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此前國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于建立健全清潔能源消納長(zhǎng)效機(jī)制的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿）》提出要“鼓勵(lì)建設(shè)新一代電網(wǎng)友好型新能源電站……實(shí)現(xiàn)電源側(cè)風(fēng)光水火多能互補(bǔ)。”

而6月初水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院發(fā)布的《關(guān)于征集可再生能源發(fā)展"十四五"規(guī)劃重大基地和示范工程的通知》則將綜合能源基地（可再生能源部分）和高比例可再生能源外送基地（可再生能源占比50%以上）等列入十四五有望獲得重點(diǎn)支持的重大基地范疇。

在此背景下，近日甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)已紛紛將“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電基地”或發(fā)展“多種能源協(xié)同互補(bǔ)”寫(xiě)入地方性政府文件。

由此可見(jiàn)，未來(lái)綜合多種可再生能源發(fā)電形式的多能互補(bǔ)項(xiàng)目的大規(guī)模部署或?qū)⒊蔀槲覈?guó)新能源項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的主要趨勢(shì)，而這也被很多光熱業(yè)界人士認(rèn)為是尚未完成首批示范卻面臨國(guó)補(bǔ)即將取消的中國(guó)光熱發(fā)電行業(yè)的重要發(fā)展機(jī)遇。

從技術(shù)角度來(lái)看，可配置高性價(jià)比儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱與風(fēng)電、光伏互補(bǔ)應(yīng)用，能夠保障出力的平滑性，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電源輸出，優(yōu)化風(fēng)電和光伏的電能質(zhì)量。

從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，采用“光熱+”思路的多能互補(bǔ)系統(tǒng)能夠減少棄風(fēng)棄光，提高風(fēng)光資源的利用小時(shí)數(shù)。在可再生能源大規(guī)模部署必須配置儲(chǔ)能系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)的背景下，采用光熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)相比目前常規(guī)電池儲(chǔ)能價(jià)格要便宜的多，且運(yùn)行效率更高，損耗更低。

近年來(lái)，隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)很多單位和研究機(jī)構(gòu)也在積極探索光熱與風(fēng)電、光伏技術(shù)的互補(bǔ)發(fā)電機(jī)制，并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等多角度分析建設(shè)“光熱+”聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可行性。

本文整理了技術(shù)人員進(jìn)行的“光熱+光伏”互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的分析測(cè)算，以供參考。

一、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)。

二、光熱電站運(yùn)行機(jī)理

不同類型的光熱電站發(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。

以槽式光熱電站為例。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?，流入汽輪機(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：

三、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。

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

四、光伏-光熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行

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)荷性能以凈負(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。

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。

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光伏電站相關(guān)約束

各光伏電站滿足輸出功率約束：

③光熱電站相關(guān)約束

各光熱電站滿足以下約束條件：

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

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)如下圖所示，其中光伏、光熱電站分別代替原有的第2、3號(hào)機(jī)組。

圖4：IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)接線圖

火電機(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。

圖7：典型日光伏-光熱出力曲線

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。

五、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。

注：本文部分內(nèi)容摘自《現(xiàn)代電力》2020年第2期——《太陽(yáng)能光伏-光熱聯(lián)合發(fā)電的優(yōu)化運(yùn)行模型》，作者肖白,王濤。