考慮光熱電站調(diào)節(jié)特性的可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

崔 楊， 黃思宇， 馬 明， 魏子舒， 張善峰， 趙昌鵬

（1.東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 吉林 132012； 2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司長春供電公司， 吉林 長春 130000）

0 引言

近年，我國風(fēng)電裝機(jī)容量逐年遞增[1]～[4]，但由于風(fēng)電固有波動(dòng)屬性[5]～[7]，規(guī)模化風(fēng)電接入電網(wǎng)系統(tǒng)后，電力系統(tǒng)供應(yīng)側(cè)可調(diào)度性降低，因而棄風(fēng)限電現(xiàn)象也愈發(fā)嚴(yán)重。 傳統(tǒng)火電雖能通過調(diào)節(jié)機(jī)組出力配合風(fēng)電降低其波動(dòng)性， 但這會使火電機(jī)組無法穩(wěn)定運(yùn)行在最佳設(shè)計(jì)區(qū)間，影響經(jīng)濟(jì)性，加劇節(jié)能減排壓力[8]。

隨著含儲熱光熱電站 （Concentrating Solar Power，CSP）與可變速抽水蓄能等可調(diào)度性、綠色調(diào)節(jié)電源的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)“以可再生能源消納可再生能源”的電力系統(tǒng)綠電調(diào)度具備了可行性。在CSP與其他電源聯(lián)合調(diào)度方面已有較多學(xué)者進(jìn)行了研究。 文獻(xiàn)[9]指出，光熱-燃機(jī)的復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[10]，[11]表明，與CSP 電站的聯(lián)合運(yùn)行將會降低風(fēng)電出力不確定性帶來的不利影響， 提高電網(wǎng)運(yùn)行安全裕度。 但上述文獻(xiàn)僅從CSP 與單一電源配合角度出發(fā)，未涉及CSP 與多種可再生能源聯(lián)合協(xié)調(diào)調(diào)度問題。 在間歇性電源并網(wǎng)消納方面，現(xiàn)有文獻(xiàn)也已進(jìn)行較多探索。文獻(xiàn)[12]，[13]分別從經(jīng)濟(jì)效益角度和調(diào)峰效益角度出發(fā)，構(gòu)建了風(fēng)蓄協(xié)調(diào)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。 文獻(xiàn)[14]表明大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的條件下， 火電機(jī)組深度調(diào)峰將會顯著影響其經(jīng)濟(jì)性。 文獻(xiàn)[15]提出了一種火電機(jī)組靈活性改造的方案， 以接納規(guī)模化風(fēng)電并網(wǎng)。

綜上，當(dāng)前研究鮮有涉及基于CSP 電站的全可再生能源系統(tǒng)調(diào)度， 在風(fēng)電并網(wǎng)方面也多采用傳統(tǒng)電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，本文在考慮風(fēng)電預(yù)測不確定性和CSP 電站調(diào)節(jié)特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了含儲熱光熱電站、 抽水蓄能和風(fēng)電的全可再生能源系統(tǒng)綠電調(diào)度模型。 該模型將CSP 電站和抽水蓄能兩類可再生能源電站與風(fēng)電優(yōu)化調(diào)度結(jié)合起來， 并利用CSP 電站為風(fēng)電預(yù)測誤差提供備用，在實(shí)現(xiàn)全可再生能源發(fā)電的同時(shí)， 最大限度地提高風(fēng)電消納量。

1 含光熱電站多源系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度機(jī)理

1.1 風(fēng)電預(yù)測出力的不確定性分析

本文通過預(yù)測誤差來刻畫風(fēng)電的不確定性，風(fēng)電在t 時(shí)刻的出力可等效為功率預(yù)測值與預(yù)測誤差之和[16]，其表達(dá)式為

式中：PN為風(fēng)電裝機(jī)容量。

1.2 基于光熱電站調(diào)節(jié)特性的多源聯(lián)合調(diào)度機(jī)理

風(fēng)電的波動(dòng)性和間歇性較強(qiáng)，其等效負(fù)荷如圖1 所示。

圖1 風(fēng)電并網(wǎng)后等效負(fù)荷變化Fig.1 The change of equivalent load after wind power grid connection

由圖1 可見，風(fēng)電在夜間出力較大，負(fù)荷高峰時(shí)刻出力較小，表現(xiàn)出一定的反調(diào)峰特性，其并網(wǎng)后等效負(fù)荷峰谷差加大，整體波動(dòng)與原始負(fù)荷相比更加劇烈。針對上述問題，綠電系統(tǒng)配備的CSP電站和可變速抽水蓄能電站的能量時(shí)移特性可以迅速調(diào)節(jié)響應(yīng)等效負(fù)荷波動(dòng)，平抑風(fēng)電并網(wǎng)波動(dòng)量，從而使得聯(lián)合系統(tǒng)出力平滑。

配備有儲能裝置的CSP 電站具有比傳統(tǒng)火電機(jī)組更為靈活便捷的調(diào)節(jié)能力，能夠替代火電機(jī)組作為電網(wǎng)基荷及調(diào)節(jié)性電源，其能量時(shí)移特性曲線如圖2 所示。

圖2 含儲熱CSP 電站能量時(shí)移特性曲線Fig.2 Energy time-lapse characteristic curve of CSP

抽水蓄能電站在峰荷不足時(shí)提供調(diào)峰電能，兩種電站配合實(shí)時(shí)追蹤等效負(fù)荷變化。 圖3 為調(diào)度日內(nèi)各可再生能源電站聯(lián)合出力。

圖3 調(diào)度日內(nèi)各可再生能源電站聯(lián)合出力示意圖Fig.3 Diagram of joint output of renewable energy power stations on dispatching day

由圖3 可知，配備儲熱的CSP 電站和抽水蓄能電站在應(yīng)對等效負(fù)荷劇烈波動(dòng)時(shí)，通過能量儲存和調(diào)節(jié)特性，可以實(shí)現(xiàn)全天日內(nèi)電力供應(yīng)再分配。 CSP 電站在夜間通過儲熱裝置釋放熱量供給汽輪機(jī)發(fā)電； 在晝間將集熱系統(tǒng)獲取的熱量一部分釋放發(fā)電， 剩余熱量儲存至儲熱裝置。 與此同時(shí)， 抽蓄電站將負(fù)荷低谷時(shí)刻儲存的風(fēng)電能量轉(zhuǎn)換為勢能進(jìn)行存儲備用， 在負(fù)荷高峰時(shí)刻發(fā)電彌補(bǔ)峰荷需求。

CSP 和抽水蓄能使原本波動(dòng)無序的風(fēng)電成為穩(wěn)定可調(diào)度的電源，體現(xiàn)出“移峰錯(cuò)谷”的作用。將CSP、抽水蓄能聯(lián)合出力作為調(diào)峰電源，平滑凈負(fù)荷曲線，既替代火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)環(huán)保發(fā)電，又提升了可再生能源發(fā)電消納規(guī)模， 實(shí)現(xiàn)以可再生能源消納可再生能源。

2 可再生能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型

本文綜合考慮風(fēng)電和CSP 并網(wǎng)消納的運(yùn)行維護(hù)成本、抽水蓄能電站不同工況下的啟動(dòng)成本、系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用成本、調(diào)峰容量交易成本，構(gòu)建可再生能源電力系統(tǒng)綠電調(diào)度成本模型， 其目標(biāo)函數(shù)為保證可再生能源系統(tǒng)調(diào)度成本之和最小，即：

式中：E1為風(fēng)電、CSP 的運(yùn)行維護(hù)成本；E2為抽水蓄能電站不同工況下的啟動(dòng)成本；E3為系統(tǒng)備用容量成本；E4為調(diào)峰容量購買成本。

①風(fēng)電與CSP 發(fā)電的運(yùn)行維護(hù)成本E1

其中， 光熱電站集熱裝置和儲熱裝置提供的發(fā)電功率為

③系統(tǒng)備用容量成本E3

系統(tǒng)中風(fēng)電滲透率較高， 勢必會使電網(wǎng)運(yùn)行的不確定性升高。 為了及時(shí)應(yīng)對預(yù)測誤差以及突發(fā)事件，CSP 電站需要預(yù)留更多的備用容量。額外增加的旋轉(zhuǎn)備用容量成本為

④調(diào)峰容量交易成本E4

由于風(fēng)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性， 在部分極端天氣情況下，會降低綠電系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)能力。為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，需要購買一定的調(diào)峰容量（相鄰地區(qū)的可再生能源），此時(shí)產(chǎn)生的調(diào)峰容量交易成本為

式中：Kbuy為外購容量成本系數(shù)；Pbuy，t為t 時(shí)刻系統(tǒng)外購的調(diào)峰容量。

3 系統(tǒng)約束條件

風(fēng)電、CSP 電站和抽水蓄能電站聯(lián)合并網(wǎng)時(shí)，主要約束條件如下。

①電功率平衡約束

不計(jì)網(wǎng)絡(luò)損耗時(shí)， 各電站輸出功率以及系統(tǒng)交易電量之和與電網(wǎng)負(fù)荷相等，即：

③CSP 電站出力約束

CSP 電站出力由集熱裝置和儲熱裝置兩部分聯(lián)合提供，其中等式約束部分見文獻(xiàn)[5]，不等式約束為

儲能裝置的儲放熱功率可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，但儲熱與放熱不可以同時(shí)進(jìn)行，相應(yīng)約束為

式中：rucsp和rdcsp分別為CSP 發(fā)電的最大向上和向下爬坡率。

由CSP 電站提供的系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用容量約束為式中：μL為負(fù)荷備用系數(shù)。

④抽水蓄能電站出力約束

本文所述抽水蓄能電站為變速恒頻抽水蓄能電站， 抽水蓄能機(jī)組的下水庫為具有天然來水的河流。 考慮的約束有：庫容容量約束、庫容變化約束以及發(fā)電和抽水功率約束。

庫容容量約束為

4 仿真及結(jié)果分析

4.1 算例系統(tǒng)概述

本文算例系統(tǒng)包括CSP 電站、風(fēng)電場以及抽水蓄能電站， 基于西北某省實(shí)測數(shù)據(jù)， 應(yīng)用CPLEX 對模型進(jìn)行優(yōu)化，以驗(yàn)證模型的有效性與可靠性。 風(fēng)電出力數(shù)據(jù)來自西北某省內(nèi)100 MW風(fēng)電場2018 年全年實(shí)測數(shù)據(jù)， 采樣間隔5 min；CSP 電站的具體參數(shù)如表1 所示。 太陽輻照指數(shù)（DNI） 數(shù)據(jù)通過美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）開發(fā)的仿真模擬軟件SAM 獲取，抽水蓄能電站參數(shù)如表2 所示。 典型日風(fēng)電預(yù)測功率及24 個(gè)調(diào)度時(shí)段的負(fù)荷預(yù)測功率如圖4 所示。

表1 200 MW CSP 電站參數(shù)Table 1 Parameters of 200 MW CSP plant

表2 抽水蓄能機(jī)組的模型參數(shù)Table 2 Model parameters of pumped storage units

圖4 典型日風(fēng)電、負(fù)荷及DNI 預(yù)測值Fig.4 Typical daily wind power， load and DNI forecast

模型參數(shù)值設(shè)置： 系統(tǒng)備用成本系數(shù)kr為200 元/MW； 風(fēng)電并網(wǎng)發(fā)電的運(yùn)行維護(hù)成本kw為50 元/MW；外購容量成本系數(shù)Kbuy為400 元/MW。

4.2 算例結(jié)果分析

經(jīng)過CPLEX 優(yōu)化算法求解，得到典型日最優(yōu)綜合成本為45.8 萬元。 此時(shí)，各可再生能源電站出力構(gòu)成如圖5 所示。 抽水蓄能電站出力情況如圖6 所示。

圖5 典型日各發(fā)電單元出力構(gòu)成Fig.5 Actual output value of each power station in typical day

圖6 抽水蓄能電站各時(shí)刻出力情況Fig.6 Output of pumped storage power station at each moment

由圖5 可知，典型日內(nèi)，各可再生能源機(jī)組充分發(fā)揮各自特性，優(yōu)缺互濟(jì)，余虧互補(bǔ)，相互配合出力。在夜間時(shí)段，CSP 電站為了保證接納更多風(fēng)能，減小系統(tǒng)棄風(fēng)電量，維持在較小出力水平。 此時(shí)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電工況， 配合風(fēng)電出力滿足負(fù)荷需求。在日間光照充足時(shí)段，CSP 電站的集熱裝置將光能轉(zhuǎn)換為電能直接供給電網(wǎng)， 其余能量以熱能形式儲存在儲熱裝置中。 此時(shí)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在抽水工況， 將超過系統(tǒng)消納能力的電能以勢能的形式儲存在上水庫， 以備夜間發(fā)電出力，實(shí)現(xiàn)可再生能源電力出力平移。 可以看出，全可再生能源系統(tǒng)內(nèi)CSP 與抽蓄機(jī)組協(xié)調(diào)互補(bǔ)，配合風(fēng)電出力，共同保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

由圖6 可知， 抽水蓄能電站具有能量時(shí)移的特性，可以將波動(dòng)無序的風(fēng)電出力時(shí)空平移，使其平穩(wěn)可調(diào)度。 在凌晨通過釋放前一個(gè)調(diào)度日儲存的勢能發(fā)電滿足負(fù)荷需求；在日間CSP 電站出力高峰時(shí)，利用本應(yīng)棄風(fēng)電量進(jìn)行抽水儲能，儲存的能量在夜間釋放，起到移峰錯(cuò)谷的作用。為保證下一個(gè)調(diào)度日調(diào)度需求， 上水庫水量釋放至臨界值即停止放水發(fā)電。

CSP 電站出力穩(wěn)定可控，利用CSP 電站為風(fēng)電和負(fù)荷預(yù)測誤差提供備用， 通過可再生能源（CSP 電站）彌補(bǔ)預(yù)測精度的不足，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 CSP 電站在調(diào)度日的具體出力情況如圖7 所示。

圖7 CSP 電站各時(shí)段功率消耗情況Fig.7 Power consumption of CSP power stations in each period

4.3 普適性與有效性驗(yàn)證

本文通過對不同風(fēng)電出力場景下， 兩種模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比， 驗(yàn)證考慮光熱電站參與風(fēng)電消納優(yōu)化調(diào)度模型的普適性與有效性。

風(fēng)電出力具有不確定性， 為說明本文所提模型的普適性，本文根據(jù)文獻(xiàn)[18]的方法將風(fēng)電全年出力削減成3 類典型場景， 削減后的風(fēng)電出力曲線如圖8 所示。 3 各類典型場景的概率分別為46.75%，35.69%和17.56%。與光伏發(fā)電不同，含儲熱裝置的CSP 電站出力可控，其發(fā)電特性與火電機(jī)組相似，故本文暫時(shí)不考慮CSP 電站的多場景出力。

圖8 3 類典型場景下風(fēng)電出力曲線Fig.8 Three typical scenes of wind power output curve

將原系統(tǒng)中CSP 電站替換為同容量的常規(guī)火電機(jī)組，火電機(jī)組參數(shù)見文獻(xiàn)[19]。 討論不同風(fēng)電出力場景下兩種運(yùn)行模式的調(diào)度情況。

由表3 可知，在場景一中，風(fēng)電出力較大，本文優(yōu)化調(diào)度模型調(diào)度成本僅為45.9 萬元，較對比模型降低了46.6%， 這主要是因?yàn)閷Ρ饶Ｐ椭谢痣姍C(jī)組作為主力發(fā)電單元，其燃料成本較大。兩種模式下棄風(fēng)率基本相當(dāng)。在場景二中，風(fēng)電出力水平一般， 本文模型存在94.6 MW 的外購電量，因而調(diào)度成本有所增加， 但棄風(fēng)率較對比模型有所降低；在場景三中，風(fēng)電出力水平較低，但風(fēng)電波動(dòng)幅度很大， 此時(shí)對比模型仍存在4.9%的棄風(fēng)率。 而本文模型通過CSP 電站和抽蓄電站的出色調(diào)節(jié)能力可有效平抑風(fēng)電波動(dòng)，促進(jìn)風(fēng)電消納，綜合成本僅為對比模型的58.7%。 可見本文模型在提升經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上可有效促進(jìn)風(fēng)電消納。

表3 不同風(fēng)電出力場景下兩種調(diào)度模型結(jié)果對比Table 3 Comparison of results of two scheduling methods under different wind power scenarios

通過對上述3 類不同場景下兩種模型調(diào)度結(jié)果的分析， 充分說明了本文所提調(diào)度模型的普適性和有效性。

5 結(jié)論

本文將CSP 電站與風(fēng)電和抽水蓄能電站相結(jié)合， 建立了以綜合成本最低為目標(biāo)函數(shù)的全可再生能源系統(tǒng)綠電調(diào)度模型， 其中配置儲熱裝置的CSP 電站出力穩(wěn)定、可調(diào)度性強(qiáng)，在對負(fù)荷供電的同時(shí)還可以在一定程度上為風(fēng)電和負(fù)荷預(yù)測誤差提供備用，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。最后， 通過對風(fēng)電出力典型場景下兩種調(diào)度模型的結(jié)果對比可知， 在場景一中節(jié)省了46.6%的調(diào)度成本， 并且隨著風(fēng)電出力的減小和波動(dòng)程度的加深，本文模型對風(fēng)電的平抑調(diào)控能力逐漸凸顯，可在提升調(diào)度經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)有效促進(jìn)風(fēng)電消納。