光熱發電接入電網的調度模型與入網關鍵技術分析

史騰飛，馬朋飛，鄭欣，劉榮海，常喜茂，王坤，李亞寧

（1.華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定 071003；2.華北電力大學云南電網公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

目前我國的發電形式主要以火力發電為主，但是其付出的環境成本巨大，面對日益枯竭的一次性能源，急需尋求其他可再生、可持續發展的新能源來代替。而太陽能無疑是一種十分適合發展的清潔能源，以其無污染、可再生和綠色環保的特點成為新能源中很重要的開發對象。太陽能光熱發電目前也發展的越來越成熟，其工作原理和火電機組是通過聚焦光熱帶動蒸汽輪機的運轉，重點是太陽能光熱發電增加了熱能存儲裝置，可以自行調節輸出功率，有利于光熱發電的穩定輸出和并網。目前光熱發電和光伏發電成本相當，但是光伏的生產對于環境影響大且對于工藝要求較高，光熱發電中自帶的儲熱系統可以提供穩定的能源輸出。由此可以看出，光熱發電在新能源發電中有自己獨特的優勢[1]。

1 光熱發電站的運行原理

太陽能光熱發電是利用太陽能聚光集熱器把太陽輻射的能量聚集起來，通過加熱工質來帶動汽輪機發電。下圖1是光熱發電站的主要構成，下面介紹各個部分的工作原理。圖1中的太陽能集熱場是用來聚集太陽能的熱輻射，同時加熱其管道內的導熱工質，一般用到的導熱工質為導熱油；導熱工質被加熱至400℃以上，導熱工質攜帶熱能與儲熱系統和熱循環系統進行熱交換；儲熱裝置可以儲存熱量便于在陰天或者夜間等太陽光輻射低時熱交換使用，熱循環系統將得到的熱量加熱水至蒸汽，推動汽輪機做功，從而產生電能[2]。

從光熱發電站的運行原理可以看出，其在攜帶有儲熱裝置后具有很強的負荷調度能力，其調節速度要比一般的火電機組快得多，這個特點可用于協調和平衡其他不穩定可再生能源發電的波動[3]。同時，光熱發電站的汽機為了匹配光場和儲熱裝置的特性，也具有良好的快速調節能力，能夠增加系統的穩定性。

圖1 光熱發電站的主要構成

光熱發電站的調度特性與傳統火電廠類似，但特殊的地方在光熱發電站的建模是必須考慮的。

1）對于光熱發電站的能源供給是人為無法控制的，因吸收的光能在一天中是不斷變化的，這是在光能作為輸入所必須考慮的。

2）一般的光熱發電站中攜帶的儲能裝置的容量有限，而且這一過程會有能量損耗，容量的上下限和能量在換熱過程的損失也是建模中必須考慮的問題[4]。

2 光熱發電站的約束情況分析

在光熱發電站的建模之前，明確電站的運行特點和描述重點。應是在整個運行系統中對于能量的變化和運行要求的上下限制的重點描述[5]。而其中在調度問題中因系統內部的動態變化時間相比于調度的時間間隔小得多，且調度模型不需要關注太多系統內部的能量交換，可以充分簡化這兩個內容，由此可得到光熱發電站的抽象模型為：

圖2 光熱發電系統原理簡化結構

2.1 光熱發電站中能量的轉移及等式約束

通過對光熱發電系統的簡化之后，可以很方便的將其中的導熱工質看做是系統中的一個節點，同時導熱工質也作為一個能量交換中心，將從光場吸收到的能量傳遞給儲熱裝置和熱循環系統，可以得出系統的功率轉移等式如式（1）所示：

從光場中傳出的能量是由光鏡面積、光熱轉換效率和光照輻射指數共同決定的，其接收到的功率為：

式中：η光場為光熱轉換效率；S光場為鏡場面積；Rt為t時刻的光照直接輻射指數。

此時系統中鏡場在接收到光能時總會伴有光量的丟失，如式（3）所示：

式中：P吸收為系統吸收太陽得到的總功率，P丟失為丟失的棄光功率[6]。

對于系統中的儲熱裝置來說，熱量在熱交換的過程中會不可避免的損失一部分，這些損失的能量也是在建模之中應該考慮到的，熱耗散在其中的體現為:

式中：和分別為儲能裝置的充、放熱功率；ηc和ηd分別為充放熱效率。

在考慮到能量丟失和熱耗散之后，通過對其系統在工作點附近線性化的簡化計算之后，可得到能量方程為：

式中：Et為t時刻光熱發電站的總能量；γ為耗散系數；Δt為時間間隔。

這中間在熱力循環裝置的能量流動可以通過熱功率和電功率的函數轉換關系來簡化表示為：

式中：為熱力循環的電功率。

2.2 光熱發電站中運行時的限制條件

光熱發電站通過吸收光能轉換為熱能，加熱工質并推動汽輪機發電，所以其運行過程中的約束條件與火電廠汽輪機組相似，這部分可以參照火電機組的約束條件，即：

式中：和為光熱發電機組的備用發電功率；和分別為光熱發電機組的最大和最小負荷；xt為機組的工作狀態；TMinOn和TMinOff分別為機組的最小運行和停運時間；ut和vt分別為機組的開停機變量，1表示機組在t時刻啟動/停機；RU和RD分別為機組的最大上、下爬坡能力；T為總時長。

這其中，在光熱發電系統中儲熱裝置起著舉足輕重的作用，一個光熱發電站的持續輸出功率能力很大一部分取決于儲熱裝置的容量大小，儲熱裝置的容量一般用汽輪機組的“滿負荷小時數”來衡量[7]，儲熱裝置的容量也應有最小儲能限制用以保證安全，其相關約束可以表示為：

式中：Emin為儲熱裝置的最小儲熱能量；ρ為以滿負荷小時數為單位描述的儲熱裝置的最大容量。

在儲熱裝置的充/放熱過程中，必須限制其在可調范圍內變化，不能超過充/放熱的最大量程，也不能同時進行充/放熱，這是可以得到的約束條件為：

式中：和分別為最大充、放電功率。

3 光熱發電站的電網調度模型建立

通過對于光熱發電系統的約束條件進行分析之后，建立了一系列的上下限約束條件和能量轉移等式。在此基礎上組合各個約束條件建立光熱發電站電網調度模型為：

式中：xc和yc分別為光熱發電站對應的0-1變量和連續變量；為發電機的發電成本函數；x和y分別為兄中其他機組對應的0-1變量和連續變量；A、B、C、D、F、G、H、L、R、W、a、c、d、g、h、r均為參數矩陣[8]。

其中式（20）至式（23）為光熱發電站在運行時約束條件的具體矢量化描述；式（21）表示系統中其他機組對應離散變量的約束，包括機組啟停狀態變量約束、最小開機/停運時間約束；式（22）表示系統中的連續變量的約束，包括機組的爬坡約束、風電出力約束、系統總備用約束、傳輸容量約束和傳輸功率爬坡約束，其中部分約束也設計光熱發電的控制變量；式（23）為混合整數約束，包括機組的出力和備用約束。

4 算例系統分析

算例系統結構如圖3所示，此系統是通過標準系統修改而來。同時，通過光熱發電站的模型來簡化模擬系統的發電過程和運行情況[9]。

首先要分析放熱發電系統的發電成本，必須了解系統中發電機的成本，而發電機的成本函數在工作時是非線性的，為了簡化計算，在求解時直接用分段線性化的方法進行近似[10]。

圖3 算例系統

其中：ai，bi，ci為發電成本系數。

為了精確化的表達熱力循環系統的工作效率，通過對其在不同發電功率的情況下對應的注入功率的關系進行分段線性表示：

通過利用上述式子中對于能量轉移的約束條件和儲熱裝置的容量限制等的約束問題，對式（18）進行了線性化處理，最后得到了相應的混合整數線性規劃問題。同時利用MATLAB中的相應工具包對系統的約束條件進行求解，并得到了很好的結果[10]。

為方便研究，以下算例中認為光熱發電站電站的儲能系統在一天的總能量相等，均為總容量的50%。系統最小備用容量取調度日最大負荷的10%。

1）算例1：光熱發電站并網的發電成本計算與分析,首先應假定系統的負荷和光照曲線，如下圖4所示，其中應假設光熱發電站的功率為500 MW。對比系統在不含太陽能電站（情形1）、接入光伏發電站（情形2）和接入光熱發電站（情形3）時的系統發電成本，結果如表1所示。可以很明顯的看出，在同一發電量下，采用光熱發電的總成本是最低的，從中就能很清楚地看到太陽能光熱發電的優勢，即在低成本的情況下產生最大的效益和價值[11]。

圖5是在分別加入了光伏發電站和光熱發電站之后的負荷變化曲線，其中，原始負荷曲線峰谷差為239.5 MW，引入光伏發電后增加至245.8 MW，增加2.7%；引入光熱發電站后峰谷差降至204.2 MW，減少10.6%。從中可以看出光熱發電站電站的作用可以概括為“填谷去峰”。對應的光熱發電站儲/放熱以及發電曲線在圖6中給出，可以看到，借助儲熱裝置，一部分的光熱發電站能被平移到負荷高峰期，使系統的等效負荷曲線更為平滑[12]。

圖4 算例1的系統負荷和光照曲線

圖5 光伏發電站和光熱發電站接入系統的總負荷和發電曲線

圖6 光熱發電站儲/放熱和發電曲線

2）算例2：光熱發電站并網在傳輸線路利用方面的效益,首先，定義線路的利用率指標為：

式中：f1,t和f1,max分別為線路t時刻的傳輸容量和極限傳輸容量[13]。

當光熱發電站和風電場同時在一個節點輸入時，若此時的極限傳輸容量為200 MW，且假設光熱發電站發電能夠完全消納。曲線變化很明顯的反映了光伏發電站和光熱發電站的線路上有功功率的變化。

從上圖可以看出，由于光伏發電站的不可調度性，其占用大量的輸電資源，直接導致棄風量的上升。棄風量由123.54 MW·h增加至387.53 MW·h，增加213.68%；而光熱發電站電站在將自身發電100%送出的基礎上，不僅減少了棄風，還使線路利用率提高了10.58個百分點，有助于解決大規模風電集中匯入線路利用率偏低的共性問題。算例2表明，光熱發電站發電的引入是提高線路利用率的有效方案[14]。

圖7 不同光熱發電站容量下線路的功率曲線

5 結束語

綜上所述由于太陽能光熱發電無污染，并采用常規汽輪機即可發電，加之目前太陽能光熱發電系統可以引入熔融鹽儲熱技術，可以實現連續供電，保證電流穩定，避免了光伏發電與風力發電難以解決的入網調峰問題，所以太陽能光熱發電必將作為新能源的新興產業迅速崛起，尤其槽式太陽能光熱發電系統必將有廣闊的市場前景[15]。本文從光熱發電站的運行機理出發，建立了其電網調度模型。并將該模型納入含網絡SCUC中，通過一些仿真算例檢驗了所建模型的特性，初步分析了光熱發電站并網的潛在效益。算例表明：光熱發電站具有較好的可調度性，與同容量的光伏發電站相比，通過合理安排其出力，能夠有效降低系統的發電成本；光熱發電站和風電打捆并網時，可利用光熱發電站的爬坡能力和備用，有效減少因風電波動和系統備用不足導致的棄風；光熱發電站和風電打捆并網時，可有效提高大規模風電集中匯入外送線路的利用率。總之，光熱發電站發電具有在自身被完全消納的前提下為電網運行帶來更多效益的優良特性。雖然光熱發電站發電技術有諸多優點，但其發展還存在一些阻礙。光熱發電具有市場需求范圍廣，產業發展潛力很大的優勢。