一种光热电站储热容量配置方法及系统与流程

本发明涉及容量配置领域，特别是涉及一种光热电站储热容量配置方法及系统。

背景技术：

能源危机与环境污染日益加剧，已经成为制约发展的重要因素，太阳能以其丰富的储量逐渐引起人们的关注。光热发电成为既光伏发电后大规模利用太阳能的新兴发电形式，装机容量与并网规模不断增加。根据世界能源署预计，2025年全世界光热发电装机容量将达到22gw，2050年全世界光热发电量将占全球总发电量的11.3％，同时据国家发改委《中国2050高比例可再生能源发展情景暨路径研究》，到2050年，风电、光伏发电、光热发电等可再生能源电源将供应60％以上的一次能源消费。因此，光热发电将进入快速发展的新时期。

光热电站含有储热装置，能够在负荷低谷期对热量进行存储，在负荷高峰期放热发电，实现发电量的转移，因此，光热发电具有良好的可控性与可调度性。储热装置容量的大小决定了光热电站转移电量的多少，同时影响光热电站的运行特性。随着储热容量的增加能够有效降低光热发电并网的调度成本，但是会造成储热装置配置成本增加，探究储热装置配置成本与调度经济性的平衡点，确定光热电站的最优储热容量，成为光热电站规划、运行前必须解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种光热电站储热容量配置方法及系统，用以快速、合理的对光热电站储热容量进行配置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光热电站储热容量配置方法，所述方法包括：

获取光热电站系统的运行约束条件；所述约束条件包括火电机组发电成本约束条件、光热发电并网消纳的环境效益约束条件、备用容量成本约束条件以及光热发电的运行维护成本约束条件；

根据所述运行约束条件，确定火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益、备用容量成本以及光热发电的运行维护成本；

根据所述火电机组发电成本、所述光热发电并网消纳的环境效益、所述备用容量成本以及所述光热发电的运行维护成本，确定最优储热容量时的光热电站系统调度成本；

获取当前光热电站系统的调度成本；

根据所述最优储热容量时的光热电站系统调度成本以及所述当前光热电站系统的调度成本，对储热容量进行配置。

可选的，根据所述运行约束条件，确定火电机组发电成本，具体包括：

获取火电机组发电成本约束条件；

根据所述火电机组发电成本约束条件，确定火电机组的发电功率以及火电机组的运行状态；

根据所述火电机组的发电功率以及所述火电机组的运行状态，计算火电机组发电成本。

可选的，根据所述运行约束条件，确定光热发电并网消纳的环境效益，具体包括：

获取光热发电并网消纳的环境效益约束条件；

根据所述光热发电并网消纳的环境效益约束条件，确定光热电站的输出功率；

获取光热发电并网后的环境效益系数；

根据所述光热电站的输出功率以及所述环境效益系数，计算光热发电并网消纳的环境效益。

可选的，根据所述运行约束条件，确定备用容量成本，具体包括：

获取备用容量成本约束条件；

根据所述备用容量成本约束条件，确定发电机组的正旋转备用容量以及负旋转备用容量；

根据所述正旋转备用容量以及所述旋转备用容量，计算备用容量成本。

可选的，根据所述运行约束条件，确定光热发电的运行维护成本，具体包括：

获取光热发电的运行维护成本约束条件；

根据所述光热发电的运行维护成本约束条件，确定储热装置供热的发电功率；

获取集热装置供热的发电功率；

根据所述储热装置供热的发电功率以及所述集热装置供热的发电功率，计算光热发电的运行维护成本。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明以光热电站的运行特性为基础，综合考虑火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本等调度经济性因素，探究储热装置配置成本与调度经济性的平衡点，在保证系统调度运行经济性的前提下，来确定光热电站储热容量配置，具有科学合理，效果最佳等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例光热电站储热容量配置方法的流程图；

图2为本发明实施例通过sam仿真软件得到光热电站集热装置吸收的热能示意图；

图3为本发明实施例光热电站的能量传递过程示意图；

图4为本发明实施例光热电站储热容量配置原理示意图；

图5为本发明实施例通过cplex求解后得到一年内最优储热容量与最优储热容量下的调度成本示意图；

图6为本发明实施例综合成本随储热容量的变化示意图；

图7为本发明实施例光热电站储热容量配置系统的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光热电站储热容量配置方法及系统，用以快速、合理的对光热电站储热容量进行配置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种光热电站储热容量配置方法，所述方法包括：

步骤101：获取光热电站系统的运行约束条件；所述约束条件包括火电机组发电成本约束条件、光热发电并网消纳的环境效益约束条件、备用容量成本约束条件以及光热发电的运行维护成本约束条件。

步骤102：根据所述运行约束条件，确定火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益、备用容量成本以及光热发电的运行维护成本。

根据所述运行约束条件，确定火电机组发电成本，具体包括：

获取火电机组发电成本约束条件；

根据所述火电机组发电成本约束条件，确定火电机组的发电功率以及火电机组的运行状态；

根据所述火电机组的发电功率以及所述火电机组的运行状态，计算火电机组发电成本。

根据所述运行约束条件，确定光热发电并网消纳的环境效益，具体包括：

获取光热发电并网消纳的环境效益约束条件；

根据所述光热发电并网消纳的环境效益约束条件，确定光热电站的输出功率；

获取光热发电并网后的环境效益系数；

根据所述光热电站的输出功率以及所述环境效益系数，计算光热发电并网消纳的环境效益。

根据所述运行约束条件，确定备用容量成本，具体包括：

获取备用容量成本约束条件；

根据所述备用容量成本约束条件，确定发电机组的正旋转备用容量以及负旋转备用容量；

根据所述正旋转备用容量以及所述旋转备用容量，计算备用容量成本。

根据所述运行约束条件，确定光热发电的运行维护成本，具体包括：

获取光热发电的运行维护成本约束条件；

根据所述光热发电的运行维护成本约束条件，确定储热装置供热的发电功率；

获取集热装置供热的发电功率；

根据所述储热装置供热的发电功率以及所述集热装置供热的发电功率，计算光热发电的运行维护成本。

步骤103：根据所述火电机组发电成本、所述光热发电并网消纳的环境效益、所述备用容量成本以及所述光热发电的运行维护成本，确定最优储热容量时的光热电站系统调度成本。

步骤104：获取当前光热电站系统的调度成本。

步骤105：根据所述最优储热容量时的光热电站系统调度成本以及所述当前光热电站系统的调度成本，对储热容量进行配置。

本方法的工作原理如下：

1)对光热电站运行特性的分析

光热电站主要由光场、储热系统和热力循环三部分组成，各部分之间通过传热流体进行能量传递过程，实现了光-热-电的转换过程；光热电站由光场中的集热装置吸收热能，通过热力流体将热量传递至储热装置进行存储，或是将热量传递至热力循环系统进行发电；

2)调度经济性模型与运行约束

建立调度模型，求解满足运行约束前提下，调度成本最低时的储热容量；随着储热容量的增加，系统的调度成本呈现先降低后不变的趋势，以调度成本变化趋势的拐点为最优点，即调度成本最低时的最小储热容量；

(a)调度经济性模型的建立

综合考虑火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本等调度经济性因素，得到含光热发电电力系统的调度模型，如下(1)式：

e＝min[e1-e2+e3+e4](1)

其中：e为光热电站并网运行的调度成本；e1为火电机组发电成本；e2为光热发电并网消纳的环境效益；e3为系统备用容量成本；e4为光热发电的运行维护成本；

火电机组的发电成本主要包括燃料成本和启停成本，计算公式为(2)式：

e1＝e1(pit)+e2(uit)(2)

其中：e1为火电机组的燃料成本；e2为火电机组的启停成本；pit为火电机组i在t时刻的发电功率；uit为火电机组i在t时刻的运行状态，uit＝1表示运行，uit＝0表示停机；

e1的计算为(3)式：

e2的计算为(4)式：

其中：ai，bi，ci为机组i的燃料成本系数；t为总的时间段；t为时刻；

光热发电属于新兴的太阳能发电，具有清洁无污染的运行特性，并网消纳具有一定的环境效益，计算公式如(5)式：

其中：pigt为光热电站i在t时段的输出功率；kg为光热发电并网后的环境效益系数；

光热电站完全依赖于光照，具有一定的随机性，并网后将会造成备用容量增加，此时系统备用成本的计算为(6)式：

其中：uit为机组i在t时刻的正旋转备用容量；dit为机组i在t时刻的负旋转备用容量；αi为机组i的正旋转备用成本系数；βi为机组i的负旋转备用成本系数；

光热电站运行中需要一些必要的维护措施，产生一定的运行维护成本，计算公式为(7)式：

其中：kis为集热装置供热发电的成本系数；kits为储热装置供热发电的成本系数；为集热装置供热的发电功率；为储热装置供热的发电功率；

集热装置供热的发电功率计算公式为(8)式：

储热装置供热的发电功率计算公式为(9)式：

(b)系统运行约束

在调度过程中，各个时刻火电机组与光热电站的出力之和需要与负荷功率相等，功率平衡约束为(10)式：

其中：plt为t时段的负荷功率；

火电机组发电成本e1对应的约束主要有火电机组出力约束(11)、爬坡率约束(12)、火电机组启动和停运时的出力约束(13)；

火电机组出力约束为(11)式：

pimin≤pit≤pimax(11)

火电机组爬坡率约束为(12)式：

-rdi≤pit-pi(t-1)≤rui(12)

其中：rui为火电机组的最大向上爬坡率；rdi为火电机组的最大向下爬坡率；

火电机组启动和停运时的出力约束为(13)式：

系统备用容量成本e3对应的正、负旋转备用容量约束为(14)式：

其中：ui为火电机组i的正旋转备用容量；di为火电机组i的负旋转备用容量；pimax为火电机组i的最大出力；pimin为火电机组i的最小出力；l为负荷预测误差率；

光热发电并网消纳的环境效益e2和光热发电的运行维护成本e4对应的约束条件主要有光热电站出力约束式(15)、光热电站爬坡率约束式(16)、储热容量约束式(17)、储热系统的充放热功率约束式(18)、同一时刻充放热约束式(19)、储热系统始末储热量约束式(20)；

光热电站出力约束为(15)式：

pgmin≤pgt≤pgmax(15)

其中：pgmax为光热电站的最大出力；pgmin为光热电站的最小出力；

光热电站爬坡率约束为(16)式：

-rdg≤pgt-pg(t-1)≤rug(16)

其中：rug为光热发电的最大向上爬坡率；rdg为光热发电的最大向下爬坡率；

储热容量约束为(17)式：

其中：为储热系统储热量的上限；为储热系统储热量的下限；

储热系统的充放热功率约束为(18)式：

其中：为储热系统的储热功率；为储热系统的放热功率；为储热系统储热功率的下限；为储热系统放热功率的下限；为储热系统储热功率的上限；为储热系统放热功率的上限；

同一时刻充放热约束为(19)式：

储热功率与放热功率乘积为零表示储热与放热不能同时进行；

储热系统始末储热量约束为(20)式：

其中：为储热装置储热量的初始值；为储热装置储热量的结束值；

3)储热容量配置方法

光热电站含有储热装置，能够在负荷低谷期对热量进行存储，在负荷高峰期放热发电，实现发电量的转移。而储热装置容量的大小决定了光热电站转移电量的多少，同时影响光热电站的运行特性，进而影响系统的综合调度运行。随着储热容量的增加能够有效降低光热发电并网的调度成本，但是会造成储热装置配置成本增加；

充分考虑储热容量的配置成本与调度成本，构建光热电站储热容量与综合成本的优化函数：

minf＝f1(s)+f2(s)(21)

其中：f为光热电站储热容量配置的综合成本；f1为储热容量配置成本；f2为储热容量偏离最优储热容量时调度成本的增加量；s为储热容量；

f1＝cs(22)

其中：c为单位储热容量配置成本；

f2＝es-emin(23)

其中：emin为最优储热容量时系统的调度成本；es为储热容量为s时的系统调度成本。

具体实施例：

本实施例以ieee-30节点系统为例，通过cplex求解，确定光热电站的储热容量，以此来验证本发明所述方法的有效性。通过sam仿真软件得到光热电站集热装置吸收的热能如图2所示。

1.对光热电站运行特性的分析

光热电站的能量传递过程示意图如图3所示，由图3可见，在光热电站运行过程中的各环节均会产生一定的能量损失，损失的大小与光热电站的装机容量、运行模式等多种因素有关。集热装置吸收的热能在有负荷需求时用来做功发电，在负荷较低时供给储热装置，进行热能存储，在负荷高峰期放热发电。

2.调度经济性模型的建立

在求解过程中选取备用成本系数为112元/mw，光热发电并网后的环境效益系数kg为230元/mw，取rdi＝rui，rdg＝rug。随着储热容量的增加，系统的调度成本呈现先降低后不变的趋势，以调度成本变化趋势的拐点为最优点，即调度成本最低时的最小储热容量，在达到最优储热容量前，随着光热电站储热容量的增加，系统的综合运行成本降低。

3.储热容量配置方法

光热电站含有储热装置，能够在负荷低谷期对热量进行存储，在负荷高峰期放热发电，实现发电量的转移。而储热装置容量的大小决定了光热电站转移电量的多少，同时影响光热电站的运行特性，进而影响系统的调度运行成本。随着储热容量的增加能够有效降低光热发电并网的调度成本，但是会造成储热装置配置成本增加。

在计及调度经济性的基础上，在保证系统调度运行经济性的前提下，来确定光热电站储热容量配置，求解调度成本最低时的光热电站储热容量，定义为最优储热容量，打破时序得到最优储热容量从大到小的排列图，同时计算得到此时光热电站并网的调度成本，光热电站储热容量配置原理示意图如图4所示。图4中cset为光热电站配置的储热容量，fset为配置储热容量下对应的调度成本。由图4可见，一年内[0，tset]时段配置的储热容量低于最优储热容量，此时将会造成调度成本增加，高于最优储热容量下的调度成本，定义为储热容量偏离最优储热容量时调度成本的增加量；一年内[tset，365]时段配置的储热容量高于最优储热容量，此时的调度成本即为最优储热容量下的调度成本。

在[0，tset]时段cset低于最优储热容量，此时的储热容量配置成本较低，但是调度成本增加，在[tset，365]时段cset高于最优储热容量，此时储热容量配置成本较高，调度成本较低。因此，探究储热装置配置成本与调度经济性的平衡点，确定光热电站储热容量配置，能够获得光热电站最佳的并网经济性。

通过cplex求解后得到一年内最优储热容量与最优储热容量下的调度成本示意图如图5所示。由图5可见，随着一年内最优储热容量的降低，最优储热容量下的调度成本增加，因此，对于光热电站而言，当配置的储热容量低于最优储热容量时，将会增加系统的调度成本。

改变光热电站的储热容量，得到综合成本随储热容量的变化示意图如图6所示。由图6可见，随着储热容量的增加，系统的综合成本呈现先降低后增加的趋势，在最优储热容量时达到综合成本最小值，此时储热容量为800mwh，综合成本为2120万元。在达到最优储热容量前，随着储热容量的增加能够增加光热电站的可调度性，降低调度成本，因此综合成本降低，在达到最优储热容量后，随着储热容量的增加，储热装置的配置成本增加，此时综合成本将增加。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明以光热电站的运行特性为基础，综合考虑火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本等调度经济性因素，探究储热装置配置成本与调度经济性的平衡点，在保证系统调度运行经济性的前提下，来确定光热电站储热容量配置，具有科学合理，效果最佳等优点。

如图7所示，本发明还提供了一种光热电站储热容量配置系统，所述系统包括：

运行约束条件获取模块701，用于获取光热电站系统的运行约束条件；所述约束条件包括火电机组发电成本约束条件、光热发电并网消纳的环境效益约束条件、备用容量成本约束条件以及光热发电的运行维护成本约束条件。

成本确定模块702，用于根据所述运行约束条件，确定火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益、备用容量成本以及光热发电的运行维护成本；成本确定模块包括火电机组发电成本确定单元、光热发电并网消纳的环境效益确定单元、备用容量成本确定单元以及光热发电的运行维护成本确定单元。

火电机组发电成本确定单元具体包括：

火电机组发电成本约束条件获取子单元，用于获取火电机组发电成本约束条件；

发电功率及运行状态确定子单元，用于根据所述火电机组发电成本约束条件，确定火电机组的发电功率以及火电机组的运行状态；

火电机组发电成本计算子单元，用于根据所述火电机组的发电功率以及所述火电机组的运行状态，计算火电机组发电成本。

光热发电并网消纳的环境效益确定单元具体包括：

环境效益约束条件获取子单元，用于获取光热发电并网消纳的环境效益约束条件；

光热电站的输出功率确定子单元，用于根据所述光热发电并网消纳的环境效益约束条件，确定光热电站的输出功率；

环境效益系数获取子单元，用于获取光热发电并网后的环境效益系数；

环境效益计算子单元，用于根据所述光热电站的输出功率以及所述环境效益系数，计算光热发电并网消纳的环境效益。

备用容量成本确定单元具体包括：

备用容量成本约束条件获取子单元，用于获取备用容量成本约束条件；

正旋转备用容量及负旋转备用容量子单元，用于根据所述备用容量成本约束条件，确定发电机组的正旋转备用容量以及负旋转备用容量；

备用容量成本计算子单元，用于根据所述正旋转备用容量以及所述旋转备用容量，计算备用容量成本。

运行维护成本确定单元具体包括：

运行维护成本约束条件获取子单元，用于获取光热发电的运行维护成本约束条件；

储热装置供热的发电功率确定子单元，用于根据所述光热发电的运行维护成本约束条件，确定储热装置供热的发电功率；

集热装置供热的发电功率获取子单元，用于获取集热装置供热的发电功率；

光热发电的运行维护成本计算子单元，用于根据所述储热装置供热的发电功率以及所述集热装置供热的发电功率，计算光热发电的运行维护成本。

最优调度成本确定模块703，用于根据所述火电机组发电成本、所述光热发电并网消纳的环境效益、所述备用容量成本以及所述光热发电的运行维护成本，确定最优储热容量时的光热电站系统调度成本。

调度成本获取模块704，用于获取当前光热电站系统的调度成本。

配置模块705，用于根据所述最优储热容量时的光热电站系统调度成本以及所述当前光热电站系统的调度成本，对储热容量进行配置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。