电力现货市场中新能源-光热联合发电系统的储热系统容量优化配置.pdf
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1、第 12 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.12 No.9Sept.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology电力现货市场中新能源-光热联合发电系统的储热系统容量优化配置尹航1,汤建方1,张继1,颜豪2,胡晓睿2,王澍2(1中国广核新能源控股有限公司,北京 100071;2天津浩宇信息技术有限公司,天津 300000)摘要:新能源-光热联合发电系统是一种利用新能源发电和储热能力实现优化综合发电能力的新型联合发电系统,技术上能够实现可控性强的清洁能源发电能力。在电力现货市场在国内快速普及的情况下,新能源发电在时变电价机制中最大化发电收
2、入是新能源发电商的核心经营目标。本工作提出了一种在电力现货市场中,针对新能源-光热联合发电系统的储热系统优化配置方法。建立了一个联合发电系统的优化调控模型,模型以最大化联合发电系统发电收益为目标函数,以电力现货市场中场站上网母线的时变节点边际电价和时序消纳能力为边界,考虑了联合发电系统中新能源场站、聚光站、储热系统以及汽机发电系统之间的耦合,通过优化储热系统的充放热方式,模拟联合发电系统在电力市场中最优发电计划。根据联合发电系统的优化调控模型,结合储热系统的经济效益指标,设计了一个基于两阶段优化的储热优化配置方法。最后,通过对实际规划电站的算例分析显示,所提出的优化方法可以量化分析最优的储热配
3、置。本工作创新性地提出电力现货市场中新能源-光热联合发电系统的储热系统优化模型和配置方法,考虑到未来新能源电站会在具有时变电价的电力市场中运营,相比传统的按照固定电价的经济性分析方法,本工作方法能够为发电企业或储能投资商提供更加客观和准确的在电力市场环境下的储热系统优化配置,为提升电站投资效益和控制投资风险提供理论基础和技术手段。关键词:新能源;光热发电系统;储热;优化模型;电力现货市场;经济效益doi:10.19799/ki.2095-4239.2023.0335 中图分类号:TK 02 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)09-2842-12Capacity optim
4、ization of thermal storage system for renewable-thermal-storage generation plant in power spot marketYIN Hang 1,TANG Jianfang 1,ZHANG Ji 1,YAN Hao 2,HU Xiaorui 2,WANG Shu 2(1 CGN New Energy Holding Co.,Ltd.,Beijing 100071,China;2 Tianjin Haoyu Info Tech Company,Tianjin 300000,China)Abstract:Renewabl
5、e heat-storge generation plant is a new type of generation system that combines renewable generation and thermalstorage to optimize the generation of the plant.It has the advantages of controllability,high efficiency,and clean generation.When the power spot market widely takes place in Chinas power
6、industry,maximizing the generation revenue of renewable plants in the power market with varying generation prices becomes the most critical task for the generation company.This paper proposes capacity optimization of the thermal storage system for the renewable-thermal-storage generation plant.An op
7、timization 储能系统与工程收稿日期:2023-05-10;修改稿日期:2023-07-18。第一作者:尹航(1978),男,博士,高级工程师,研究方向为新能源储能与光热发电,E-mail:;通讯作者:颜豪,硕士,研究方向为电力市场、电力系统经济运行,E-mail:。引用本文:尹航,汤建方,张继,等.电力现货市场中新能源-光热联合发电系统的储热系统容量优化配置J.储能科学与技术,2023,12(9):2842-2853.Citation:YIN Hang,TANG Jianfang,ZHANG Ji,et al.Capacity optimization of thermal stor
8、age system for renewable-thermal-storage generation plant in power spot marketJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(9):2842-2853.第 9 期尹航等:电力现货市场中新能源-光热联合发电系统的储热系统容量优化配置generation model of renewable-thermal-storage generation plants is established.Maximizing the plantsrevenue is the objecti
9、ve function of the model.The model considers a variable locational marginal price and renewable accommodation capability at the plant node of the transmission network.Charging and discharging schedules of thermalstorage are optimized as the variables to simulate the optimal generation in the power m
10、arket with consideration of renewable generation profile,parabolic troughs characteristics,the heat-storage capacity,and their coupling behavior.Based on the optimization generation model,a two-stage evaluation model is designed to optimize the capacity of thermal storage system using the internal r
11、eturn rate as the economic benefit index.Finally,the case study shows that the proposed optimization method can find the optimal thermal storage capacity for the actual planning of the renewable project.In comparison with the conventional economic evaluation method,a method is innovatively realized
12、in the paper for the optimization model and the planning method for the heat storage system.Renewable generation plants will most likely operate in the power market with varying market prices.Therefore,the method can provide an objective and accurate optimal plan of heat storage in a power market fo
13、r generation companies and energy storage investors and ensure the investment return and reduce financial risk.Keywords:renewable generation;solar thermal storage generation system;thermal storage system;optimizationmodel;powerspot market;economicbenefit随着全球气候变化问题日趋严重,中国承诺在2060年前实现碳中和,加速清洁能源的开发和利用,预
14、计到2030年,新能源计划总装机容量将达到12亿千瓦,相比2022年末的7.5亿千瓦,装机量增加60%。但由于新能源发电受到自身特性与技术限制导致其发电特性具有反调峰、不可控、难预测等电网不友好特性,典型地,光伏发电主要集中在负荷需求不高的中午发电,在傍晚负荷需求高峰期发电较少。新能源发电的电网不友好特性直接增加了电力系统对新能源整体的消纳压力,新能源弃电情况在持续增加,同比第二季度,蒙西的新能源利 用 率 从 2021 年 的 93.9%降 低 到 2022 年 的90.8%,甘肃的新能源利用率从2021年的96.8%降低到2022年的91.3%。电力现货市场是电力市场体系最关键的组成部分,
15、自2017年国家发改委要求开展8个省份的电力现货市场试点工作以来,电力现货市场的建设从起步逐渐完善并走向成熟,包括山西、山东、甘肃等省份的电力现货市场已经持续运行超过了1年以上,实现了电力系统新能源消纳、电力保供和发电效率的提升。由于电力现货市场根据时变的市场供需形成价格,并且发电电源需要按照时变价格进行发电电费结算,当新能源进入市场后,不再“报价报量”的新能源电站会经常性面临低价甚至负价发电的情况,导致新能源电站的经济效益不佳。因此,提升电力市场中的经济效益是新能源电站的核心经营目标。储热技术作为储能的一个重要技术路线,通过其高可控性能够提升新能源电站总体功率控制能力,在新能源与光热电站结合
16、的新能源-光热联合发电系统中,由于储热系统的储能特性不仅能在电价较低时储存电量,还能在电价高时发电,能够提高电站经济效益,还能起到辅助电力系统削峰填谷作用,并减少新能源“弃电”。结合电力现货市场的价格特征,导致新能源发电经济效益较低。在成本方面,光热储能的储热系统成本特征为功率模块单位造价高,电量模块单位造价低,在经济效益方面,需要结合电力现货市场的价格特征以及新能源发电特征综合评估不同规模储热系统对场站的发电收入提升。因此,需要在电力市场环境中,综合考虑储热系统成本及其带来的经济效益增量,合理配置储热系统实现场站综合经济效益的最优。当前在光热发电技术领域已经进行了相关研究,文献1介绍了一种基
17、于金属氢化物的太阳能热能储存技术,利用化学反应实现热能的储存和释28432023 年第 12 卷储能科学与技术放,用于提高光热电站储能利用率。在文献2中研究发现熔盐储热技术在能量密度、可靠性和成本方面都比其他储热技术更具优势。在文献3中,研究证明了配置熔盐储热系统和燃料备用系统的太阳能热电厂整体效率最高。在文献4中,构建了熔盐储热系统和储热控制策略,并最终实现了熔盐线性菲涅尔式聚光集热系统的控制和优化。文献5-6研究了储热系统对光热电站运行的影响,并给出了影响储热容量的重要因素;文献7提出了槽式太阳能热发电项目供电量与太阳倍数(SM)和储热时间的关系,并给出了项目年利用小时数与太阳倍数的简化计
18、算公式。文献8建立了集热场效率计算模型,包括槽式太阳能发电系统的集热场能量平衡和流量控制方程。文献9中提出的LCOE参数是太阳能热电厂经济研究分析中最常用的指标,用于平均化电力成本。文献10对阿尔及利亚的50 MW光伏-光热联合发电模型中光热系统的太阳倍数和储热容量等参数进行了优化,使联合发电站的LCOE最小。文献11提出了一种含光热电站的热电联供系统优化调度策略,在促进风电消纳的同时降低系统综合成本。文献12提出了光热电站能源管理系统的基本构架和管理运行模式。在文献13中,提出了一种优化配置方法,兼顾系统运行成本与光热电站收益,用于提高发电效率。在文献14中,提出了一种全面评估光热电站容量效
19、益、电量效益的等值年费用法,并计及了机组启停、储能电源跨日调节。在文献15中,通过改变储热系统的太阳能倍数和满负荷小时数,以某年发电量最高时LCOE的最低值为目标,优化了拟建光热电站的性能。在文献16中,针对定日镜、吸热器和储能配比,提出了优化配置方案,最终得出在一定资源环境下建设大容量塔式光热发电系统各关键设备的最优配置方案。在文献17中,提出了用于系统控制的模型预测控制(MPC)算法,以实现对光热电站运行状态的实时监测和调整。在文献18中,提出了一种基于最小化发电成本的光热电站最优运行模型,该模型考虑了集中式太阳能电站的各种限制条件,包括太阳辐射强度、储热系统容量和效率、发电机组出力限制等
20、。在文献19中,分析了光热发电技术的电力贡献、经济性和环境效益,并讨论了其与其他可再生能源技术的协同作用。在文献20中,提出了一种协调风电场与光热电站的运行策略,即利用光热电站和风电场的优势来平衡发电和用电需求,该运行策略能有效提高发电系统的可靠性和经济性。1 新能源-光热联合发电基本原理及功能储热型独立光热电站主要有三种技术形式,分别为槽式、塔式和菲涅尔式。在当前的光热发电技术中,槽式光热电站为主要技术路线。槽式光热电站主要由聚光器、集热器、传热工质、储热系统、汽轮机等模块构成。光热电站通过反射太阳光到集热器聚集热量,再通过换热装置生成高压过热蒸汽驱动汽轮机,汽轮机作为最后的发电环节向电网发
21、出电能。聚光器是光热电站的核心部件之一,其作用是将太阳光线聚焦到集热器上,提高集热器的温度。目前常用的聚光器类型有抛物面镜和曲面椭圆镜,其形状和大小可以根据具体的光热电站设计需求进行调整。集热器是槽式光热电站的另一个重要部分,主要作用是将聚光器集中的热量传递给传热工质。传热工质是通过集热器吸收热量的流体,可以是水蒸气、油、熔盐等。传热工质在集热器内受热膨胀,随后通过换热装置将热能转移给储热系统或者汽轮机。储热系统是为了解决光热电站存在的间歇性问题而设计的,其主要作用是将多余的热能储存起来,在需要时使用。储热系统可以是熔盐储热器、石墨储热器等,其具体类型也取决于光热电站的设计需求。最后,经过传热
22、工质的驱动,高压过热蒸汽进入汽轮机驱动发电机发电。整个槽式光热电站的各个部分密切联系,共同完成从太阳能到电能的转换过程。具体槽式光热电站结构如图 1所示。新能源-光热联合发电系统在原有的光热发电仅利用太阳能发电的基础上引入了风力发电资源,除了光照能量能够转换和存储为热能,通过电能转化为热能的形式也可以将风电储存在储热罐中,利用此方式能将太阳能以及风能进行联合发电。这种联合发电系统的优势在于,在技术层面,仅利用光照能实现光热发电,但无法充分利用储热模块的能量存储能力,风力发电的日内发电功率的时段分布更为均匀,使得储热模块从光照和风电获取的能量更为充分,形成互补效果,在经济层面,独立光热储能的单位
23、造价较高,将风电作为联合发电系统的2844第 9 期尹航等:电力现货市场中新能源-光热联合发电系统的储热系统容量优化配置一部分,通过充分利用储热能力,实现综合经济效益的提升。2 新能源场站参与电力现货市场随着电力现货市场的发展,新能源将直接地参与到市场中,与其他类型发电电源以“技术中立”原则,在电力现货市场的报价、出清、定价、结算等市场环节中同台竞争。在报价方面,新能源需要申报日前预测功率、电能价格;在出清方面,新能源申报信息将置入考虑安全约束的机组组合和经济调度优化算法中完成发电计划和实际发电安排;在定价方面,采用节点边际电价形成新能源场站所在节点的15 min间隔的分时价格;在结算方面,新
24、能源的发电电费采用中长期交易、日前市场和实时市场的量和价综合结算,其中日前市场和实时市场的价格都按照现货出清的分时节点边际电价结算。作为新能源场站的一种形式,联合发电系统的发电资产也将参与现货市场。由于新能源-光热联合发电系统存在消纳难、结算价格低的运营风险,联合发电系统将面临如何提高发电收入的挑战。而联合发电系统中储热系统作为技术层面的优质灵活性电源,能够在一定程度上缓解联合发电系统在技术和经济方面的运营困难。主要表现在:面对新能源上网消纳难的状况,储热系统提供弃电回收的功能,如果在发生新能源弃电的时段,即在联合发电系统上网功率受限时段,如图2中的13 00时段和15 00时段,通过电加热子
25、系统将电能转化成热能并存储在储热系统中;在上网功率富余时段,将储热热量转换成电量放电,如图 2 中的 19 0021 00时段,可减少弃电,提高上网电量。面对新能源机组经济性差的问题,储热系统可以提高联合发电系统的发电收入,当午间光伏发电较多时,现货价格往往较低,甚至出现负价,如图2中红线所示,场站的现货市场收入为负,但高价时段通常不图2储热系统在电力现货市场中的充放热情况Fig.2Charging and discharging operation of thermal storage system in an power spot market图1槽式光热电站系统组成图Fig.1Schem
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