CN109842156A - 一种含电加热装置的光热电站建模与风电场协调优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对风力发电的不确定性和大规模新能源接入电网消纳困难弃风、弃光现象严重，提出了一种含电加热装置的光热电站模型，与风电场协调优化后组成光热‑风电联合发电系统。首先考虑到光热发电和风力发电两者输出功率在时间上的互补性，利用光热电站的蓄热系统对风电出力平滑控制，平抑风电出力的波动性，有效减小光热‑风电联合发电系统的出力波动；然后通过在光热电站加装适当容量的电加热装置，将弃风电能转换成热能，储存在光热电站的蓄热系统中，增加了光热电站的发电量，提高了风电的消纳能力。

Description

一种含电加热装置的光热电站建模与风电场协调优化方法

技术领域

本发明涉及一种含有电加热装置的光热电站的建模方法，以及其与风电场组成光热-风电联合发电系统的协调优化方法，属于光热发电技术领域。

背景技术

在我国西北和北部地区，风能和太阳能资源均比较丰富，而风力发电的波动性较大，一天之中风电场在正午时刻时的出力较低，而凌晨前后风电大发，一年之中风电场2-7月份平均风速较高，而光热电站在一天之中的发电出力、一年之中的平均太阳能辐射指数与之截然相反，可见光热电站与风电场在多时间尺度上具有明显的互补特性。因此可以构建光热-风电联合发电系统，通过引入光热电站的蓄热系统，可以减小联合系统的输出功率波动性。另一方面风电出力的可控性和可调度性较差，大规模并网后对电网的安全稳定运行影响较大，因此弃风现象严重，通过引入光热电站的电加热装置，可以将电网中的多余电能，例如弃风电能，转换成热能后储存在蓄热系统中，既可以提高风电的消纳能力，又可以恢复蓄热系统的蓄热量，增加光热电站的出力。

发明内容

发明目的：提供一种含有电加热装置的光热电站的建模及其与风电场协调优化方法，可有效地减少风力发电的波动性和弃电量，从而提高光热电站运行的灵活性，具有实际意义和推广价值。

技术内容：本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种含电加热装置的光热-风电联合发电系统，如图1所示，包括光热电站的聚光集热系统、换热装置、蓄热系统和发电系统等四大部分，和风电场的风力发电机、AC/DC和DC/AC变流器等部分。上述的聚光集热系统通过太阳能场聚集吸收太阳能，通过换热装置加热其中的传热介质转换成热能后，可以直接进入发电系统，加热水产生过热蒸汽，带动汽轮机组发电；也可以进入蓄热系统先进行热存储，再通过热释放加热水产生过热蒸汽，带动汽轮机组发电。这是由光热电站的运行模式所决定。加装电加热装置后，可以将风电场中多余的电能转换成热能，实现光热电站中“热”至“电”的双向转化，消纳利用弃风电量。

其中P_t ^solar表示光热电站聚光集热系统接收到的太阳能功率，P_t ^curt表示聚光集热系统的损失功率，P_t ^S-H表示传热工质从聚光集热系统中吸收到的热功率，P_t ^H-P表示传热工质输送给发电系统的热功率，P_t ^H-T、P_t ^T-H表示传热工质与蓄热系统之间的充放热功率，P_t ^loss表示蓄热系统热交换过程中的损失功率，表示光热电站的发电功率，P_t ^duoyu表示电网中盈余的电功率(弃风电功率)，P_t ^E-H表示电加热装置转换后输送给传热工质的热功率，P_t ^wind表示风力发电机接收到的风能功率，表示风电场的发电功率。

根据外部环境风速和光照的间歇性，光热-风电联合发电系统主要工作在如下四种运行状态：

(1)无风无光照时，风力发电机因为达不到启动速度而停止发电，光热电站仅通过蓄热系统放热发电；

(2)无风有光照时，风力发电机因达不到启动速度而停止发电，光热电站在充分利用太阳辐射能的情况下，通过蓄热系统的充、放热输出系统功率；

(3)有风无光照时，风力发电机采用最大功率跟踪控制其输出功率，即充分利用当前最大可利用风电功率，光热电站通过蓄热系统放热与风电互补发电；

(4)有风有光照时，若当前风电出力较小，光热电站通过蓄热系统的放热来增大光热-风电联合发电系统的输出功率；当风电出力较大时，一方面可以通过蓄热系统的蓄热适当减小光热电站的出力，维持光热-风电联合发电系统的输出功率，另一方面可以将多余的风力发电量通过电加热装置转换成热能储存在蓄热系统，减小弃风电量。

含电加热装置的光热电站的数学模型满足一定等式约束和不等式条件，目标函数有(1)光热-风电联合发电系统并网输出功率波动最小化为目标函数，因为并网输出功率方差小则表示互补发电系统输出功率平滑，(2)引入罚函数，弃风惩罚最小，表示弃风电量少，风电消纳程度高。根据光热-风电联合发电系统不同的运行状态，构建合适的目标函数，优化光热和风电发电功率。

有益效果：

本发明提出了一种含电加热装置的光热电站与风电场协调优化方法，有利于减小风电出力的波动性，提高风电的消纳能力，有利于新能源大规模并网的电网安全稳定。

附图说明

图1为本专利的光热-风电联合发电系统示意图

具体实施方式：

一种含电加热装置的光热-风电联合发电系统，如图1所示，包括光热电站的聚光集热系统、换热装置、蓄热系统和发电系统等四大部分，和风电场的风力发电机、AC/DC和DC/AC变流器等部分。上述的聚光集热系统通过太阳能场聚集吸收太阳能，通过换热装置加热其中的传热介质转换成热能后，可以直接进入发电系统，加热水产生过热蒸汽，带动汽轮机组发电；也可以进入蓄热系统先进行热存储，再通过热释放加热水产生过热蒸汽，带动汽轮机组发电。这是由光热电站的运行模式所决定。加装电加热装置后，可以将风电场中多余的电能转换成热能，实现光热电站中“热”至“电”的双向转化，消纳利用弃风电量。

其中P_t ^so^lar表示光热电站聚光集热系统接收到的太阳能功率，P_t ^curt表示聚光集热系统的损失功率，P_t ^S-H表示传热工质从聚光集热系统中吸收到的热功率，P_t ^H-P表示传热工质输送给发电系统的热功率，P_t ^H-T、P_t ^T-H表示传热工质与蓄热系统之间的充放热功率，P_t ^loss表示蓄热系统热交换过程中的损失功率，表示光热电站的发电功率，P_t ^duoyu表示电网中盈余的电功率(弃风电功率)，P_t ^E-H表示电加热装置转换后输送给传热工质的热功率，P_t ^wind表示风力发电机接收到的风能功率，表示风电场的发电功率。

根据外部环境风速和光照的间歇性，光热-风电联合发电系统主要工作在如下四种运行状态：

(1)无风无光照时，风力发电机因为达不到启动速度而停止发电，光热电站仅通过蓄热系统放热发电；

(2)无风有光照时，风力发电机因达不到启动速度而停止发电，光热电站在充分利用太阳辐射能的情况下，通过蓄热系统的充、放热输出系统功率；

(3)有风无光照时，风力发电机采用最大功率跟踪控制其输出功率，即充分利用当前最大可利用风电功率，光热电站通过蓄热系统放热与风电互补发电；

(4)有风有光照时，若当前风电出力较小，光热电站通过蓄热系统的放热来增大光热-风电联合发电系统的输出功率；当风电出力较大时，一方面可以通过蓄热系统的蓄热适当减小光热电站的出力，维持光热-风电联合发电系统的输出功率，另一方面可以将多余的风力发电量通过电加热装置转换成热能储存在蓄热系统，减小弃风电量。

含电加热装置的光热电站的数学模型满足以下约束条件：

等式约束有：

(1)将传热工质视为一个节点，从而可得光热电站的功率平衡关系为

P_t ^S-H+P_t ^E-H＝P_t ^T-H-P_t ^H-T+P_t ^H-P

(2)在聚光集热系统中接收到的太阳能功率为

P_t ^solar＝η_SFS_SFD_t

式中，η_SF为聚光集热系统的光热转换效率，S_SF为光场面积，D_t为t时刻的太阳辐射指数。

那么传热工质所能吸收的热功率由此输入值和损失值共同决定，即：

P_t ^S-H＝P_t ^solar-P_t ^curt

(3)蓄热系统运行时的充、放热过程都会引起热损失，因此可用充、放热效率来刻画这一特性，即：

P_t ^charge＝η_cP_t ^H-T

P_t ^discharge＝P_t ^T-H/η_d

式中，P_t ^charge、P_t ^discharge为蓄热系统充、放热功率，η_c、η_d为蓄热系统充、放热效率。

同时，蓄热系统的储能状态方程为：

式中，表示t时刻蓄热系统的蓄热量，γ为热耗散系数，Δt为计算的时间间隔。

(4)电加热装置的热电转换关系为：

P_t ^E-H＝η_EHP_t ^duoyu

式中，η_EH为电加热装置的电-热转换效率

(5)发电系统中的能量流可表示为输入热功率和输出电功率之间的函数关系，即

不等式约束有：

(1)光热发电机组爬坡约束可表示为

其中，R为光热电站汽轮机组爬坡速率。

(2)蓄热系统容量及运行约束

蓄热系统最大容量通常用汽轮机组满负荷小时数来衡量，例如，9FLHs表示蓄热系统可在无光照条件下支持光热电站9h满负荷发电。同时，为了保证系统安全，如避免熔盐凝固等，蓄热系统也有最小储能限制。因此，蓄热系统容量约束为：

其中，为蓄热系统的最小储能容量，ρ^TES为以FLH为单位描述的蓄热系统最大容量。

除此之外，蓄热系统的充、放热功率可在限制范围内连续调节，但充、放热不能同时进行。因此，蓄热系统的相关运行约束为：

蓄热系统最大充放热约束

蓄热系统不能同时进行充、放热操作。

P_t ^chargeP_t ^discharge＝0

其中，分别表示蓄热系统最大充、放热功率。

光热-风电联合发电系统具有如下目标函数：

(1)光热-风电联合发电系统并网输出功率波动最小化为目标函数，因为并网输出功率方差小则表示互补发电系统输出功率平滑。

为风力发电系统向电网输送的功率，光热电站向电网输送的功率，P_mean为总并网功率的平均值，n为一天之内的取样点(例如以15min为周期控制光热－风电联合发电系统24h的输出功率，故取n＝96)。

(2)引入罚函数，弃风惩罚最小，表示弃风电量少，风电消纳程度高。

λ为惩罚系数，为风电预测出力，为风电实际出力。

根据光热-风电联合发电系统不同的运行状态，构建合适的目标函数，优化光热和风电发电功率。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的内容和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种含电加热装置的光热-风电联合发电系统，其特征在于，包括光热电站的聚光集热系统、换热装置、蓄热系统和发电系统等四大部分，和风电场的风力发电机、AC/DC和DC/AC变流器等部分；上述的聚光集热系统通过太阳能场聚集吸收太阳能，通过换热装置加热其中的传热介质转换成热能后，直接进入发电系统，加热水产生过热蒸汽，带动汽轮机组发电；同时进入蓄热系统先进行热存储，再通过热释放加热水产生过热蒸汽，带动汽轮机组发电；加装电加热装置后，将风电场中多余的电能转换成热能，实现光热电站中“热”至“电”的双向转化，消纳利用弃风电量；其中P_t ^solar表示光热电站聚光集热系统接收到的太阳能功率，P_t ^curt表示聚光集热系统的损失功率，P_t ^S-H表示传热工质从聚光集热系统中吸收到的热功率，P_t ^H-P表示传热工质输送给发电系统的热功率，P_t ^H-T、P_t ^T-H表示传热工质与蓄热系统之间的充放热功率，P_t ^loss表示蓄热系统热交换过程中的损失功率，表示光热电站的发电功率，P_t ^duoyu表示电网中盈余的电功率(弃风电功率)，P_t ^E-H表示电加热装置转换后输送给传热工质的热功率，P_t ^wind表示风力发电机接收到的风能功率，表示风电场的发电功率。

2.根据权利要求1所述的一种含电加热装置的光热-风电联合发电系统，其特征在于，根据外部环境风速和光照的间歇性，光热-风电联合发电系统主要拥有如下四种运行状态：

(1)无风无光照时，风力发电机因为达不到启动速度而停止发电，光热电站仅通过蓄热系统放热发电；

(2)无风有光照时，风力发电机因达不到启动速度而停止发电，光热电站在充分利用太阳辐射能的情况下，通过蓄热系统的充、放热输出系统功率；

(3)有风无光照时，风力发电机采用最大功率跟踪控制其输出功率，即充分利用当前最大可利用风电功率，光热电站通过蓄热系统放热与风电互补发电；

(4)有风有光照时，若当前风电出力较小，光热电站通过蓄热系统的放热来增大光热-风电联合发电系统的输出功率；当风电出力较大时，一方面可以通过蓄热系统的蓄热适当减小光热电站的出力，维持光热-风电联合发电系统的输出功率，另一方面可以将多余的风力发电量通过电加热装置转换成热能储存在蓄热系统，减小弃风电量。

3.根据权利要求1所述的一种含电加热装置的光热-风电联合发电系统，其特征在于，所述含电加热装置的光热电站的数学模型满足以下约束条件：

等式约束有：

(1)将传热工质视为一个节点，从而可得光热电站的功率平衡关系为

P_t ^S-H+P_t ^E-H＝P_t ^T-H-P_t ^H-T+P_t ^H-P

(2)在聚光集热系统中接收到的太阳能功率为

P_t ^solar＝η_SFS_SFD_t

式中，η_SF为聚光集热系统的光热转换效率，S_SF为光场面积，D_t为t时刻的太阳辐射指数；

那么传热工质所能吸收的热功率由此输入值和损失值共同决定，即：

P_t ^S-H＝P_t ^solar-P_t ^curt

(3)蓄热系统运行时的充、放热过程都会引起热损失，因此可用充、放热效率来刻画这一特性，即：

P_t ^charge＝η_cP_t ^H-T

P_t ^discharge＝P_t ^T-H/η_d

式中，P_t ^charge、P_t ^discharge为蓄热系统充、放热功率，η_c、η_d为蓄热系统充、放热效率；

同时，蓄热系统的储能状态方程为：

式中，表示t时刻蓄热系统的蓄热量，γ为热耗散系数，Δt为计算的时间间隔；

(4)电加热装置的热电转换关系为：

P_t ^E-H＝η_EHP_t ^duoyu

式中，η_EH为电加热装置的电-热转换效率

(5)发电系统中的能量流可表示为输入热功率和输出电功率之间的函数关系，即

不等式约束有：

(1)光热发电机组爬坡约束可表示为

其中，R为光热电站汽轮机组爬坡速率；

(2)蓄热系统容量及运行约束

蓄热系统最大容量通常用汽轮机组满负荷小时数来衡量，例如，9FLHs表示蓄热系统可在无光照条件下支持光热电站9h满负荷发电；同时，为了保证系统安全，如避免熔盐凝固等，蓄热系统也有最小储能限制；因此，蓄热系统容量约束为：

其中，为蓄热系统的最小储能容量，ρ^TES为以FLH为单位描述的蓄热系统最大容量；

除此之外，蓄热系统的充、放热功率可在限制范围内连续调节，但充、放热不能同时进行；因此，蓄热系统的相关运行约束为：

蓄热系统最大充放热约束

蓄热系统不能同时进行充、放热操作；

P_t ^chargeP_t ^discharge＝0

其中，分别表示蓄热系统最大充、放热功率。

4.根据权利要求1所述的一种含电加热装置的光热-风电联合发电系统，其特征在于，所述光热-风电联合发电系统具有如下目标函数：

(1)光热-风电联合发电系统并网输出功率波动最小化为目标函数，因为并网输出功率方差小则表示互补发电系统输出功率平滑；

为风力发电系统向电网输送的功率，光热电站向电网输送的功率，P_mean为总并网功率的平均值，n为一天之内的取样点(例如以15min为周期控制光热－风电联合发电系统24h的输出功率，故取n＝96)；

(2)引入罚函数，弃风惩罚最小，表示弃风电量少，风电消纳程度高；

λ为惩罚系数，为风电预测出力，为风电实际出力；

根据光热-风电联合发电系统不同的运行状态，构建合适的目标函数，优化光热和风电发电功率。