電力市場環(huán)境下槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)配置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 ■ 蘇辛一

電力市場環(huán)境下槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)配置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 ■ 蘇辛一

通過建立全年時(shí)段槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的線性規(guī)劃模型，提出槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長優(yōu)化選取的方法，并考慮了電力市場環(huán)境下負(fù)荷和光伏發(fā)電出力波動(dòng)對(duì)電價(jià)的影響因素。通過實(shí)際算例分析不同的分時(shí)電價(jià)曲線下最佳集熱場面積和儲(chǔ)熱容量的選取，以及其設(shè)計(jì)參數(shù)選取對(duì)發(fā)電項(xiàng)目年利用小時(shí)數(shù)和收益的影響。

槽式太陽能熱發(fā)電；太陽倍數(shù)；儲(chǔ)熱時(shí)長；線性規(guī)劃；電力市場

0 引言

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是重要的太陽能利用方式，其利用太陽能直接輻射資源，通過聚光、集熱、儲(chǔ)熱和熱功轉(zhuǎn)換等技術(shù)，可產(chǎn)生出具有可調(diào)節(jié)性能的電力。到2015年底，全球太陽能熱發(fā)電裝機(jī)達(dá)到4940 MW，同比增長9.3%。我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段，有望在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展。2015年，國家能源局組織了太陽能熱發(fā)電示范建設(shè)項(xiàng)目申報(bào)，將在“十三五”期間開啟我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用階段。

槽式太陽能熱發(fā)電是目前應(yīng)用最成熟的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，全世界商業(yè)運(yùn)行的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)約90%是槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目[1]。槽式太陽能熱發(fā)電借助槽型拋物面聚光器將太陽光匯聚到集熱管上，加熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)，通過熱交換產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、土地利用率高、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，商業(yè)應(yīng)用的槽式太陽能熱發(fā)電集熱場一般采用標(biāo)準(zhǔn)化的回路(Loop)設(shè)計(jì)，一個(gè)回路由若干個(gè)集熱單元串聯(lián)而成，若干個(gè)回路再并聯(lián)形成集熱場的總熱量輸出。因此，槽式太陽能熱發(fā)電具有設(shè)計(jì)模塊化和擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。

集熱場規(guī)模和儲(chǔ)熱容量是槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的重要設(shè)計(jì)參數(shù)[2,3]。集熱場的投資一般占項(xiàng)目總投資的50%以上，其規(guī)模設(shè)計(jì)對(duì)于項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。在槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱場面積設(shè)計(jì)中，一般引入太陽倍數(shù)(Solar Multiple)的概念。太陽倍數(shù)是指在設(shè)計(jì)點(diǎn)法向直接輻照度下，集熱場額定輸出熱功率與汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組額定進(jìn)口熱功率之比。太陽倍數(shù)近似與集熱場面積和集熱場投資成正比，因此，太陽倍數(shù)能夠較直觀地反映集熱場規(guī)模與發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱功率之間的關(guān)系。由于實(shí)際太陽輻射強(qiáng)度很少能達(dá)到當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)點(diǎn)輻射強(qiáng)度，為了提高汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)設(shè)備的利用效率，一般太陽倍數(shù)的設(shè)計(jì)值都大于1。當(dāng)太陽倍數(shù)大于1時(shí)，超出汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組額定進(jìn)口熱功率的集熱場輸出熱量，可通過儲(chǔ)熱系統(tǒng)存儲(chǔ)起來，延長發(fā)電時(shí)間。儲(chǔ)熱時(shí)長定義

為儲(chǔ)熱容量滿足發(fā)電系統(tǒng)以額定功率滿發(fā)的時(shí)長。提高太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長能夠提高項(xiàng)目的年發(fā)電利用小時(shí)數(shù)和發(fā)電收益，但集熱場和儲(chǔ)熱系統(tǒng)本身也有較高的單位投資成本。因此，在邊界條件確定的情況下，理論上存在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長優(yōu)化組合。

對(duì)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須充分考慮實(shí)際運(yùn)行情況。隨著我國電力市場化改革的穩(wěn)步推進(jìn)和電價(jià)的全面放開，并參照國外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，新能源發(fā)電項(xiàng)目的電價(jià)補(bǔ)貼政策可能將逐步由固定上網(wǎng)電價(jià)(FIT)轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆袌鲭妰r(jià)+溢價(jià)補(bǔ)貼(FIP)”的方式[4]，新能源發(fā)電也將面臨電力市場競爭的考驗(yàn)。隨著電力現(xiàn)貨市場的建立，太陽能發(fā)電的運(yùn)行方式將更加靈活多變。與風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電相比，太陽能熱發(fā)電具有靈活的調(diào)節(jié)性能，具有更適應(yīng)電力市場競爭的優(yōu)勢。帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電可在光伏發(fā)電輸出功率較大、電價(jià)較低時(shí)段以儲(chǔ)熱方式運(yùn)行，在電價(jià)較高的晚高峰釋放熱量發(fā)電，一方面可使系統(tǒng)多消納光伏、風(fēng)力發(fā)電，另一方面實(shí)現(xiàn)自身收益最大化。同時(shí)，太陽能熱發(fā)電還可通過承擔(dān)旋轉(zhuǎn)備用、承擔(dān)峰荷容量或參與一次調(diào)峰等方式從輔助服務(wù)市場或容量市場獲得收益。

目前，工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)通常采用美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的System Advisor Model(SAM)軟件進(jìn)行分析，并未考慮競爭性電力市場環(huán)境下的系統(tǒng)運(yùn)行方式。國內(nèi)文獻(xiàn)主要是利用SAM軟件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[2,3,5,6]，對(duì)其仿真的機(jī)理缺少深入研究。

本文建立了模擬槽式太陽能熱發(fā)電全年8760 h連續(xù)運(yùn)行的線性規(guī)劃優(yōu)化模型，將太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長作為優(yōu)化變量與各時(shí)段狀態(tài)變量一同優(yōu)化，并考慮負(fù)荷和光伏發(fā)電波動(dòng)對(duì)電價(jià)的影響，通過實(shí)際算例研究分析電力市場環(huán)境對(duì)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響。

1 優(yōu)化模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

以項(xiàng)目的總體收益最大為目標(biāo)，考慮在發(fā)電裝機(jī)確定的情況下，通過優(yōu)化集熱場和儲(chǔ)熱系統(tǒng)規(guī)模，使項(xiàng)目生命周期內(nèi)發(fā)電收益凈現(xiàn)值減去初始投資的值最大。近似考慮集熱場和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的總投資分別與太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)長呈正比。目標(biāo)函數(shù)見公式(1)：

1.2 約束條件

1)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的簡化方程為：

2)集熱場輸出熱量的約束為：

式中，Rt為太陽倍數(shù)為1時(shí)，t時(shí)段集熱場輸出的熱量；μ為考慮集熱場規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，由于管道增加等原因?qū)е碌牟杉療崃空蹨p系數(shù)。

3)最大發(fā)電功率約束為：

式中，G為發(fā)電機(jī)組最大凈輸出功率。

4)最大儲(chǔ)熱容量約束為：

5)儲(chǔ)熱系統(tǒng)輸出熱量約束為：

1.3 關(guān)于電價(jià)曲線

在現(xiàn)貨電力市場中，發(fā)電項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)為分時(shí)電價(jià)，電價(jià)受發(fā)電和需求側(cè)的共同影響。考慮太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目所在地區(qū)光伏發(fā)電裝機(jī)已具有較高比例，當(dāng)太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，光伏發(fā)電出力較大，電力供應(yīng)充裕，此時(shí)電價(jià)下降；當(dāng)電力負(fù)荷較高時(shí)，電力相對(duì)緊缺，電價(jià)提升。

定義t時(shí)段電價(jià)影響系數(shù)：

式中，Lt和Wt分別為t時(shí)段的電力負(fù)荷和太陽法向直接輻照度；Lmax、Lmin和Wmax為全年最大負(fù)荷、最小負(fù)荷和最大輻射強(qiáng)度；αL和αW為電網(wǎng)負(fù)荷和光伏發(fā)電對(duì)電價(jià)的影響系數(shù)，其取值與供需側(cè)的彈性有關(guān)，取值為0～1。

則t時(shí)段實(shí)際分時(shí)電價(jià)為：

式中，P0為電價(jià)市場化之前的固定上網(wǎng)電價(jià)。

上述對(duì)分時(shí)電價(jià)的模擬保證全年分時(shí)電價(jià)的平均值與P0相等。

1.4 優(yōu)化求解

2 算例分析

2.1 基本參數(shù)

本文對(duì)一個(gè)100 MW的槽式太陽能發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行研究分析，選取SAM軟件數(shù)據(jù)庫中的美國達(dá)科特地區(qū)(116.8°W，34.9°N)氣象數(shù)據(jù)作為輸入的氣象參數(shù)。負(fù)荷數(shù)據(jù)采用我國甘肅地區(qū)電力負(fù)荷特性數(shù)據(jù)，冬季晚高峰出現(xiàn)在18:00～20:00，夏季晚高峰出現(xiàn)在19:00～21:00。日最小負(fù)荷率約為0.8。

集熱器選用Euro Trough ET150 型槽式集熱器，集熱管選用Schott PTR70 2008 型，設(shè)計(jì)點(diǎn)法向直接輻照度為850 W/m2。其他設(shè)計(jì)參數(shù)采用SAM軟件的默認(rèn)設(shè)置。全年集熱場輸出的熱量曲線采用SAM軟件對(duì)太陽倍數(shù)為1、儲(chǔ)熱時(shí)長為0時(shí)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真輸出的時(shí)序曲線Rt數(shù)據(jù)。

與本文優(yōu)化模型相關(guān)的參數(shù)選取如表1所示。

表1 優(yōu)化模型參數(shù)表

根據(jù)1.3節(jié)，本文模擬3種電價(jià)曲線，分別是固定電價(jià)(αL=0，αW=0)、僅考慮負(fù)荷因素的分時(shí)電價(jià)(αL=0.8，αW=0)和綜合考慮光伏發(fā)電和負(fù)荷的分時(shí)電價(jià)(αL=0.8，αW=0.8)，選取某一天(8月20日)的電價(jià)水平作圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 8月20日電價(jià)水平

其中，考慮光伏發(fā)電和負(fù)荷的分時(shí)電價(jià)在光伏大出力時(shí)段和后夜低谷時(shí)段電價(jià)較低，在晚高峰時(shí)段電價(jià)較高。3種電價(jià)曲線的平均值相同。

2.2 計(jì)算結(jié)果

3種電價(jià)曲線方式下的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表

為方便作圖顯示，將發(fā)電功率輸出曲線、集熱場輸出熱功率曲線和剩余儲(chǔ)熱容量曲線，分別按發(fā)電機(jī)額定輸出功率、汽輪發(fā)電機(jī)組額定輸入熱功率、最大儲(chǔ)熱容量為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。其中選取8月20日的優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)輸出，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 固定電價(jià)下的優(yōu)化結(jié)果

圖3 僅考慮負(fù)荷因素的分時(shí)電價(jià)下的優(yōu)化結(jié)果

圖4 考慮光伏發(fā)電和負(fù)荷的分時(shí)電價(jià)下優(yōu)化結(jié)果

固定電價(jià)條件下，所需要的集熱場面積和儲(chǔ)熱容量最小(太陽倍數(shù)1.79，儲(chǔ)熱時(shí)長0.19 h)。從圖2可見，槽式太陽能熱發(fā)電集熱場輸出熱功率曲線基本與正午前后太陽法向直接輻射較強(qiáng)的峰值時(shí)間段重疊，較小的儲(chǔ)熱容量僅用于平抑太陽能輻射的短時(shí)波動(dòng)，使得發(fā)電輸出在正午前后的時(shí)間段內(nèi)較為平穩(wěn)。

僅考慮負(fù)荷因素的分時(shí)電價(jià)下，由于晚高峰電價(jià)水平較高，最優(yōu)的集熱場面積和儲(chǔ)熱容量更大(太陽倍數(shù)2.74，儲(chǔ)熱時(shí)長4.63 h)，使得槽式太陽能熱發(fā)電的滿功率發(fā)電時(shí)間能夠延續(xù)到晚高峰時(shí)段；相應(yīng)使得發(fā)電項(xiàng)目的年利用小時(shí)數(shù)由2775 h提高到4064 h時(shí)，項(xiàng)目收益和成本的凈現(xiàn)值增加6.51億元。

在綜合考慮光伏發(fā)電和負(fù)荷共同影響的分時(shí)電價(jià)下，最優(yōu)的集熱場面積和儲(chǔ)熱容量進(jìn)一步加大(太陽倍數(shù)2.99，儲(chǔ)熱時(shí)長7.03 h)。由于光伏發(fā)電出力較大，使得正午前后電價(jià)下降到較低的水平，這時(shí)候槽式太陽能熱發(fā)電滿功率運(yùn)行是不

劃算的。因此，儲(chǔ)熱系統(tǒng)可將正午前后的集熱場輸入熱量儲(chǔ)存起來，在電價(jià)水平較高時(shí)發(fā)電。發(fā)電時(shí)間可覆蓋整個(gè)晚高峰時(shí)段，甚至可在早晨光照還不太強(qiáng)時(shí)利用前一天儲(chǔ)存的熱量發(fā)電，滿足早晨負(fù)荷爬坡的需要。相應(yīng)的發(fā)電項(xiàng)目的年利用小時(shí)數(shù)提高到4449 h，項(xiàng)目收益和成本的凈現(xiàn)值較固定電價(jià)時(shí)增加1.99億元。

3 結(jié)論

太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間是影響槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)重要因素。最佳太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間的選取不僅取決于項(xiàng)目當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源條件，還與發(fā)電負(fù)荷曲線和電價(jià)水平密切相關(guān)。在今后的電力市場環(huán)境下，將鼓勵(lì)新能源項(xiàng)目參與市場競價(jià)。由于太陽能熱發(fā)電自身具備的儲(chǔ)能特性，使得其與風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電相比，具有較好的調(diào)節(jié)性能和電力市場環(huán)境下的競爭優(yōu)勢，能夠通過靈活的運(yùn)行方式將發(fā)電收益鎖定在較高的電價(jià)水平。

本文通過建立線性規(guī)劃優(yōu)化模型，研究了電力市場環(huán)境下集熱場和儲(chǔ)熱系統(tǒng)規(guī)模的優(yōu)化配置方法，分析了不同的分時(shí)電價(jià)曲線對(duì)于最佳集熱場面積和儲(chǔ)熱容量選取的影響，可為槽式太陽能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略設(shè)計(jì)提供理論參考。

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2016-02-06

蘇辛一(1984—)，男，博士、高級(jí)工程師，主要從事電力及新能源規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的研究。xysu@eppei.com