光热发电接入电网的调度模型与入网关键技术分析

史腾飞，马朋飞，郑欣，刘荣海，常喜茂，王坤，李亚宁

（1.华北电力大学控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2.华北电力大学云南电网公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

目前我国的发电形式主要以火力发电为主，但是其付出的环境成本巨大，面对日益枯竭的一次性能源，急需寻求其他可再生、可持续发展的新能源来代替。而太阳能无疑是一种十分适合发展的清洁能源，以其无污染、可再生和绿色环保的特点成为新能源中很重要的开发对象。太阳能光热发电目前也发展的越来越成熟，其工作原理和火电机组是通过聚焦光热带动蒸汽轮机的运转，重点是太阳能光热发电增加了热能存储装置，可以自行调节输出功率，有利于光热发电的稳定输出和并网。目前光热发电和光伏发电成本相当，但是光伏的生产对于环境影响大且对于工艺要求较高，光热发电中自带的储热系统可以提供稳定的能源输出。由此可以看出，光热发电在新能源发电中有自己独特的优势[1]。

1 光热发电站的运行原理

太阳能光热发电是利用太阳能聚光集热器把太阳辐射的能量聚集起来，通过加热工质来带动汽轮机发电。下图1是光热发电站的主要构成，下面介绍各个部分的工作原理。图1中的太阳能集热场是用来聚集太阳能的热辐射，同时加热其管道内的导热工质，一般用到的导热工质为导热油；导热工质被加热至400℃以上，导热工质携带热能与储热系统和热循环系统进行热交换；储热装置可以储存热量便于在阴天或者夜间等太阳光辐射低时热交换使用，热循环系统将得到的热量加热水至蒸汽，推动汽轮机做功，从而产生电能[2]。

从光热发电站的运行原理可以看出，其在携带有储热装置后具有很强的负荷调度能力，其调节速度要比一般的火电机组快得多，这个特点可用于协调和平衡其他不稳定可再生能源发电的波动[3]。同时，光热发电站的汽机为了匹配光场和储热装置的特性，也具有良好的快速调节能力，能够增加系统的稳定性。

图1 光热发电站的主要构成

光热发电站的调度特性与传统火电厂类似，但特殊的地方在光热发电站的建模是必须考虑的。

1）对于光热发电站的能源供给是人为无法控制的，因吸收的光能在一天中是不断变化的，这是在光能作为输入所必须考虑的。

2）一般的光热发电站中携带的储能装置的容量有限，而且这一过程会有能量损耗，容量的上下限和能量在换热过程的损失也是建模中必须考虑的问题[4]。

2 光热发电站的约束情况分析

在光热发电站的建模之前，明确电站的运行特点和描述重点。应是在整个运行系统中对于能量的变化和运行要求的上下限制的重点描述[5]。而其中在调度问题中因系统内部的动态变化时间相比于调度的时间间隔小得多，且调度模型不需要关注太多系统内部的能量交换，可以充分简化这两个内容，由此可得到光热发电站的抽象模型为：

图2 光热发电系统原理简化结构

2.1 光热发电站中能量的转移及等式约束

通过对光热发电系统的简化之后，可以很方便的将其中的导热工质看做是系统中的一个节点，同时导热工质也作为一个能量交换中心，将从光场吸收到的能量传递给储热装置和热循环系统，可以得出系统的功率转移等式如式（1）所示：

从光场中传出的能量是由光镜面积、光热转换效率和光照辐射指数共同决定的，其接收到的功率为：

式中：η光场为光热转换效率；S光场为镜场面积；Rt为t时刻的光照直接辐射指数。

此时系统中镜场在接收到光能时总会伴有光量的丢失，如式（3）所示：

式中：P吸收为系统吸收太阳得到的总功率，P丢失为丢失的弃光功率[6]。

对于系统中的储热装置来说，热量在热交换的过程中会不可避免的损失一部分，这些损失的能量也是在建模之中应该考虑到的，热耗散在其中的体现为:

式中：和分别为储能装置的充、放热功率；ηc和ηd分别为充放热效率。

在考虑到能量丢失和热耗散之后，通过对其系统在工作点附近线性化的简化计算之后，可得到能量方程为：

式中：Et为t时刻光热发电站的总能量；γ为耗散系数；Δt为时间间隔。

这中间在热力循环装置的能量流动可以通过热功率和电功率的函数转换关系来简化表示为：

式中：为热力循环的电功率。

2.2 光热发电站中运行时的限制条件

光热发电站通过吸收光能转换为热能，加热工质并推动汽轮机发电，所以其运行过程中的约束条件与火电厂汽轮机组相似，这部分可以参照火电机组的约束条件，即：

式中：和为光热发电机组的备用发电功率；和分别为光热发电机组的最大和最小负荷；xt为机组的工作状态；TMinOn和TMinOff分别为机组的最小运行和停运时间；ut和vt分别为机组的开停机变量，1表示机组在t时刻启动/停机；RU和RD分别为机组的最大上、下爬坡能力；T为总时长。

这其中，在光热发电系统中储热装置起着举足轻重的作用，一个光热发电站的持续输出功率能力很大一部分取决于储热装置的容量大小，储热装置的容量一般用汽轮机组的“满负荷小时数”来衡量[7]，储热装置的容量也应有最小储能限制用以保证安全，其相关约束可以表示为：

式中：Emin为储热装置的最小储热能量；ρ为以满负荷小时数为单位描述的储热装置的最大容量。

在储热装置的充/放热过程中，必须限制其在可调范围内变化，不能超过充/放热的最大量程，也不能同时进行充/放热，这是可以得到的约束条件为：

式中：和分别为最大充、放电功率。

3 光热发电站的电网调度模型建立

通过对于光热发电系统的约束条件进行分析之后，建立了一系列的上下限约束条件和能量转移等式。在此基础上组合各个约束条件建立光热发电站电网调度模型为：

式中：xc和yc分别为光热发电站对应的0-1变量和连续变量；为发电机的发电成本函数；x和y分别为兄中其他机组对应的0-1变量和连续变量；A、B、C、D、F、G、H、L、R、W、a、c、d、g、h、r均为参数矩阵[8]。

其中式（20）至式（23）为光热发电站在运行时约束条件的具体矢量化描述；式（21）表示系统中其他机组对应离散变量的约束，包括机组启停状态变量约束、最小开机/停运时间约束；式（22）表示系统中的连续变量的约束，包括机组的爬坡约束、风电出力约束、系统总备用约束、传输容量约束和传输功率爬坡约束，其中部分约束也设计光热发电的控制变量；式（23）为混合整数约束，包括机组的出力和备用约束。

4 算例系统分析

算例系统结构如图3所示，此系统是通过标准系统修改而来。同时，通过光热发电站的模型来简化模拟系统的发电过程和运行情况[9]。

首先要分析放热发电系统的发电成本，必须了解系统中发电机的成本，而发电机的成本函数在工作时是非线性的，为了简化计算，在求解时直接用分段线性化的方法进行近似[10]。

图3 算例系统

其中：ai，bi，ci为发电成本系数。

为了精确化的表达热力循环系统的工作效率，通过对其在不同发电功率的情况下对应的注入功率的关系进行分段线性表示：

通过利用上述式子中对于能量转移的约束条件和储热装置的容量限制等的约束问题，对式（18）进行了线性化处理，最后得到了相应的混合整数线性规划问题。同时利用MATLAB中的相应工具包对系统的约束条件进行求解，并得到了很好的结果[10]。

为方便研究，以下算例中认为光热发电站电站的储能系统在一天的总能量相等，均为总容量的50%。系统最小备用容量取调度日最大负荷的10%。

1）算例1：光热发电站并网的发电成本计算与分析,首先应假定系统的负荷和光照曲线，如下图4所示，其中应假设光热发电站的功率为500 MW。对比系统在不含太阳能电站（情形1）、接入光伏发电站（情形2）和接入光热发电站（情形3）时的系统发电成本，结果如表1所示。可以很明显的看出，在同一发电量下，采用光热发电的总成本是最低的，从中就能很清楚地看到太阳能光热发电的优势，即在低成本的情况下产生最大的效益和价值[11]。

图5是在分别加入了光伏发电站和光热发电站之后的负荷变化曲线，其中，原始负荷曲线峰谷差为239.5 MW，引入光伏发电后增加至245.8 MW，增加2.7%；引入光热发电站后峰谷差降至204.2 MW，减少10.6%。从中可以看出光热发电站电站的作用可以概括为“填谷去峰”。对应的光热发电站储/放热以及发电曲线在图6中给出，可以看到，借助储热装置，一部分的光热发电站能被平移到负荷高峰期，使系统的等效负荷曲线更为平滑[12]。

图4 算例1的系统负荷和光照曲线

图5 光伏发电站和光热发电站接入系统的总负荷和发电曲线

图6 光热发电站储/放热和发电曲线

2）算例2：光热发电站并网在传输线路利用方面的效益,首先，定义线路的利用率指标为：

式中：f1,t和f1,max分别为线路t时刻的传输容量和极限传输容量[13]。

当光热发电站和风电场同时在一个节点输入时，若此时的极限传输容量为200 MW，且假设光热发电站发电能够完全消纳。曲线变化很明显的反映了光伏发电站和光热发电站的线路上有功功率的变化。

从上图可以看出，由于光伏发电站的不可调度性，其占用大量的输电资源，直接导致弃风量的上升。弃风量由123.54 MW·h增加至387.53 MW·h，增加213.68%；而光热发电站电站在将自身发电100%送出的基础上，不仅减少了弃风，还使线路利用率提高了10.58个百分点，有助于解决大规模风电集中汇入线路利用率偏低的共性问题。算例2表明，光热发电站发电的引入是提高线路利用率的有效方案[14]。

图7 不同光热发电站容量下线路的功率曲线

5 结束语

综上所述由于太阳能光热发电无污染，并采用常规汽轮机即可发电，加之目前太阳能光热发电系统可以引入熔融盐储热技术，可以实现连续供电，保证电流稳定，避免了光伏发电与风力发电难以解决的入网调峰问题，所以太阳能光热发电必将作为新能源的新兴产业迅速崛起，尤其槽式太阳能光热发电系统必将有广阔的市场前景[15]。本文从光热发电站的运行机理出发，建立了其电网调度模型。并将该模型纳入含网络SCUC中，通过一些仿真算例检验了所建模型的特性，初步分析了光热发电站并网的潜在效益。算例表明：光热发电站具有较好的可调度性，与同容量的光伏发电站相比，通过合理安排其出力，能够有效降低系统的发电成本；光热发电站和风电打捆并网时，可利用光热发电站的爬坡能力和备用，有效减少因风电波动和系统备用不足导致的弃风；光热发电站和风电打捆并网时，可有效提高大规模风电集中汇入外送线路的利用率。总之，光热发电站发电具有在自身被完全消纳的前提下为电网运行带来更多效益的优良特性。虽然光热发电站发电技术有诸多优点，但其发展还存在一些阻碍。光热发电具有市场需求范围广，产业发展潜力很大的优势。