光伏發(fā)電發(fā)展迅速，其間歇性與波動(dòng)性使傳統(tǒng)機(jī)組頻繁處于深度調(diào)峰狀況，借助光熱電站可有效緩解。從光伏光熱發(fā)電特性出發(fā)，建立了光伏光熱聯(lián)合發(fā)電模型，并對(duì)其接入后的電力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。以光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)的收益最大以及跟隨負(fù)荷能力最大為目標(biāo)，并采用權(quán)重法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行處理，可知優(yōu)化模型滿足光伏光熱電站的主要運(yùn)行約束與傳統(tǒng)安全約束。IEEE30節(jié)點(diǎn)的算例結(jié)果證明了該模型的有效性與可行性。

光伏發(fā)電(photovoltaic,PV)是太陽(yáng)能資源的主要利用形式。我國(guó)光伏總裝機(jī)容量不斷增加，截止2018年底，光伏裝機(jī)容量達(dá)到1.74億kW，然而由于其間歇性與波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)諸多問(wèn)題，全年棄光電量高達(dá)54.9kW·h。如何有效減少棄光，提升太陽(yáng)能能源的消納水平是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要任務(wù)。

借助太陽(yáng)能光熱發(fā)電(concentrating solar power,CSP)的儲(chǔ)熱裝置以及具備快速爬坡能力的汽輪機(jī)組，可提高光伏光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可控性水平。光伏電站與光熱電站中各電氣信息在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的交互作用，可有效提升太陽(yáng)能能源的消納水平，進(jìn)而解決目前電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力不足等一系列問(wèn)題。

與光伏不同，對(duì)光熱的研究起步較晚，目前相關(guān)文獻(xiàn)中初步建立了光熱電站模型，并針對(duì)光熱接入電力系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)度及規(guī)劃提出了一系列優(yōu)化方法。文獻(xiàn)給出了光熱電站接收熱量與輸出功率之間關(guān)系的泛函數(shù)，并引入光伏光熱聯(lián)合發(fā)電基地的概念，以聯(lián)合發(fā)電基地接入電網(wǎng)后削減峰谷差以及減少成本為目標(biāo)，分兩階段進(jìn)行優(yōu)化。

文獻(xiàn)分析了光熱電站的光電轉(zhuǎn)換特性，建立了含儲(chǔ)熱在內(nèi)的光熱電站調(diào)度成本模型，以光熱電站與火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù)，采用含精英保留策略的標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化過(guò)程中的求解。文獻(xiàn)建立了風(fēng)電-光熱電站聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，以風(fēng)電-光熱聯(lián)合系統(tǒng)接入電網(wǎng)后的效益最大以及波動(dòng)性最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

文獻(xiàn)綜合考慮了光熱電站儲(chǔ)熱成本與接入系統(tǒng)后，傳統(tǒng)火電機(jī)組可能產(chǎn)生深度調(diào)峰的成本，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量的最優(yōu)配置方法進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[同樣考慮了光熱電站內(nèi)部的熱量轉(zhuǎn)換問(wèn)題，在以最大化光熱電站收益以及系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最大化為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，兼顧了光熱電站機(jī)組啟停熱量的約束。

綜上所述，對(duì)于光熱電站模型，更多考慮的是光熱電站內(nèi)部熱量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，或?qū)崃颗c電量之間的關(guān)系展示為泛函數(shù)關(guān)系，缺少能量與發(fā)電量之間的直接關(guān)系。對(duì)于光熱電站接入系統(tǒng)后的優(yōu)化運(yùn)行及調(diào)度研究不夠深入。為此，本文將從建立光伏、光熱輸出功率模型入手，重點(diǎn)討論光熱電站接收熱量與輸出功率之間的聯(lián)系，并建立了光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)分層優(yōu)化運(yùn)行模型。模型以太陽(yáng)能利用率最大化以及跟隨負(fù)荷性能好為目標(biāo)，通過(guò)調(diào)用優(yōu)化求解器Cplex的混合整型線性規(guī)劃進(jìn)行仿真求解，結(jié)果證明了該模型的有效性與可行性。

1光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)

1.1光伏電站運(yùn)行機(jī)理

大型光伏電站一般由多個(gè)供電單元組成，每個(gè)供電單元根據(jù)型號(hào)不同，額定發(fā)電容量也不同。各供電單元通過(guò)串并聯(lián)組成光伏陣列，將經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)二極管匯集到直流母線。其中通過(guò)跟蹤控制策略確定發(fā)電過(guò)程中的最大功率，并通過(guò)脈寬調(diào)制，經(jīng)逆變器將直流電變?yōu)闈M足質(zhì)量要求的交流電，最終通過(guò)變壓器升壓并網(wǎng)。光伏電站輸出功率建模見(jiàn)文獻(xiàn)，文中不再累述。

1.2光熱電站運(yùn)行機(jī)理

根據(jù)光熱電站光場(chǎng)中的集熱方式不同，光熱電站通常分為槽式、塔式、碟式與菲涅爾式4種。目前在我國(guó)有1座槽式光熱電站以及2座塔式光熱電站已經(jīng)成功投運(yùn)運(yùn)行。

不同類(lèi)型的光熱電站發(fā)電原理相通，都是通過(guò)鏡場(chǎng)對(duì)太陽(yáng)能熱量匯集，然后利用匯集的熱量產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣，以帶動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)而發(fā)電。

本文以槽式光熱電站為例，將其分為集熱、儲(chǔ)熱與發(fā)電三部分。集熱部分主要由鏡場(chǎng)(solarfiled,SF)與其中的導(dǎo)油管構(gòu)成；儲(chǔ)熱部分(thermal storage,TS)分為熱罐與冷罐；發(fā)電部分通過(guò)熱力循環(huán)(power cycle,PC)，由汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。陽(yáng)光充足時(shí)，鏡場(chǎng)通過(guò)匯集太陽(yáng)熱能，對(duì)管中導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，加熱后的導(dǎo)熱油一部分直接加熱水產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣，帶動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)行，一部分對(duì)冷罐中的二元硝酸鹽(binarynitrate,BN)進(jìn)行加熱，將加熱后的二元硝酸鹽儲(chǔ)存到熱罐中。

陽(yáng)光不足時(shí)，熱罐中的二元硝酸鹽加熱導(dǎo)熱油，后通過(guò)油水熱量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣，帶動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)行，熱罐中的二元硝酸鹽溫度降低，儲(chǔ)存在冷罐中?？芍魅肫啓C(jī)的能量或從鏡場(chǎng)直接獲得，或從儲(chǔ)熱部分獲得，或從兩部分同時(shí)獲得。

圖：能量流向圖

由圖得到光熱電站中的能量平衡關(guān)系如下所示：

光熱電站中，汽輪機(jī)流入能量的大小與輸出功率之間的關(guān)系如下：

1.3聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)工作模式

光伏與光熱發(fā)電具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。光伏發(fā)電具有較強(qiáng)的日周期性，只能在白天進(jìn)行發(fā)電，另外發(fā)電過(guò)程中受光照影響敏感，波動(dòng)性強(qiáng)。而光熱電站裝機(jī)容量較傳統(tǒng)火電廠小，但爬坡靈活性更優(yōu)，最小經(jīng)濟(jì)出力小，另外又有儲(chǔ)熱裝置起緩沖作用，可充分彌補(bǔ)光伏發(fā)電的波動(dòng)，并且在夜晚時(shí)代替光伏繼續(xù)發(fā)電，以達(dá)到光伏光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)連續(xù)平穩(wěn)發(fā)電的目的。光伏光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖：光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2光伏-光熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

2.1多目標(biāo)目標(biāo)函數(shù)

光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)接入電力系統(tǒng)后，需要進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。以太陽(yáng)能消納為主要目標(biāo)，優(yōu)先消納光伏光熱出力，再考慮火電機(jī)組的增發(fā)來(lái)滿足負(fù)荷需求。同時(shí)也應(yīng)使聯(lián)合系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷性能最好為第2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，其中聯(lián)合系統(tǒng)跟隨負(fù)荷性能以?xún)糌?fù)荷波動(dòng)程度來(lái)表示，凈負(fù)荷由原有負(fù)荷與光伏光熱系統(tǒng)輸出功率差值來(lái)表示，波動(dòng)程度則用平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)表示，如下所示：

由于該優(yōu)化問(wèn)題有多個(gè)目標(biāo)，在此采用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)第1層的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行處理。具體步驟見(jiàn)文獻(xiàn)，本文不再累述。

2.2約束條件

太陽(yáng)能光伏光熱協(xié)調(diào)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后要充分考慮其安全性以及可靠性，并滿足以下約束。

2.2.1網(wǎng)絡(luò)約束

忽略網(wǎng)絡(luò)損耗，網(wǎng)絡(luò)上的功率大小應(yīng)滿足以下約束：

2.2.2光伏電站相關(guān)約束

各光伏電站滿足輸出功率約束：

2.2.3光熱電站相關(guān)約束

各光熱電站滿足以下約束條件：

2.2.4火電廠相關(guān)約束

火電廠滿足以下約束條件：

3算例分析

本文采用IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析光伏光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行特性以及光伏、光熱并網(wǎng)后電網(wǎng)的運(yùn)行特性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中光伏、光熱電站分別代替原有的第2、3號(hào)機(jī)組?；痣姍C(jī)組與光熱電站參數(shù)如表1、2所示，其光熱轉(zhuǎn)換效率以及油水轉(zhuǎn)換效率等皆包含在光電轉(zhuǎn)換效率中。典型日負(fù)荷曲線如圖5所示，當(dāng)天的光照強(qiáng)度以及溫度曲線如圖6所示。

圖4：IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖

圖5：典型日負(fù)荷曲線

圖6：典型日光照強(qiáng)度與溫度

在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置光伏、光熱上網(wǎng)效益系數(shù)αPV=αCSP=215元/MW；光熱電站汽輪機(jī)的內(nèi)效率、機(jī)械效率與發(fā)電效率分別取0.9、0.95與0.99；光伏、光熱電站維護(hù)成本分別為30、20元/MW；系統(tǒng)備用成本系數(shù)為190元/MW；機(jī)組初始狀態(tài)分別為137、100、50、50MW；光伏容量為70MW。本文利用Yalmip語(yǔ)句建模，通過(guò)Cplex求解器對(duì)算例進(jìn)行優(yōu)化求解。其中運(yùn)用min-max標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行處理時(shí)，太陽(yáng)能利用率與凈負(fù)荷跟隨權(quán)重分別取0.4與0.6。

由于光熱電站的儲(chǔ)熱特性與其靈活的機(jī)組特性，使其有很強(qiáng)的調(diào)峰特性。圖7為光伏電站與光熱電站的輸出功率曲線，圖8為該典型日中常規(guī)機(jī)組出力曲線。由圖7可知，該典型日光照良好，光伏與光熱之間具有很好的互補(bǔ)特性，在12:00左右，由于天氣狀態(tài)良好，光熱電站將更多的熱量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)熱裝置中，由光伏電站進(jìn)行發(fā)電，而在15:00左右與20:00之后，由于天氣原因與太陽(yáng)落山，光熱電站通過(guò)儲(chǔ)熱裝置代替光伏發(fā)電。

由圖8可知，考慮到出力的波動(dòng)特性，且有光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)的接入，在典型日當(dāng)天大大緩解了火電機(jī)組的深度調(diào)峰情況，光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)代替了常規(guī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰任務(wù)。

圖7：典型日光伏-光熱出力曲線

圖8：典型日火電機(jī)組出力曲線

圖9所示為光熱電站儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)、放熱狀態(tài)。由圖9可知，光熱電站在正午左右光照條件良好時(shí)，在平抑光伏波動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)熱，而在晚上以及其他光照強(qiáng)度不高時(shí)，通過(guò)放出熱量進(jìn)行發(fā)電。若將光熱電站變換成同容量的光伏電站，光伏以及常規(guī)機(jī)組的出力如圖10所示。

由圖10可知，火電機(jī)組出力在12:00左右由于光伏出力的波動(dòng)性變得陡峭，機(jī)組處于頻繁調(diào)峰狀態(tài)，雖然滿足了各類(lèi)約束，但加速了常規(guī)機(jī)組的損耗與成本。

圖9：光熱電站儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱、放熱功率

圖10：不含光熱電站光伏、火電最優(yōu)出力曲線

接入光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)與單純接入光伏系統(tǒng)的考慮環(huán)境效益的成本如表3所示。由表3可知，同容量的光伏光熱由于其調(diào)峰特性，較單光伏相比節(jié)約了12.4萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)性明顯降低。

另外，在太陽(yáng)能消納方面，光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)并入電網(wǎng)時(shí)，典型日中太陽(yáng)能的消納為1618.2MW·h；而同裝機(jī)容量的單光伏系統(tǒng)并入電網(wǎng)時(shí)，典型日對(duì)太陽(yáng)能的消納為813.3MW·h?？梢?jiàn)，光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的消納能力較單光伏系統(tǒng)而言提高了近1倍。

4結(jié)論

本文以光熱電站根本能量流向?yàn)榛A(chǔ)，建立了光熱電站發(fā)電模型，又考慮綜合成本，研究了光伏光熱聯(lián)合并網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題，通過(guò)算例得出以下結(jié)論：

1）光伏光熱電站具有很好的互補(bǔ)特性，具體表現(xiàn)為白天光熱電站平抑光伏電站的波動(dòng)性，晚上通過(guò)儲(chǔ)熱裝置中的熱量代替光伏電站繼續(xù)對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行消納。

2）光伏光熱聯(lián)合系統(tǒng)接入系統(tǒng)后可在一定程度上代替常規(guī)機(jī)組進(jìn)行調(diào)峰，且比同容量的單光伏接入系統(tǒng)更具經(jīng)濟(jì)性。