高比例风电接入系统光热发电-火电旋转备用优化方法

张尧翔 刘文颖 庞清仑 申自裕

高比例风电接入系统光热发电-火电旋转备用优化方法

张尧翔 刘文颖 庞清仑 申自裕

（新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学） 北京 102206）

随着风电等波动性新能源发电逐渐增加，高比例风电接入电网备用不足问题自益凸显。与此同时，新兴的光热发电具有可时移、可调节特性，能有效承担系统的备用需求，但光热发电受储热与光资源的强相关性约束，备用能力受限。如何利用有限的光热发电与火电进行联合备用优化，满足高比例风电系统备用需求，成为当前亟待研究的问题。首先该文分析了高比例风电接入系统旋转备用对风电消纳的影响；其次，对光热-火电联合提供旋转备用的可行性进行了分析，针对光热储热约束，提出采用电加热设备提高光热电站备用能力；然后，基于电加热设备电转热特性，建立了含电加热光热电站用电及发电调峰备用模型，基于此，建立光热发电-火电旋转备用优化模型；最后，通过改进的IEEE 30节点系统进行仿真验证，证明该文所提方法的有效性。

光热发电 旋转备用 电加热设备 高比例风电

0 引言

“双碳”目标加快了构建以新能源为主体的新型电力系统的步伐[1-2]。风电作为新能源的主力电源之一，截至2020年底，在我国累计并网装机容量达2.815亿kW。大规模风电的并网在提供零碳排放环境效益的同时，其不确定性及有限的可预测性要求电网提供更多的旋转备用以减少“弃风”或“限电”情况的发生。而随着风电、光伏接入比例的升高和常规电源接入比例的下降，压缩了常规电源提供旋转备用的能力，进而降低了新能源可消纳空间。因此，亟须在不增加电网碳排放前提下，深入挖掘电网内其余备用资源[1-2]。

在新能源发电中，光热发电是一种极具商业化开发潜力的新型太阳能发电技术，特别是储热型光热电站（Concentrating Solar Power, CSP），近年来在我国光资源丰富的西北地区发展迅速，其光电解耦特点，使光热发电出力具有可时移、可连续调节的特性，其调节速度和深度与燃气机组类似，最快可以达到每分钟调节额定容量的20%，远高于常规火电机组，是优质的可调节电源，可承担系统的旋转备用需求[5-6]。但光热发电可提供的备用能力受到光资源及储热容量约束，不能为系统提供过多旋转备用。因此，如何协调配置光热机组与常规机组的旋转备用容量，实现新能源最大规模消纳，促进“双碳”目标的早日实现，成为当前亟待研究解决的问题。

目前国内外已有光热电站配合火电机组提供系统旋转备用的研究，文献[7-8]针对不同峰谷电价，利用含储热光热电站可时移特性，在电价峰值时段参与提供系统旋转备用负荷，以提高光热电站效益。文献[9]针对风力及光照不确定性，建立光热发电-风电的随机优化模型，分析说明不同置信水平对光热发电、火电提供备用的影响。文献[10]构建了风电-光热-火电联合优化模型，通过调节光热电站与火电机组出力来平衡风电预测误差，提高系统风电消纳量。

上述文献分析了含储热光热电站作为灵活性电源在提供系统旋转备用与消纳风电上的能力与作为，为后续研究提供了理论支持，但对光照与储热容量对光热调度能力的制约问题，并未提出有效的解决方法。针对该问题，有学者提出通过电加热装置（Electric Heater, EH）提高光热电站调节能力。文献[11]介绍了EH参与光热电站的运行方式，提出电加热设备可通过直接消纳风电减少系统备用需求，降低系统运行成本。文献[12]则进一步分析了电加热设备对光热电站调度灵活性的影响，并建立了含电加热设备光热电站备用模型。上述文献为EH与CSP联合运行以促进风电消纳并提高系统备用能力提供了理论依据，但仍存在可进一步研究的问题：①对EH设备备用能力运行机理研究不足，缺乏相应的可行性研究；②上述文献在对EH设备建模过程中，仅考虑了EH设备爬坡及上下限约束，忽略了光热储热容量对EH设备备用能力影响及光热电站发、用电备用能力间的耦合影响；③在旋转备用配置方面，现有文献多从备用成本角度出发，分析了光热机组及EH设备相较于火电机组备用配置优先性，并未对光热机组与EH设备间的备用分配原则进行研究分析。

综上所述，本文首先论述了含EH设备光热电站备用能力以及光热-火电联合提供旋转备用的可行性，并基于EH设备电转热特性及光热电站热储特性，建立光热发电-火电旋转备用优化模型。最后，通过算例仿真，验证了本文所提模型的有效性。

1 高比例风电接入系统旋转备用对风电消纳的影响

风电出力具有强波动性、间歇性与不确定性，预测难度远高于传统负荷。在高比例风电接入系统中，大规模风电的并网极大地提高了系统对旋转备用的需求。然而，发电侧大规模风电的并网，导致火电机组装机比例降低，压缩了常规电源提供旋转备用的能力，进而降低了新能源可消纳空间。图1a、图1b分别为风电接入系统考虑旋转备用前后的弃风电量对比示意图。

图1 风电接入系统考虑旋转备用后调峰区间变化

2 光热-火电联合提供旋转备用可行性分析

2.1 光热电站旋转备用能力分析

光热发电为新兴的优质太阳能发电，主要由光场、储热系统以及发电系统构成。储能设备的配置，使得光热发电成为一种调节性能优异的可控新能源发电，具有可时移调节的能力，其调节速度及调节深度均优于常规火电[13-14]。相较于火电，光热发电可承担系统更多的备用需求。然而，光热电站光转热、热转电的发电方式，导致其备用能力受到了光资源与储热容量双重约束。

为减少光资源和储热设备容量对光热电站备用能力约束，本文考虑在光热电站加装EH，光热电站与EH联合运行结构示意图如图2所示。相比于传统光热电站，加入EH后，储热装置中的导热熔盐在由低温熔盐罐向高温熔盐罐流动过程中，除了吸收光场光热转换得到的热能，还会吸收EH通过电制热产生的热能，减少了光照对光热发电能力的约束。此外，EH作为可调节负荷，可通过调整用电量为系统提供备用，即以用电形式提供旋转备用，使光热的旋转备用由发电旋转备用扩展为发电+用电旋转备用，有效地提高了光热电站旋转备用能力。

图2 光热电站与EH联合运行结构示意图

但考虑到EH设备将电能转换为热能，再通过光热电站发电，其中涉及两次电热转换，能耗较高，因此为保证能源利用率，EH主要作为夜间弃风时段下光热储热来源及紧急条件下的系统备用资源，正常场景下保持低负荷率运行，主要为系统提供下旋转备用。

2.2 光热-火电联合提供旋转备用可行性

由前文分析可知，高比例风电接入导致电力系统备用需求增加，由火电机组单独提供系统旋转备用压缩了火电的调峰空间，影响了风电消纳；2.1节论述了含EH设备的光热发电具有优于常规火电的调峰能力，可承担更多的系统备用需求，但考虑到光热备用能力受限于储热强相关性约束及EH设备能源转换效率问题，光热发电无法完全替代火电。因此，在高比例风电接入系统中，将光热电站替代部分火电，由光热电站与火电进行联合提供旋转备用，将有助于促进高比例风电接入系统的风电消纳。光热电站替换等容量的火电机组后，光热发电-火电联合提供备用后系统调峰能力示意图如图3所示。

图3 火电、光热共同提供备用后系统调峰能力示意图

3 光热发电-火电旋转备用优化方法

基于光热发电的旋转备用优势和约束，建立光热发电-火电旋转备用优化模型。

3.1 CSP-EH调峰备用模型

含EH设备光热电站能量流示意图如图4所示，根据图中的能量流动关系，分别搭建光热电站用电调峰备用模型及发电调峰备用模型。

图4 CSP-EH能量流示意图

3.1.1 CSP-EH用电调峰备用模型

由图4可知，EH设备将电能转换为热能储存于光热电站的储热设备中，其作为调节负荷，通过减少或增加用电量为系统提供旋转备用。EH设备用电功率与光热电站储热量关系为

EH设备可提供用电调峰备用受到自身加热功率约束及储热设备约束，其中加热功率约束为

EH设备的电热转换过程会对光热储热量造成影响，其用电调峰备用能力受到光热储热设备容量上、下限约束，结合式（1），得到光热储热设备容量对用电调峰备用约束为

结合式（2）和式（3），得到EH设备可提供的用电调峰备用约束条件为

3.1.2 CSP-EH发电调峰备用模型

光热电站通过热力循环系统，利用储热设备中的热能发电，其发电功率与光热储热量关系为

光热电站可提供的发电调峰备用受到自身汽轮机的技术出力约束及储热设备约束，其中技术出力约束包括光热出力上、下限约束及机组爬坡速率约束，即

结合式（6）和式（7），得到光热电站可提供发电调峰旋转备用约束条件为

考虑到光热电站提供用电调峰备用及发电调峰备用时，都会导致光热储热量变化，结合式（1）、式（5），提出光热用电调峰备用、发电调峰备用耦合约束为

3.2 光热发电-火电旋转备用优化模型

3.2.1 目标函数

以系统总调度成本最小为目标，建立光热发电-火电旋转备用优化模型为

1）系统运行成本

系统运行成本主要包括火电机组的发电及起停成本、光热机组起停成本。

2）系统备用成本

由于火电机组备用成本远高于光热及EH设备备用成本[12]，因此本文只考虑火电机组备用成本。

3）弃风惩罚成本

考虑到EH设备运行过程中，将多余的风电转换为热能，再转换为电能，期间损耗的电量可视为等效弃风电量，即

3.2.2 约束条件

1）系统约束条件

（1）功率平衡约束

（2）系统旋转备用约束

系统旋转备用需求主要包括应对负荷预测误差旋转备用需求及应对风电预测误差旋转备用需求。为降低风电不确定性对系统的影响，减少备用成本，风电旋转备用容量利用风光电计划出力与实际出力的条件期望之差对系统旋转备用容量进行修正，具体过程参见附录。

2）火电机组运行约束条件

（1）输出功率上、下限约束

（2）爬坡速度约束

（3）可提供的备用约束

火电机组可提供的向上、向下旋转备用受机组技术出力区间和爬坡滑坡率的双重约束。

3）风电机组运行约束条件

风电运行约束由概率约束为[15]

4）光热机组运行约束条件

（1）输出功率上、下限约束

（2）爬坡约束

（3）储热系统容量约束

（4）备用约束

光热机组可提供的备用约束包括用电备用约束、发电备用约束及发用电备用耦合约束，如式（4）、式（8）、式（9）所示。

（5）EH设备运行约束

3.2.3 模型求解

1）随机约束转换

本文所建旋转备用优化模型中约束条件式（15）和式（19）包含随机变量，将其转换为确定性约束。

则随机约束（15）可转换为确定性约束，即

式（26）可转换为确定性约束，即

2）模型求解

将模型中随机约束转换为确定性约束后，本文在Matlab R2016a环境下通过Yalmip调用Gurobi求解器，对本文所提的光热发电-火电旋转备用优化模型进行求解。

4 算例分析

4.1 算例概述

本文采用改进的IEEE 30节点系统，验证所提高比例风电接入系统光热发电-火电旋转备用优化方法的有效性。将配有电加热装置光热电站接入节点1，风电机组接入节点2、5、8，火电机组接入节点11、13，改进后的网络拓扑如图5所示。

图5 改进后IEEE 30节点算例

算例给定条件如下所述：

2）不同季节典型日下的系统负荷、风电总出力及太阳负荷指数预测曲线如附图1所示。

3）配有电加热装置光热电站调节参数见表1，火电机组运行参数见表2。弃风惩罚成本为500元/（MW·h），火电机组备用成本为130元/（MW·h）[12]。

表1 光热电站调节参数

Tab.1 Parameters of CSP station

表2 火电机组运行参数

Tab.2 Parameters of thermal power station

4.2 算例分析

4.2.1 调度方法有效性验证

为验证本文高比例风电接入系统光热发电-火电旋转备用优化方法的有效性，设置三种运行模式：

模式1：仅由火电机组为系统提供旋转备用，光热电站按自身初始计划运行，电加热设备作为可控负荷参与风电消纳。

模式2：由火电及光热机组为系统提供旋转备用，电加热设备作为可控负荷参与风电消纳。

模式3：由电加热设备、光热机组和火电机组共同为系统提供旋转备用。

夏季典型日下不同模式机组出力计划及系统旋转备用配置计划如图6～图8所示，弃风电量及各类运行成本见表3。

图6 模式1下机组出力计划及系统备用配置计划

由图6～图8及表3可知，在模式1下，由火电机组单独承担系统旋转备用需求，压缩了火电的调峰空间，使得夜间风电大发时段，系统弃风功率高，弃风惩罚成本及备用成本均处于较高水平。在模式2下，低备用成本的光热机组承担了系统全部上旋转备用及主要下旋转备用，其中在夜间2:00～7:00时段，由于光热储热水平不足导致其出力较低，下旋转备用容量不足，该部分下旋转备用缺额由火电机组承担。相较于模式1，模式2通过光热机组提供备用，使系统备用成本减少了128 157.37元，同时提高了火电机组夜间的下调峰空间，系统弃风电量减低了81.58MW·h，同时减少了系统弃风惩罚成本及运行成本，系统总调度成本减少了185 277.48元。在模式3下，夜间风电大发时段光热机组按最小技术出力运行，承担系统主要上旋转备用，EH设备高负荷率运行，消纳多余弃风电量，同时承担系统主要下旋转备用。在午间风电小发时段，系统负荷率较高，EH设备低负荷率运行，主要承担系统下旋转备用，同时为满足系统负荷需求，光热电站高出力运行，承担系统部分上、下旋转备用，该时段系统上旋转备用缺额由火电机组承担。相较于模式2，由EH设备承担系统主要下旋转备用，对火电机组备用需求降低，系统备用成本减少5 748.43元，同时释放了光热及火电机组下调峰空间，使得在夜间风电大发时段2:00～8:00，23:00～24:00，光热及火电机组可按最小技术出力运行，在减少运行成本的同时，提高了风电消纳空间，进一步减少系统弃风电量185.19MW·h，减少了系统总成本135 424.69元。

图8 模式3下机组出力计划及系统备用配置计划

表3 三种模式下弃风电量及系统各类成本

Tab.3 Abandoned wind power and system dispatch cost in three modes

对其余三个季节典型日数据进行仿真，得到不同季节典型日下弃风电量及系统总成本分别如图9和图10所示。通过不同季节典型日下三种模式系统总成本及弃风电量结果对比可知，相较于火电单独提供备用，本文所提的火电-光热联合提供旋转备用方法通过对光热机组及EH设备备用优化，可有效减少系统调度成本及弃风电量，证明了本文所提方法的有效性。

图9 不同季节典型日下弃风电量

图10 不同季节典型日下系统总成本

4.2.2 不同EH额定功率对风电消纳的影响

为了验证不同EH额定功率对促进系统风电消纳的影响，分别设置EH设备额定功率为10MW、20MW、30MW、40MW、50MW、60MW。分析EH设备不同额定功率下的系统风电消纳情况，结果如图11所示，EH设备出力曲线及承担旋转备用情况如图12和图13所示。

图11 不同EH额定功率下系统弃风电量

图12 不同额定功率EH设备出力曲线

图13 不同额定功率EH设备承担系统旋转备用

由图11～图13可知，由于EH设备运行会产生间接弃风电量，因此当EH设备额定功率为10MW、20MW时，EH设备主要通过提供系统下旋转备用，提高火电机组及光热机组的下调峰空间，间接促进风电消纳，自身不出力。当EH设备额定功率高于20MW时，EH设备承担系统夜间弃风时段全部下旋转备用，火电机组及光热机组按最小技术出力运行，EH提高出力，直接消纳夜间弃风电量，促进了风电消纳。随着EH设备额定功率上升，系统直接弃风电量降低，EH设备运行而产生间接弃风电量上升，总弃风电量降低，当系统直接弃风电量为零时，EH设备可消纳的弃风电量达到最大值。

5 结论

本文针对高比例风电接入电网旋转备用不足导致的风电消纳问题，考虑含EH设备的光热发电调峰备用能力，提出了利用含EH设备光热发电与火电联合提供旋转备用，以提高系统风电消纳能力的光热发电-火电旋转备用优化方法，并通过实例仿真验证了方法的有效性，并得出如下结论：

1）相较于传统由火电单独提供系统旋转备用，通过EH设备与光热发电提供旋转备用，可有效降低火电承担的旋转备用容量，提高系统调峰能力，促进高比例风电接入系统的风电消纳。

2）光热发电-火电旋转备用配置过程中，系统通过考虑机组备用成本差异及EH设备运行产生的损耗电量，对光热机组、火电机组、EH设备间的旋转备用进行优化配置，优先分配下调峰备用至EH设备，分配上调峰备用至光热机组，火电机组主要作为前两者备用不足情况下的一种补充，以减少系统运行成本。

3）不同额定功率EH设备对系统风电消纳促进能力不同。可基于系统弃风功率高低，为光热电站配置容量匹配的EH设备，保证系统最优风电消纳的同时减少EH设备配置成本，实现EH设备高效利用。

附 录

针对风电预测误差，传统方法以一个风电预测出力的特定百分数作为风电备用容量，该方法缺乏一定的技术原理支持，容易造成备用资源的浪费。因此，建立基于Beta分布的风电出力模型，利用Beta分布对风电预测误差分布概率进行拟合，通过随机优化的方法确定风电备用容量，保障风电备用容量设置合理性[18]。

Beta分布累计概率分布函数为

为应对风电预测误差所需的旋转备用为

附图1 不同季节典型日下系统负荷、风电及太阳辐射指数预测

App.Fig.1 Typical daily system load, wind power and solar radiation index forecast in different season

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Optimal Power Spinning Reserve Method of Concentrating Solar Power and Thermal Power for High-Proportion Wind Power System

Zhang Yaoxiang Liu Wenying Pang Qinglun Shen Ziyu

（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China）

As wind power and other volatile new energy generation gradually become the main power source of the grid, the problem of insufficient reserve of a high proportion of wind power connected to the grid has become prominent. At the same time, the concentrating solar power (CSP) plant has time-shifting and adjustable characteristics, which can effectively bear the system's spinning reserve demand. However, CSP is constrained by the strong correlation between heat storage and solar resources. It's reserve capacity is limited. How to use the limited CSP and thermal power to optimize the joint reserve to meet the reserve demand of the high-proportion wind power system has become a problem that needs to be studied urgently. This paper firstly analyzes the impact of high-proportion wind power connected to the spinning reserve system on wind power consumption; Secondly, it analyzes the feasibility of CSP-thermal power combined to provide spinning reserve. Aiming at the constraints of CSP heat storage, it is proposed to use electric heating (EH) equipment to improve the standby capacity of CSP. And based on the electric-to-thermal characteristics of the EH equipment and the thermal storage characteristics of the solar thermal power plant, a model of power consumption and power generation peaking standby of the EH-CSP is established, and based on this, a solar thermal power generation-thermal power rotation standby optimization model is established. Finally, the improved IEEE 30 node system is used for simulation verification, and the result proves the effectiveness of the method proposed in this paper.

Concentrating solar power(CSP) plant, spinning reserve, electric heating equipment, high proportion of wind power

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211811

国家重点研发计划（2018YFE0208400）和国家电网有限公司总部科技项目（面向跨境互联的多能互补新型能源系统关键技术研究）资助。

TM73

2021-11-10

2021-12-28

张尧翔 男，1994年生博士研究生，研究方向为电力系统运行及新能源发电。E-mail：zhangyx_94@163.com（通信作者）

刘文颖 女，1955年生教授，博士生导师，研究方向为电力系统分析与控制及电力系统智能调度。E-mail：liuwenyingls@sina.com

（编辑 赫蕾）