PDF《含储热光热电站的电网调度模型与并网效益分析》

D O I :

1 0.

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0 0 / A E P S

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1 3

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1 含储热光热电站的电网调度模型与并网效益分析 陈润泽1,

2 ,孙宏斌1,

2 ,李正烁1,

2 ,刘一兵1,

2 ( 1. 清华大学电机工程与应用电子技术系,北京市

1 0

0 0

8 4;

2. 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室,清华大学,北京市

1 0

0 0

8 4 ) 摘要:含储热的光热发电系统是近年来太阳能利用的一种新的发展方向.其优势体现在: 借助大 容量的储热装置, 该系统能够平移所吸收的光热能, 具有良好的可调度性;

同时其中的汽轮机组具 有良好的可控性.从含储热的光热电站的运行机理入手, 经过抽象和简化, 得到了面向电网调度的 光热电站模型.该模型刻画了光热电站中的能量流及其主要运行约束, 适用于电网调度.在传统 安全约束机组组合模型基础上, 提出了含光热电站的电网调度模型.对算例系统进行了电网调度 仿真, 分析了在完全接纳光热发电的前提下, 光热电站并网在发电成本、 可再生能源接纳和提高汇 集输电线路利用率等方面的可观效益. 关键词:光热;

储热;

模型;

机组组合;

效益分析 收稿日期:

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1 4 G

0 3 G

1 3;

修回日期:

2 0

1 4 G

0 6 G

2 0. 国家重点基础研究发展计划(973计划)资 助项目(2013CB228201) ;

国家杰出青年科学基金资助项目(51025725) ;

国家自然科学基金资助项目(51321005,

5 1

3 6

1 1

3 5

7 0

3 ) ;

北京市青年英才计划资助项目( Y E T P

0 0

9 6 ) .

0 引言 太阳 能光伏(photovoltaic,PV) 发电和光热(concentratings o l a rp o w e r , C S P) 发电是目前大容 量太阳能发电的两种主要技术路线.其中, P V 发 电已经受到了广泛关注, 在其建模、 控制、 优化调度 以及对系统的影响等方面, 已有较多成熟的研究成 果[

1 G 5] .但随着技术的不断改进, C S P也逐渐进入了 快速增长期, 至2

0 0 9年4月, 全球装机总容量已达 1. 2GW;

预计2

0 1 4年底将达到1 3. 9GW [

6 ] .相比 P V 发电, C S P发电的研究还相对滞后. 在CSP系统中, 光能被聚集起来对特定的介质 加热, 介质传递热能, 制造蒸汽驱动汽轮机组生产电 力[ 7] .菲涅尔反射镜( F r e s n e l r e f l e c t o r ) 、 抛物面槽 ( p a r a b o l i c t r o u g h ) 和聚光塔( s o l a r t o w e r ) 等是常见 的聚光手段[

8 G

9 ] .近年 来, 随着熔盐储能技术的成熟, 储热系统( t h e r m a l s t o r a g es y s t e m, T S S) 已成为 C S P系统的常见组成部分[

1 0 ] .相比电磁、 化学以及 机械等形式的储能, 基于熔盐的储热(thermalstorage,TS)同时兼具容量大、 效率高和成本低等优 势.且CSP系统因含有热交换环节而天然具备与 T S结合的条件.配备了 T S的CSP系统可在容量 允许的范围内对 C S P进行平移, 使其成为一种可调 度资源[

1 1 ] .典型 C S P电站的 T S S可在无光照条件 下支持电站 约15h 的满负荷发电[

7 ] , 这使得CSP电站具有良好的调度特性( 在后文中, C S P 电站均 指代含 T S的CSP电站) .另外, C S P 的热交换系 统具有较好的可控性和调节能力, 能支持汽轮机组 进行快速出力调节, 具有与燃气机组类似的爬坡能 力, 最快可以达到每分钟调节2 0%的装机容量, 远 高于普通火电机组每分钟调节2%~5%的装机容 量. 为了研究 C S P电站的运行, 有学者致力于研究 其仿真技术[

1 2 G

1 3 ] ,其中由美国NREL开发的SystemAdvisorM o d e l ( S AM) 软件中包含了非常详 细的模型, 可用于分析 C S P电站的运行特性和经济 性.也有研究对PV和CSP发电技术做了对比[

1 4 G

1 6] , 结果表明, 通常 P V 发电的 土地利用率更高, 而CSP发电在可调节性和环保性上具有优势, 它们的发电效率优劣则与光照条件有关.还有研究 把CSP电站和碳捕集电站做了比较[

1 7 ] .文献[

1 8] 分析了 C S P电站在特定光照条件和市场机制下的 经济价值, 结果表明, 利用 T S, C S P 电站能通过制 定合理的交易策略获取更高收益.文献[

1 9 ] 则更具 体地分 析了CSP电站容量和价值的关系. 文献[18G19] 中均建立了 C S P 电站的数学模型, 但主要 被用于分析 C S P 电站在给定价格曲线时的经济价 值, 未考虑爬坡、 备用等因素, 尚无法直接应用于含 C S P电站的电网调度问题.总之, C S P电站本身的 运行以 及其收益―成本分析是目前研究的一个重―1―第38卷第19期2014年10月10日Vol.38No.19Oct.10,

2 0

1 4 点, 相关的文献还有文献[

2 0 G

2 2 ] . C S P电站并网后, 对电网调度运行的影响也值 得关注.分析这些影响, 并在此基础上研究面向改 善系统运行的 C S P电站调度模型和方法是必要的, 有望进一步提高 C S P 的竞争力.而目前尚无文献 专门对该类问题展开研究. 本文则从 C S P系统的运行机理入手, 经过适当 简化得到了其调度模型.通过算例仿真, 展示了模 型的特性, 并初步分析了在完全接纳 C S P发电的前 提下, C S P电站为电网运行带来的效益.

1 C S P电站的运行机理 C S P电站通常含3个主要部分: 光场(solarfield,SF) 、 T S和热力循环( p o w e rc y c l e , P C) .它们 之间由传热流体( h e a t G t r a n s f e rf l u i d , HT F) 传递能 量.C S P电站的主要结构如图1所示[

2 3 ] .目前主 流的 HT F 介质是热导油, 在SF中, HT F 由低于300℃被加热至高于3

9 0 ℃;

HT F 可与 T S进行双 向热交换.常见的 T S介质是熔盐, 其工作温度通 常在

2 3 0~5

0 0 ℃ 之间.图1所示的两罐结构是TSS的一种典型构造, 其中热盐罐和冷盐罐分别工 作在不同的设定温度下.熔盐在两罐之间的流向决 定了能量在 HT F 和TSS之间的传递方向.P C 包 含一系列热力学元件, 其中最 主要的是汽轮机组: P C利用 HT F中的热能产生蒸汽, 蒸汽推动汽轮机 组发电.有时, 为了保障系统的正常运行, 为启动提 供备用热 源, C S P 系统还会集成一台小型燃气锅炉, 在本文中, 暂不予以考虑. 图1 C S P系统的主要结构 F i g .

1 M a i ns t r u c t u r eo fC S Ps y s t e m C S P电站的运行机理使得其具有完全 不同于 一般可 再生能源的调度特性.首先, 有大容量的TSS作 为缓冲, C S P 能够灵活地利用光能;

其次, C S P电站中的汽轮机组有良好的快速调节能力, 可 以为系统提供备用和爬坡支撑.因此, C S P 电站有 类似于传统火电机组的调度特性.但在调度问题 中, 由于如下的原因, C S P 电站的模型应与传统火 电机组有所区别: ①光能不同于火电机组所利用的 一次能源, 其供给是不可控的, C S P 电站的调度受 限于所能利用的光能, 又要考虑应充分利用光能, 不 发生弃光, 因此光能供给必须作为输入考虑在 C S P 电站的调度问题中;

②C S P电站 T S S的容量相比其 发电能力是很有限的, 而且储存能量的过程是有损 耗的, 这和传统火电机组一次能源的储存非常不同, T S S的模型也必须包含在 C S P电站的调度模型中. 另外, C S P电站的调节速度要明显快于普通火电机 组, 与燃气机组的性能相近, 因此可以被用于响应其 他可再生能源发电的快速波动.

2 C S P电站的电网调度模型 对电网调度而言, 适用的 C S P电站模型应在充 分简化的基础上重点描述 C S P 系统中的能量流动 和主要运行限制, 考虑到调度问题所关心的时间间 隔尺度远远大于 C S P 电站内部动态过程的时间常 数, 调度模型中不涉及能量交换的动态过程.基于 C S P系统的运行机理, 可以将其结构抽象为如图2 所示的形式. 图2 C S P系统的简化结构 F i g .

2 S i m p l i f i e ds t r u c t u r eo fC S Ps y s t e m 2.

1 C S P电站能量流的等式约束 将HT F视为一个节点, 忽略在 HT F中的能量 损失, 可得系统的功率平衡关系, 如式(

1 ) 所示: Pt h , S G H t -Pt h , H G P t +Pt h , T G H t -Pt h , H G T t -uC S P t Pt h S U =0 (

1 ) 式中: Pt h , S G H t , Pt h , H G P t , Pt h , T G H t , Pt h , H G T t 分别为模块之间 的热交换功率, 如图2标注;

Pt h S U 为PC模块启动所 需功率;

uC S P t 为PC模块在t时刻启动的0 G 1变量,

1 表示启动. 系统接收到的 C S P功率为: Pt h , s o l a r t = ηS F SS F Rt (

2 ) 式中: ηS F 为光―热转换效率;

SS F 为镜场面积;

Rt 为 t时刻的光照直接辐射指数( D N I ) . 系统所能利用的 C S P 功率由此输入值和弃光 量共同决定, 如式(

3 ) 所示: ―

2 ―

2 0

1 4,

3 8 (

1 9 ) Pt h , S G H t =Pt h , s o l a r t -Pt h , c u r t t (

3 ) 式中: Pt h , c u r t t 为弃光功率. 对TSS的充/放热都会引起热损失, 可以用充/ 放热效率来刻画这一特性, 如式(

4 ) 和式(

5 ) 所示: Pt h , c t = η c Pt h , H G T t (

4 ) Pt h , d t = Pt h , T G H t ηd (

5 ) 式中: Pt h , c t 和Pt h , d t 分别为 T S S的充、 放热功率;

η c 和ηd 分别为充、 放热效率. 对于一个 T S装置而言, 热耗散通常是不可忽 略的, 热耗散体现在储能状态方程中: Et h t =e - γ Δ t Et h t -

1 + ( Pt h , c t -

1 -Pt h , d t -

1 ) Δ t (

6 ) 式中: Et h t 为t 时刻TSS中的总能量;

γ 为耗散系数;

Δ t为时间间隔. 因为衰减系数通常很小, 为方便计算, 可以对其 线性化, 得到式(

7 ) : Et h t =( 1-γΔ t) Et h t -

1 + ( Pt h , c t -

1 -Pt h , d t -

1 ) Δ t (

7 ) 最后, P C模块的能量流可以刻画为输入热功率 和电功率的函数关系, 如式(

8 ) 所示: Pt h , H G P t =g( Pe t) (

8 ) 式中: Pe t 为PC模块电功率. 由于机组在不同工作状态下效率不同, 式(

8 ) 往 往可写成分段线性的形式. 2.

2 C S P电站运行的不等值约束 C S P电站通过汽轮机组发电, 因此也具备与常 规汽轮机组类似的运行约束[

2 4] .即Pe t +PC S P, R s v U p t ≤Pe m a x (

9 ) Pe t -PC S P, R s v D o w n t ≥Pe m i n (

1 0 ) xC S P t -xC S P t -

1 ≤xC S P τ ? τ ∈ [ t+1, m i n ( t+TC S P M i n O n -1, T) ] (

1 1 ) xC S P t -

1 -xC S P t ≤1-xC S P τ ? τ ∈ [ t+1, m i n ( t+TC S P M i n O f f -1, T) ] (

1 2 ) xC S P t -xC S P t -

1 ≤uC S P t (

1 3 ) xC S P t -

1 -xC S P t ≤vC S P t (

1 4 ) -R C S P D ≤Pe t -Pe t -

1 ≤R C S P U (

1 5 ) 式中: PC S P, R s v U p t 和PC S P, R s v D o w n t 分别为机组的上、 下备 用;

Pe m a x和Pe m i n分别为最大、 最小出力;

xC S P t 为机组 的工作状态, 1为开启;

T C S P M i n O n和TCSPMinOff分别为机组 最小运 行和停运时间;

uC S P t 和vC S P t 分别为机组的开、 停机变量, 1表示机组在t 时刻启动/停机;

R C S P U 和R C S P D 分别为机组的最大上、 下爬坡能力;

T 为总 时长. 式(

9 ) 和式(

1 0 ) 描述了机组的出力限制;

式(

1 3 ) 和式(

1 4 ) 描述了工作状态变量和开/停机变量的关 系;

式(

1 5 ) 限制了机组的爬坡速率. T S的性能对 C S P 电站运行特性有很大影响. T S的主要运行限制就是其容量约束.其最大容量 通常用 对应汽轮机组的 满负荷小时数(fullGloadhour,FLH) 来衡量, 例如,

9 F LH s表示 T S可在无 光照条件下支持 C S P 电站9h的满负荷发电.同时, 为了保证系统安全, 如避免熔盐凝固等, T S也有 最小储能限制.相关约束可以用式(

1 6 ) 来表示: Et h m i n ≤Et h t ≤ρ T E S Pe m a x (

1 6 ) 式中: Et h m i n为TSS的最小储能量;

ρ T E S 为以 F LH 为 单位描述的 T S S的最大容量. 另外, 储能的充/放热功率在限制范围内连续可 调, 但充/放热不能同时进行, 相关约束为: 0≤Pt h , c t ≤Pt h , c m a x (

1 7 ) 0≤Pt h , d t ≤Pt h , d m a x (

1 8 ) Pt h , d t Pt h , c t =0 (

1 9 ) 式中: Pt h , c m a x和Pt h , d m a x分别为最大的充、 放电功率. 除此之外, 还有一些简单的变量约................