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光伏發電發展迅速，其間歇性與波動性使傳統機組頻繁處于深度調峰狀況，借助光熱電站可有效緩解。從光伏光熱發電特性出發，建立了光伏光熱聯合發電模型，并對其接入后的電力系統進行優化。以光伏光熱聯合系統的收益最大以及跟隨負荷能力最大為目標，并采用權重法對目標函數進行處理，可知優化模型滿足光伏光熱電站的主要運行約束與傳統安全約束。IEEE30節點的算例結果證明了該模型的有效性與可行性。

光(guang)伏發電(dian)(photovoltaic,PV)是(shi)太陽(yang)能(neng)資源的主要利用形(xing)式(shi)。我(wo)國光(guang)伏總(zong)裝(zhuang)機(ji)容量(liang)不(bu)斷增加(jia)，截(jie)止(zhi)2018年底，光(guang)伏裝(zhuang)機(ji)容量(liang)達(da)到1.74億kW，然而由于其間歇性(xing)與(yu)波動性(xing)對電(dian)力系統(tong)的安全(quan)可靠運(yun)行帶來諸(zhu)多問(wen)題，全(quan)年棄(qi)光(guang)電(dian)量(liang)高達(da)54.9kW·h。如何有效減少棄(qi)光(guang)，提升太陽(yang)能(neng)能(neng)源的消納水平是(shi)泛在電(dian)力物聯網的一項重(zhong)要任務。

借助太(tai)陽能光熱發電(dian)(dian)(concentrating solar power,CSP)的(de)(de)(de)儲熱裝置以及具備快速爬坡能力(li)的(de)(de)(de)汽(qi)輪機組，可(ke)提(ti)高光伏光熱聯合發電(dian)(dian)系統的(de)(de)(de)可(ke)控性(xing)水平。光伏電(dian)(dian)站與光熱電(dian)(dian)站中(zhong)各電(dian)(dian)氣信(xin)息(xi)在泛在電(dian)(dian)力(li)物聯網(wang)中(zhong)的(de)(de)(de)交互(hu)作(zuo)用，可(ke)有(you)效提(ti)升(sheng)太(tai)陽能能源的(de)(de)(de)消納水平，進而解決(jue)目(mu)前(qian)電(dian)(dian)網(wang)調節能力(li)不(bu)足(zu)等一系列(lie)問題。

與光(guang)伏(fu)不(bu)同，對(dui)光(guang)熱(re)的(de)研究起(qi)步(bu)較(jiao)晚，目前(qian)相(xiang)關文(wen)獻(xian)中初(chu)步(bu)建立了光(guang)熱(re)電(dian)站模型，并針對(dui)光(guang)熱(re)接入(ru)(ru)電(dian)力系(xi)統的(de)運行(xing)、調(diao)度及規劃提出了一系(xi)列(lie)優(you)化方(fang)法。文(wen)獻(xian)給出了光(guang)熱(re)電(dian)站接收熱(re)量與輸出功率之間關系(xi)的(de)泛函數(shu)，并引入(ru)(ru)光(guang)伏(fu)光(guang)熱(re)聯合(he)發(fa)電(dian)基(ji)地的(de)概念(nian)，以(yi)聯合(he)發(fa)電(dian)基(ji)地接入(ru)(ru)電(dian)網后削減(jian)峰谷差(cha)以(yi)及減(jian)少成本為目標，分兩階段進行(xing)優(you)化。

文(wen)獻(xian)分(fen)析了(le)光(guang)(guang)熱電(dian)站的(de)光(guang)(guang)電(dian)轉換特性(xing)，建(jian)立了(le)含儲熱在內的(de)光(guang)(guang)熱電(dian)站調度成本模(mo)型(xing)，以(yi)光(guang)(guang)熱電(dian)站與火電(dian)機組經濟最(zui)優為(wei)目標(biao)(biao)函(han)數，采用含精英保留策略的(de)標(biao)(biao)準遺傳算法進行優化(hua)過程中的(de)求解。文(wen)獻(xian)建(jian)立了(le)風電(dian)-光(guang)(guang)熱電(dian)站聯合發(fa)電(dian)系統模(mo)型(xing)，以(yi)風電(dian)-光(guang)(guang)熱聯合系統接(jie)入電(dian)網后(hou)的(de)效益最(zui)大(da)以(yi)及波(bo)動性(xing)最(zui)小為(wei)目標(biao)(biao)進行優化(hua)。

文(wen)獻綜(zong)合考慮了(le)(le)光熱(re)電站(zhan)(zhan)儲(chu)熱(re)成本與(yu)接(jie)入系統(tong)后(hou)，傳統(tong)火電機組可能產(chan)生(sheng)深度調峰的(de)成本，對儲(chu)熱(re)系統(tong)容量(liang)的(de)最優配置方法進(jin)(jin)行(xing)了(le)(le)研究。文(wen)獻[同(tong)樣(yang)考慮了(le)(le)光熱(re)電站(zhan)(zhan)內部(bu)的(de)熱(re)量(liang)轉換問題，在以最大化(hua)光熱(re)電站(zhan)(zhan)收益以及(ji)系統(tong)運(yun)行(xing)經濟(ji)性最大化(hua)為目標(biao)進(jin)(jin)行(xing)優化(hua)時(shi)，兼顧了(le)(le)光熱(re)電站(zhan)(zhan)機組啟停熱(re)量(liang)的(de)約束。

綜(zong)上所述，對于光(guang)(guang)(guang)熱(re)電(dian)(dian)站模(mo)型，更(geng)多考(kao)慮的(de)(de)(de)是光(guang)(guang)(guang)熱(re)電(dian)(dian)站內(nei)部熱(re)量(liang)的(de)(de)(de)轉換關(guan)系(xi)，或將(jiang)熱(re)量(liang)與(yu)電(dian)(dian)量(liang)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)展(zhan)示為(wei)泛函數關(guan)系(xi)，缺少能量(liang)與(yu)發電(dian)(dian)量(liang)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)直接關(guan)系(xi)。對于光(guang)(guang)(guang)熱(re)電(dian)(dian)站接入系(xi)統后(hou)的(de)(de)(de)優化運(yun)行及調度研究不夠深入。為(wei)此，本文將(jiang)從(cong)建立光(guang)(guang)(guang)伏(fu)、光(guang)(guang)(guang)熱(re)輸出(chu)功(gong)率模(mo)型入手(shou)，重點討論光(guang)(guang)(guang)熱(re)電(dian)(dian)站接收熱(re)量(liang)與(yu)輸出(chu)功(gong)率之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)聯(lian)系(xi)，并建立了(le)(le)光(guang)(guang)(guang)伏(fu)光(guang)(guang)(guang)熱(re)聯(lian)合(he)系(xi)統分層優化運(yun)行模(mo)型。模(mo)型以太陽能利用(yong)率最大(da)化以及跟隨負荷性能好(hao)為(wei)目(mu)標(biao)，通過(guo)調用(yong)優化求(qiu)解(jie)器(qi)Cplex的(de)(de)(de)混(hun)合(he)整型線(xian)性規(gui)劃(hua)進行仿真(zhen)求(qiu)解(jie)，結果證明了(le)(le)該模(mo)型的(de)(de)(de)有效性與(yu)可(ke)行性。

1光伏-光熱聯合發電系統

1.1光伏電站運行機理

大(da)型光(guang)伏電(dian)(dian)站(zhan)一般(ban)由多個(ge)供電(dian)(dian)單元(yuan)組(zu)成，每個(ge)供電(dian)(dian)單元(yuan)根據型號不同，額(e)定發電(dian)(dian)容(rong)量(liang)也不同。各供電(dian)(dian)單元(yuan)通(tong)過串并聯(lian)組(zu)成光(guang)伏陣列(lie)，將(jiang)經過光(guang)電(dian)(dian)轉(zhuan)換產生的(de)(de)直流(liu)電(dian)(dian)經過二極管(guan)匯集(ji)到直流(liu)母線。其中通(tong)過跟蹤控制(zhi)策(ce)略確定發電(dian)(dian)過程中的(de)(de)最(zui)大(da)功率，并通(tong)過脈寬(kuan)調制(zhi)，經逆變(bian)(bian)器將(jiang)直流(liu)電(dian)(dian)變(bian)(bian)為滿足質(zhi)量(liang)要求的(de)(de)交流(liu)電(dian)(dian)，最(zui)終(zhong)通(tong)過變(bian)(bian)壓器升(sheng)壓并網。光(guang)伏電(dian)(dian)站(zhan)輸出功率建模見文獻(xian)，文中不再累述。

1.2光熱電站運行機理

根據光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)站(zhan)光(guang)場(chang)中的集熱(re)(re)方式(shi)不(bu)同，光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)站(zhan)通常分為槽式(shi)、塔(ta)(ta)式(shi)、碟式(shi)與菲(fei)涅爾式(shi)4種(zhong)。目前在我國有1座槽式(shi)光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)站(zhan)以及2座塔(ta)(ta)式(shi)光(guang)熱(re)(re)電(dian)(dian)站(zhan)已經成功投運(yun)運(yun)行。

不同類型(xing)的(de)光(guang)熱(re)電站發電原理(li)相通(tong)，都是通(tong)過鏡場(chang)對太陽能(neng)熱(re)量(liang)匯集(ji)(ji)，然后利用匯集(ji)(ji)的(de)熱(re)量(liang)產生高溫高壓水蒸氣(qi)，以帶動汽(qi)輪機進(jin)而發電。

本文以槽(cao)式光熱(re)電(dian)站為例(li)，將其(qi)分(fen)(fen)為集(ji)熱(re)、儲熱(re)與(yu)發(fa)電(dian)三部分(fen)(fen)。集(ji)熱(re)部分(fen)(fen)主要由鏡場(chang)(solarfiled,SF)與(yu)其(qi)中(zhong)的(de)導(dao)油(you)管(guan)構成；儲熱(re)部分(fen)(fen)(thermal storage,TS)分(fen)(fen)為熱(re)罐與(yu)冷罐；發(fa)電(dian)部分(fen)(fen)通(tong)過(guo)熱(re)力循環(huan)(power cycle,PC)，由汽輪機(ji)進行(xing)發(fa)電(dian)。陽(yang)光充足時(shi)，鏡場(chang)通(tong)過(guo)匯集(ji)太陽(yang)熱(re)能，對管(guan)中(zhong)導(dao)熱(re)油(you)進行(xing)加(jia)熱(re)，加(jia)熱(re)后的(de)導(dao)熱(re)油(you)一部分(fen)(fen)直接加(jia)熱(re)水產生高(gao)溫高(gao)壓水蒸氣，帶(dai)動汽輪機(ji)運行(xing)，一部分(fen)(fen)對冷罐中(zhong)的(de)二(er)元硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)(binarynitrate,BN)進行(xing)加(jia)熱(re)，將加(jia)熱(re)后的(de)二(er)元硝(xiao)酸(suan)鹽(yan)(yan)儲存到熱(re)罐中(zhong)。

陽光不足時，熱(re)(re)罐中的二元硝(xiao)酸(suan)鹽加熱(re)(re)導熱(re)(re)油(you)，后通過油(you)水(shui)熱(re)(re)量(liang)轉換產生高溫高壓(ya)水(shui)蒸氣，帶(dai)動汽輪機運行，熱(re)(re)罐中的二元硝(xiao)酸(suan)鹽溫度降(jiang)低，儲存(cun)在冷罐中。可(ke)知，流入汽輪機的能量(liang)或(huo)(huo)從(cong)鏡(jing)場直接獲(huo)得，或(huo)(huo)從(cong)儲熱(re)(re)部分(fen)獲(huo)得，或(huo)(huo)從(cong)兩部分(fen)同時獲(huo)得。

圖：能量流向圖

由(you)圖得(de)到光熱(re)電站中的能量平衡關系(xi)如下所示：

光(guang)熱電站(zhan)中，汽輪機流入能量的大小(xiao)與輸出功率(lv)之(zhi)間的關系如(ru)下：

1.3聯合發電系統工作模式

光(guang)伏與光(guang)熱發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)具有(you)天然的(de)互(hu)補優勢。光(guang)伏發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)具有(you)較(jiao)(jiao)強(qiang)的(de)日周期性，只能在白天進行發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)，另(ling)外(wai)發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)過(guo)程中受光(guang)照(zhao)影響敏感(gan)，波動性強(qiang)。而(er)光(guang)熱電(dian)(dian)站裝機(ji)容量較(jiao)(jiao)傳統(tong)火(huo)電(dian)(dian)廠小，但(dan)爬坡靈活性更優，最小經濟出力(li)小，另(ling)外(wai)又(you)有(you)儲熱裝置起緩沖作用，可(ke)充分彌補光(guang)伏發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)的(de)波動，并且在夜晚時代替光(guang)伏繼(ji)續發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)，以達到光(guang)伏光(guang)熱聯合發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系統(tong)連續平穩發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)的(de)目(mu)的(de)。光(guang)伏光(guang)熱聯合發(fa)(fa)(fa)電(dian)(dian)系統(tong)的(de)主要結構(gou)如(ru)圖3所示。

圖：光(guang)伏-光(guang)熱(re)聯合發電系統結構

2光伏-光熱聯合系統優化運行

2.1多目標目標函數

光伏(fu)光熱(re)聯合系統(tong)接入電(dian)力系統(tong)后，需要進行多目(mu)標優化。以(yi)太(tai)陽能消納為主(zhu)要目(mu)標，優先消納光伏(fu)光熱(re)出(chu)(chu)力，再考慮火電(dian)機組的增發來滿足負(fu)荷(he)需求。同(tong)時也應(ying)使聯合系統(tong)跟(gen)蹤負(fu)荷(he)性(xing)能最好為第2個優化目(mu)標，其中(zhong)聯合系統(tong)跟(gen)隨(sui)負(fu)荷(he)性(xing)能以(yi)凈負(fu)荷(he)波(bo)動(dong)程度來表(biao)示，凈負(fu)荷(he)由原有負(fu)荷(he)與光伏(fu)光熱(re)系統(tong)輸出(chu)(chu)功率差值(zhi)來表(biao)示，波(bo)動(dong)程度則用平穩(wen)性(xing)指標來表(biao)示，如下所(suo)示：

由(you)于該優化(hua)問題有多個目標(biao)，在此(ci)采用min-max標(biao)準化(hua)方法對第1層的優化(hua)目標(biao)函(han)數(shu)進行處理。具體步驟見文獻，本文不再(zai)累述。

2.2約束條件

太陽(yang)能(neng)光伏光熱(re)協調發(fa)電(dian)系(xi)統并(bing)網(wang)后(hou)要充(chong)分考(kao)慮其安(an)全性(xing)(xing)以(yi)及可靠(kao)性(xing)(xing)，并(bing)滿足以(yi)下約(yue)束。

2.2.1網絡約束

忽略網(wang)絡(luo)損耗，網(wang)絡(luo)上的功(gong)率大小應滿足(zu)以下約束：

2.2.2光伏電站相關約束

各光伏電站滿足輸出功率約束：

2.2.3光熱電站相關約束

各(ge)光熱電站滿(man)足以下約束條件(jian)：

2.2.4火電廠相關約束

火電廠(chang)滿足以下約束條件：

3算例分析

本文采用(yong)IEEE30節點系(xi)統進行仿真，分析光(guang)(guang)伏光(guang)(guang)熱(re)聯合(he)發電(dian)系(xi)統的優化運行特性以及(ji)光(guang)(guang)伏、光(guang)(guang)熱(re)并網后電(dian)網的運行特性。系(xi)統的結構如(ru)圖(tu)4所示(shi)，其中光(guang)(guang)伏、光(guang)(guang)熱(re)電(dian)站分別代替原有的第2、3號機(ji)(ji)組。火電(dian)機(ji)(ji)組與光(guang)(guang)熱(re)電(dian)站參(can)數(shu)如(ru)表(biao)1、2所示(shi)，其光(guang)(guang)熱(re)轉換(huan)效率以及(ji)油水轉換(huan)效率等皆包(bao)含在光(guang)(guang)電(dian)轉換(huan)效率中。典型(xing)日(ri)負荷(he)曲線如(ru)圖(tu)5所示(shi)，當天的光(guang)(guang)照(zhao)強度以及(ji)溫度曲線如(ru)圖(tu)6所示(shi)。

圖(tu)4：IEEE30節點系統接線(xian)圖(tu)

圖5：典型(xing)日負(fu)荷曲(qu)線

圖6：典型日光照強度與溫度

在計算(suan)過程中，設(she)置光(guang)伏(fu)(fu)、光(guang)熱上網效(xiao)益(yi)系數αPV=αCSP=215元/MW；光(guang)熱電(dian)站(zhan)汽(qi)輪機的內效(xiao)率、機械效(xiao)率與(yu)發(fa)電(dian)效(xiao)率分別取0.9、0.95與(yu)0.99；光(guang)伏(fu)(fu)、光(guang)熱電(dian)站(zhan)維護成本(ben)分別為(wei)(wei)30、20元/MW；系統備用成本(ben)系數為(wei)(wei)190元/MW；機組(zu)初始狀(zhuang)態分別為(wei)(wei)137、100、50、50MW；光(guang)伏(fu)(fu)容量為(wei)(wei)70MW。本(ben)文利(li)(li)用Yalmip語句(ju)建模，通過Cplex求(qiu)解器對算(suan)例(li)進(jin)行優(you)化求(qiu)解。其中運(yun)用min-max標準化方法進(jin)行處(chu)理(li)時，太陽能(neng)利(li)(li)用率與(yu)凈(jing)負荷跟隨權(quan)重分別取0.4與(yu)0.6。

由于光(guang)(guang)熱電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)的儲熱特(te)性(xing)與其(qi)靈活(huo)的機組特(te)性(xing)，使其(qi)有(you)很(hen)強的調峰特(te)性(xing)。圖7為光(guang)(guang)伏電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)與光(guang)(guang)熱電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)的輸出(chu)功(gong)率曲(qu)(qu)線(xian)，圖8為該典(dian)型(xing)日(ri)中(zhong)常規機組出(chu)力曲(qu)(qu)線(xian)。由圖7可知，該典(dian)型(xing)日(ri)光(guang)(guang)照(zhao)良好，光(guang)(guang)伏與光(guang)(guang)熱之(zhi)間具(ju)有(you)很(hen)好的互補特(te)性(xing)，在12:00左右，由于天(tian)氣(qi)(qi)狀態良好，光(guang)(guang)熱電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)將更多(duo)的熱量儲存在儲熱裝(zhuang)置中(zhong)，由光(guang)(guang)伏電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)進行發電(dian)(dian)(dian)，而在15:00左右與20:00之(zhi)后(hou)，由于天(tian)氣(qi)(qi)原因與太陽(yang)落山，光(guang)(guang)熱電(dian)(dian)(dian)站(zhan)(zhan)通過儲熱裝(zhuang)置代替光(guang)(guang)伏發電(dian)(dian)(dian)。

由(you)圖(tu)8可(ke)知，考慮到出力的波動(dong)特性，且有光(guang)伏光(guang)熱聯(lian)合系(xi)(xi)統(tong)的接入，在(zai)典型日當(dang)天大(da)大(da)緩解了火電機組的深度調(diao)(diao)峰情況(kuang)，光(guang)伏光(guang)熱聯(lian)合系(xi)(xi)統(tong)代替(ti)了常規機組進行調(diao)(diao)峰任(ren)務。

圖7：典型日光伏-光熱出力曲線

圖8：典(dian)型日火電機組出力(li)曲(qu)線

圖(tu)(tu)9所示為(wei)光(guang)(guang)熱(re)(re)電(dian)站(zhan)(zhan)(zhan)儲熱(re)(re)裝置的(de)儲、放熱(re)(re)狀(zhuang)態。由圖(tu)(tu)9可知，光(guang)(guang)熱(re)(re)電(dian)站(zhan)(zhan)(zhan)在正午左右光(guang)(guang)照條件(jian)良好時，在平抑光(guang)(guang)伏波(bo)動的(de)同時進行儲熱(re)(re)，而(er)在晚上以(yi)(yi)及(ji)其他光(guang)(guang)照強(qiang)度不高(gao)時，通過放出(chu)(chu)熱(re)(re)量進行發電(dian)。若將光(guang)(guang)熱(re)(re)電(dian)站(zhan)(zhan)(zhan)變換成同容量的(de)光(guang)(guang)伏電(dian)站(zhan)(zhan)(zhan)，光(guang)(guang)伏以(yi)(yi)及(ji)常(chang)規(gui)機組的(de)出(chu)(chu)力如圖(tu)(tu)10所示。

由(you)圖10可知，火(huo)電機組(zu)出(chu)力在12:00左右由(you)于光伏出(chu)力的(de)波(bo)動性變得(de)陡(dou)峭，機組(zu)處于頻繁調峰(feng)狀態，雖然滿足了各類約束，但加速了常(chang)規機組(zu)的(de)損耗與(yu)成本(ben)。

圖9：光熱(re)電(dian)站儲熱(re)裝置(zhi)儲熱(re)、放熱(re)功率

圖10：不含光熱電(dian)站(zhan)光伏、火電(dian)最(zui)優出力曲(qu)線

接入光伏光熱聯合系(xi)統與單純(chun)接入光伏系(xi)統的考(kao)慮環境效益的成本如表3所示。由(you)表3可知，同容量的光伏光熱由(you)于其調峰(feng)特性，較單光伏相(xiang)比節約了12.4萬元，經濟性明(ming)顯(xian)降低(di)。

另外，在(zai)太(tai)陽能(neng)(neng)消(xiao)(xiao)納(na)方(fang)面(mian)，光(guang)伏(fu)(fu)光(guang)熱聯合系統并(bing)入電網(wang)時，典型日中太(tai)陽能(neng)(neng)的(de)(de)消(xiao)(xiao)納(na)為1618.2MW·h；而(er)同裝(zhuang)機容量(liang)的(de)(de)單(dan)光(guang)伏(fu)(fu)系統并(bing)入電網(wang)時，典型日對(dui)太(tai)陽能(neng)(neng)的(de)(de)消(xiao)(xiao)納(na)為813.3MW·h。可見，光(guang)伏(fu)(fu)光(guang)熱聯合系統對(dui)太(tai)陽能(neng)(neng)的(de)(de)消(xiao)(xiao)納(na)能(neng)(neng)力(li)較單(dan)光(guang)伏(fu)(fu)系統而(er)言提高了近1倍(bei)。

4結論

本(ben)文(wen)以(yi)光(guang)熱(re)(re)電(dian)站根本(ben)能量(liang)流向(xiang)為基礎，建立了光(guang)熱(re)(re)電(dian)站發電(dian)模型，又考慮(lv)綜合(he)成本(ben)，研究了光(guang)伏(fu)光(guang)熱(re)(re)聯合(he)并網的優化運(yun)行問題，通過算例得出以(yi)下結論：

1）光(guang)(guang)伏(fu)光(guang)(guang)熱(re)電(dian)站具(ju)有很好(hao)的互補特性，具(ju)體表現為白天光(guang)(guang)熱(re)電(dian)站平抑(yi)光(guang)(guang)伏(fu)電(dian)站的波(bo)動性，晚(wan)上通過儲熱(re)裝置中的熱(re)量(liang)代替光(guang)(guang)伏(fu)電(dian)站繼續對太(tai)陽(yang)能進行消納。

2）光伏(fu)光熱聯(lian)合(he)系統(tong)接(jie)入系統(tong)后可在一定(ding)程度上代替(ti)常(chang)規機組(zu)進行(xing)調峰，且比同容量(liang)的單光伏(fu)接(jie)入系統(tong)更具經濟性。