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(xué)控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

目前我國的發(fā)電形式主要以火力發(fā)電為主，但是其付出的環(huán)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(xù)發(fā)展的新能源來代替。而太陽能無疑是一種十分適合發(fā)展的清潔能源，以其無污染、可再生和綠色環(huán)保的特點成為新能源中很重要的開發(fā)對象。太陽能光熱發(fā)電目前也發(fā)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(zhuǎn)，重點是太陽能光熱發(fā)電增加了熱能存儲裝置，可以自行調(diào)節(jié)輸出功率，有利于光熱發(fā)電的穩(wěn)定輸出和并網(wǎng)。目前光熱發(fā)電和光伏發(fā)電成本相當(dāng)，但是光伏的生產(chǎn)對于環(huán)境影響大且對于工藝要求較高，光熱發(fā)電中自帶的儲熱系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的能源輸出。由此可以看出，光熱發(fā)電在新能源發(fā)電中有自己獨特的優(yōu)勢[1]。

1 光熱發(fā)電站的運行原理

太陽能光熱發(fā)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(zhì)來帶動汽輪機發(fā)電。下圖1是光熱發(fā)電站的主要構(gòu)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(nèi)的導(dǎo)熱工質(zhì)，一般用到的導(dǎo)熱工質(zhì)為導(dǎo)熱油；導(dǎo)熱工質(zhì)被加熱至400℃以上，導(dǎo)熱工質(zhì)攜帶熱能與儲熱系統(tǒng)和熱循環(huán)系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)將得到的熱量加熱水至蒸汽，推動汽輪機做功，從而產(chǎn)生電能[2]。

從光熱發(fā)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(fù)荷調(diào)度能力，其調(diào)節(jié)速度要比一般的火電機組快得多，這個特點可用于協(xié)調(diào)和平衡其他不穩(wěn)定可再生能源發(fā)電的波動[3]。同時，光熱發(fā)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(diào)節(jié)能力，能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 光熱發(fā)電站的主要構(gòu)成

光熱發(fā)電站的調(diào)度特性與傳統(tǒng)火電廠類似，但特殊的地方在光熱發(fā)電站的建模是必須考慮的。

1）對于光熱發(fā)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(fā)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(fā)電站的約束情況分析

在光熱發(fā)電站的建模之前，明確電站的運行特點和描述重點。應(yīng)是在整個運行系統(tǒng)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(diào)度問題中因系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)變化時間相比于調(diào)度的時間間隔小得多，且調(diào)度模型不需要關(guān)注太多系統(tǒng)內(nèi)部的能量交換，可以充分簡化這兩個內(nèi)容，由此可得到光熱發(fā)電站的抽象模型為：

圖2 光熱發(fā)電系統(tǒng)原理簡化結(jié)構(gòu)

2.1 光熱發(fā)電站中能量的轉(zhuǎn)移及等式約束

通過對光熱發(fā)電系統(tǒng)的簡化之后，可以很方便的將其中的導(dǎo)熱工質(zhì)看做是系統(tǒng)中的一個節(jié)點，同時導(dǎo)熱工質(zhì)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(huán)系統(tǒng)，可以得出系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率和光照輻射指數(shù)共同決定的，其接收到的功率為：

式中：η光場為光熱轉(zhuǎn)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(shù)。

此時系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(yīng)該考慮到的，熱耗散在其中的體現(xiàn)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(tǒng)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(fā)電站的總能量；γ為耗散系數(shù)；Δt為時間間隔。

這中間在熱力循環(huán)裝置的能量流動可以通過熱功率和電功率的函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系來簡化表示為：

式中：為熱力循環(huán)的電功率。

2.2 光熱發(fā)電站中運行時的限制條件

光熱發(fā)電站通過吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱工質(zhì)并推動汽輪機發(fā)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(fā)電機組的備用發(fā)電功率；和分別為光熱發(fā)電機組的最大和最小負(fù)荷；xt為機組的工作狀態(tài)；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(fā)電系統(tǒng)中儲熱裝置起著舉足輕重的作用，一個光熱發(fā)電站的持續(xù)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(fù)荷小時數(shù)”來衡量[7]，儲熱裝置的容量也應(yīng)有最小儲能限制用以保證安全，其相關(guān)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(fù)荷小時數(shù)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(diào)范圍內(nèi)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(fā)電站的電網(wǎng)調(diào)度模型建立

通過對于光熱發(fā)電系統(tǒng)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(zhuǎn)移等式。在此基礎(chǔ)上組合各個約束條件建立光熱發(fā)電站電網(wǎng)調(diào)度模型為：

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

其中式（20）至式（23）為光熱發(fā)電站在運行時約束條件的具體矢量化描述；式（21）表示系統(tǒng)中其他機組對應(yīng)離散變量的約束，包括機組啟停狀態(tài)變量約束、最小開機/停運時間約束；式（22）表示系統(tǒng)中的連續(xù)變量的約束，包括機組的爬坡約束、風(fēng)電出力約束、系統(tǒng)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(shè)計光熱發(fā)電的控制變量；式（23）為混合整數(shù)約束，包括機組的出力和備用約束。

4 算例系統(tǒng)分析

算例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，此系統(tǒng)是通過標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)修改而來。同時，通過光熱發(fā)電站的模型來簡化模擬系統(tǒng)的發(fā)電過程和運行情況[9]。

首先要分析放熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本，必須了解系統(tǒng)中發(fā)電機的成本，而發(fā)電機的成本函數(shù)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(tǒng)

其中：ai，bi，ci為發(fā)電成本系數(shù)。

為了精確化的表達熱力循環(huán)系統(tǒng)的工作效率，通過對其在不同發(fā)電功率的情況下對應(yīng)的注入功率的關(guān)系進行分段線性表示：

通過利用上述式子中對于能量轉(zhuǎn)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(yīng)的混合整數(shù)線性規(guī)劃問題。同時利用MATLAB中的相應(yīng)工具包對系統(tǒng)的約束條件進行求解，并得到了很好的結(jié)果[10]。

為方便研究，以下算例中認(rèn)為光熱發(fā)電站電站的儲能系統(tǒng)在一天的總能量相等，均為總?cè)萘康?0%。系統(tǒng)最小備用容量取調(diào)度日最大負(fù)荷的10%。

1）算例1：光熱發(fā)電站并網(wǎng)的發(fā)電成本計算與分析,首先應(yīng)假定系統(tǒng)的負(fù)荷和光照曲線，如下圖4所示，其中應(yīng)假設(shè)光熱發(fā)電站的功率為500 MW。對比系統(tǒng)在不含太陽能電站（情形1）、接入光伏發(fā)電站（情形2）和接入光熱發(fā)電站（情形3）時的系統(tǒng)發(fā)電成本，結(jié)果如表1所示?？梢院苊黠@的看出，在同一發(fā)電量下，采用光熱發(fā)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(fā)電的優(yōu)勢，即在低成本的情況下產(chǎn)生最大的效益和價值[11]。

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

圖4 算例1的系統(tǒng)負(fù)荷和光照曲線

圖5 光伏發(fā)電站和光熱發(fā)電站接入系統(tǒng)的總負(fù)荷和發(fā)電曲線

圖6 光熱發(fā)電站儲/放熱和發(fā)電曲線

2）算例2：光熱發(fā)電站并網(wǎng)在傳輸線路利用方面的效益,首先，定義線路的利用率指標(biāo)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(dāng)光熱發(fā)電站和風(fēng)電場同時在一個節(jié)點輸入時，若此時的極限傳輸容量為200 MW，且假設(shè)光熱發(fā)電站發(fā)電能夠完全消納。曲線變化很明顯的反映了光伏發(fā)電站和光熱發(fā)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(fā)電站的不可調(diào)度性，其占用大量的輸電資源，直接導(dǎo)致棄風(fēng)量的上升。棄風(fēng)量由123.54 MW·h增加至387.53 MW·h，增加213.68%；而光熱發(fā)電站電站在將自身發(fā)電100%送出的基礎(chǔ)上，不僅減少了棄風(fēng)，還使線路利用率提高了10.58個百分點，有助于解決大規(guī)模風(fēng)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(fā)電站發(fā)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(fā)電站容量下線路的功率曲線

5 結(jié)束語

綜上所述由于太陽能光熱發(fā)電無污染，并采用常規(guī)汽輪機即可發(fā)電，加之目前太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可以引入熔融鹽儲熱技術(shù)，可以實現(xiàn)連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定，避免了光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電難以解決的入網(wǎng)調(diào)峰問題，所以太陽能光熱發(fā)電必將作為新能源的新興產(chǎn)業(yè)迅速崛起，尤其槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)必將有廣闊的市場前景[15]。本文從光熱發(fā)電站的運行機理出發(fā)，建立了其電網(wǎng)調(diào)度模型。并將該模型納入含網(wǎng)絡(luò)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(fā)電站并網(wǎng)的潛在效益。算例表明：光熱發(fā)電站具有較好的可調(diào)度性，與同容量的光伏發(fā)電站相比，通過合理安排其出力，能夠有效降低系統(tǒng)的發(fā)電成本；光熱發(fā)電站和風(fēng)電打捆并網(wǎng)時，可利用光熱發(fā)電站的爬坡能力和備用，有效減少因風(fēng)電波動和系統(tǒng)備用不足導(dǎo)致的棄風(fēng)；光熱發(fā)電站和風(fēng)電打捆并網(wǎng)時，可有效提高大規(guī)模風(fēng)電集中匯入外送線路的利用率?？傊?，光熱發(fā)電站發(fā)電具有在自身被完全消納的前提下為電網(wǎng)運行帶來更多效益的優(yōu)良特性。雖然光熱發(fā)電站發(fā)電技術(shù)有諸多優(yōu)點，但其發(fā)展還存在一些阻礙。光熱發(fā)電具有市場需求范圍廣，產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿艽蟮膬?yōu)勢。