)景下，由于電加熱裝置的引入，可以很大程度提高光熱電站的調(diào)度靈活性。

（3）電加熱裝置加入系統(tǒng)中在不同的天氣場(chǎng)景下均能提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。在無(wú)光照時(shí)期對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的提高明顯高于有光照時(shí)期經(jīng)濟(jì)效益提高量。