含大規模風電及光熱電站的電力系統優化調度方法

陟晶， 張高航， 邵沖， 丁坤

(1. 國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730050；2. 可再生能源發電與并網技術教育部工程研究中心(新疆大學)，新疆維吾爾自治區 烏魯木齊 830047)

0 引言

隨著能源危機和環境污染的加劇，大規模新能源并網成為必然趨勢。然而風電等新能源發電固有的隨機波動性導致靈活性需求劇增，消納難度大[1—3]。光熱發電作為除光伏發電外另一種太陽能發電技術，擁有良好的可控性和調節特性，未來將發揮支撐高比例可再生能源并網的重要作用[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，實現出力靈活可控，使得大規模光熱發電并網成為可能。2025年全球光熱發電裝機容量將達到22 GW，2050年光熱發電將滿足全球11.3%的電量需求[7]。我國也將逐步在甘肅、青海等地區發展集中式光熱發電，2030年光熱發電裝機容量可達30 GW[8]。為保證系統運行的穩定性和經濟性，須合理調度光熱電站出力，發揮其良好的調節特性。

目前針對光熱電站的調度問題已進行大量研究，主要分為兩方面。一方面，聯合調度光熱與風電以改善聯合系統出力的隨機波動性。文獻[9—12]建立風電-光熱聯合調度模型，降低了風電不確定性的影響。文獻[13—14]在聯合系統中加入電加熱子系統，將棄風轉化為熱能儲存起來，降低棄風電量。文獻[15]通過仿真驗證了光熱電站對高比例間歇性能源并網的支撐作用。另一方面，光熱參與電網的優化調度以提升系統運行靈活性和經濟性。文獻[16]建立了一種含光熱電站的電網調度模型，但未考慮電加熱的影響。文獻[17—18]在調度模型中考慮了系統綜合成本以獲得最佳運行效益，但僅考慮了火電機組提供備用容量，未考慮利用光熱電站提供備用容量。文獻[19—21]從經濟性的角度探究了光熱電站可調度性帶來的經濟效益。這些研究考慮了光熱電站與風電聯合或直接參與電網調度，但未考慮配置儲熱和電加熱的光熱電站參與電力系統調度及提供備用的能力。

綜上，文中提出一種含大規模風電及光熱電站的電力系統優化調度方法。首先分析光熱電站運行機理，建立配置儲熱和電加熱的光熱電站調度運行模型；然后考慮火電機組、光熱電站及電加熱共同提供備用、系統安全運行約束等因素，以系統運行成本最小為目標，建立優化調度模型；最后通過IEEE 39節點系統算例仿真驗證該方法的有效性。

1 光熱電站調度運行模型

光熱電站由光場、儲熱和發電部分組成[22]，通過熱力循環將3個部分聯系起來，如圖1所示。

圖1 光熱電站的簡化結構Fig.1 Simplified structure of CSP

在光場中，集熱裝置將太陽能轉化為熱能，通過傳熱流體將熱能傳遞到發電部分，產生蒸汽推動汽輪機組發電，同時可將部分熱能儲存至儲熱系統，在需要時將熱能釋放到熱力循環系統。電加熱裝置能夠將富裕的風、光等新能源轉化成熱能儲存至儲熱系統，拓寬光熱電站的出力范圍，消納一定的棄風電量[23]。

圖1中，光熱電站將接收到的太陽能轉化為熱能，配合儲熱系統和電加熱裝置能夠實現系統熱功率的儲存轉化，進而通過熱電功率耦合關系實現電出力的靈活調度，系統熱力運行約束具體如下。

(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) 最小運行/停運時間約束。

(11)

(12)

(9) 運行狀態約束。

(13)

(10) 爬坡約束。

(14)

(15)

光熱電站通過汽輪機組發電，具有良好的快速調節能力，故具備與常規汽輪機組類似的發電運行約束，即式(9)—式(15)。因此光熱電站電出力限值及爬坡能力等運行特性由系統熱功率(由式(1)—式(8)決定)和汽輪機組運行特性(由式(9)—式(15)決定)共同約束。

2 含光熱電站的電力系統調度模型

文中綜合考慮火電機組運行約束、光熱電站運行約束、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度運行靈活性提升系統風電消納能力和經濟性，提供備用容量的調節靈活性應對新能源的波動性和隨機性，以系統運行成本最小為目標函數建立優化調度模型。

2.1 目標函數

目標函數即系統運行成本由三部分組成，第一部分F1為火電機組發電成本，包括機組的燃料成本和啟停成本；第二部分F2為光熱發電和風電的運維成本；第三部分F3為棄風懲罰成本。

(16)

2.2 約束條件

2.2.1 系統運行約束

(1) 功率平衡約束。

(17)

式中：Pload,b,t為系統負荷功率；Nb為負荷數量。

(2) 備用容量約束。

(18)

(19)

(3) 線路潮流約束。

(20)

(4) 風電出力約束。

0≤Pw,j,t≤Wj,t

(21)

2.2.2 火電機組運行約束

(1) 火電機組出力約束。

(22)

(2) 火電機組最小運行/停機時間約束。

(23)

(24)

(3) 火電機組運行狀態約束。

(25)

(4) 火電機組爬坡約束[24]。

(26)

(27)

(5) 火電機組備用容量約束。

(28)

(29)

2.2.3 光熱電站備用容量約束

光熱電站的發電機組及電加熱具有良好的調節特性和可調度性，能夠為系統提供備用容量以響應可再生能源出力的隨機波動，提高系統運行靈活性，如式(30)—式(33)所示。

(1) 光熱電站的發電機組備用容量約束。

(30)

(31)

(2) 電加熱備用容量約束。

(32)

(33)

3 IEEE 39節點系統算例分析

文中采用改進的IEEE 39節點系統對所構建的調度模型進行仿真驗證，仿真系統包含10臺火電機組，火電機組容量、爬坡速率等運行參數見文獻[25]，光熱電站運行參數及運維成本詳見文獻[10,18]。系統負荷、風電和光照強度預測曲線如圖2、圖3所示。文中在Matlab中基于Yalmip工具箱調用優化軟件CPLEX對模型進行優化求解。

圖2 系統負荷預測曲線Fig.2 Load forecast curve of system

圖3 風電功率和光照強度預測曲線Fig.3 Forecast curves of wind power and solar irradiation

3.1 仿真結果分析

為驗證光熱電站配置儲熱和電加熱對風電消納及運行經濟性的影響(不考慮光熱電站提供備用容量)，設置以下3種情形：系統接入光熱電站但不配置儲熱(情形1)，系統接入光熱電站并配置儲熱(情形2)和系統接入光熱電站并配置儲熱和電加熱(情形3)。調度結果如表1和圖4所示。

表1 不同運行情形下系統成本Table 1 System cost under different operating scenarios 美元

圖4 不同運行情形下風電計劃出力Fig.4 Scheduled wind power under different operation conditions

由表1和圖4可知，情形2的系統運行成本相比情形1降低了0.7%，經濟性得到提升，且棄風電量明顯減少，這是由于情形1中光熱電站出力受制于光照強度的強弱，可調度性差，而情形2中配置儲熱后，光熱電站具有了良好的可調控性，在負荷需求小而風電出力大時段將部分太陽能以熱能的形式儲存起來，在負荷需求較大而風電出力和光照強度較小時，將存儲的熱能釋放進行發電，系統運行靈活性增強，提高了系統風電消納能力和運行經濟性。相比于情形1和情形2，情形3的棄風懲罰成本明顯降低，這是由于電加熱裝置能夠將部分棄風轉化成熱能儲存起來，對棄風進行時間遷移，提升了系統調度周期內的風電消納能力，且系統運行成本隨著棄風的減少而降低。

圖5為不同情形下系統的等效負荷曲線，引入配置儲熱和電加熱的光熱電站后系統等效負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，使得系統等效曲線更為平滑。

圖5 不同運行情形下系統等效負荷曲線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，負荷較小而風電功率較大，此時光熱電站處于停機狀態，電加熱將部分棄風電量轉化成熱能儲存起來；07:00—11:00，負荷逐漸增加而風電功率較小，此時光照強度也逐漸增強，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，承擔部分負荷；12:00—18:00，風電出力和光照強度均較大，光熱電站的儲熱裝置處于儲熱工作狀態，送入系統的有功出力逐漸降低，避免擠占風電出力空間導致棄風。18:00后，風電呈現反調峰特性，光熱電站利用儲熱裝置中的熱量發電，輸出并網友好性更好的高價值電能，能夠降低機組運行煤耗并緩解風電反調峰帶來的調節壓力，提升系統調度運行的經濟性。因此，通過光熱電站中儲熱和電加熱的協調配合，能夠有效提升光熱電站的靈活調節能力，削減風電反調峰帶來的影響，消納更多風電。

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 儲熱容量對系統運行結果的影響

為對比分析光熱電站儲熱容量對系統運行結果的影響，設置儲熱裝置的滿負荷小時數在[0,14]內變化，相應的系統運行成本如圖7所示。

圖7 不同儲熱容量下的系統運行成本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，系統的運行成本逐漸降低并趨于穩定。光熱電站能夠利用儲熱裝置將接收到的能量儲存起來，轉移到其他時段使用以提高系統的調節能力。隨著儲熱容量的增加，光熱電站能夠將更多的太陽能儲存起來，在需要時轉換成更靈活的電能替代常規機組出力，提高調度周期內系統的調節能力和風電消納能力，提升系統運行的經濟性。儲熱裝置滿負荷小時數達到12 h后繼續增加，則系統運行成本沒有進一步降低，是由于受到光照資源的約束，光熱電站調節能力達到飽和，增加的儲熱容量并未被利用，不能繼續提升系統運行經濟性。

3.3 不同備用容量供給方式下系統調度結果

為對比分析不同備用容量供給方式對系統調度結果的影響，光熱電站配置儲熱和電加熱裝置，設置以下3種方案：(1) 僅由火電機組提供備用容量(方案1)；(2) 由火電機組和光熱電站提供備用容量(方案2)；(3) 由火電機組、光熱電站和電加熱共同提供備用容量(方案3)。

調度結果如表2所示，系統運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，僅由火電機組提供備用容量使得系統備用成本較高，火電機組運行經濟性也相對較差；方案2增加光熱電站參與提供備用容量，系統運行和備用成本分別降低了3.5%和29.7%；方案3采用火電機組、光熱電站和電加熱共同提供備用容量，使得火電機組出力降低，煤耗減小，且系統運行成本和備用成本最小，能夠保證系統運行可靠性并提升運行經濟性。

表2 不同運行方案下系統成本Table 2 System cost under different operating methods 美元

4 結論

文中在詳細考慮光熱電站運行特性的基礎上，提出一種含大規模風電及光熱電站的電力系統優化調度模型，并通過算例分析驗證了該方法的有效性，得到如下結論：

(1) 光熱電站能夠利用儲熱和電加熱實現靈活調節發電出力，具有良好的調度可控性，通過與火電機組的協調優化能夠在保證系統運行可靠性的基礎上消納更多風電及降低系統運行成本。

(2) 隨著儲熱容量增加，系統的運行成本逐漸降低并趨于穩定，故合理的儲熱容量能夠提升光熱電站運行靈活性和系統運行經濟性，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，能夠保證系統運行可靠性并提升運行經濟性。