集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统及优化方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体地涉及一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统以及一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法。

背景技术

风能是一种可再生的清洁能源，分布广泛，资源丰富。风能的利用过程中不存在直接的温室气体排放，也不排放其他污染物，在传统能源日渐减少、由化石能源带来的环境问题日益突出的情况下，发展风能资源是人类社会应对气候变化、保障经济社会可持续发展的有效的重要举措之一。

传统火电机组燃料消耗量大、运转启动慢、易发生事故、电力成本高，急需寻找清洁、高效的替代能源系统。风能作为可再生、绿色清洁能源发展迅猛，然而目前仍存在风电消纳困难，无法满足维持风电系统的经济运行的需求。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统及优化方法，用以代替传统火电机组，以及提高风电系统的经济效益和风电消纳能力。

为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统，所述系统包括：

风电系统，用于将风能转换为电能，以及将电能输送至电网或者熔盐蓄热系统；

熔盐蓄热系统，用于将电能转换为热能进行存储；

超临界二氧化碳循环机组，用于将存储的热能通过布雷顿循环转换为电能，以及将电能输送至电网。

本申请第二方面提供一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法，基于第一方面所述的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统，所述方法包括：

以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统运行的全天收益最大化建立目标函数，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的功率、超临界二氧化碳循环机组出力、风电场出力和熔盐蓄热系统出力为约束条件，建立考虑机组运行经济性的优化调度模型；

对所述考虑机组运行经济性的优化调度模型进行求解，获得目标函数最优解以及决策变量值。

可选的，按照公式(1)-(5)建立目标函数：

maxf＝C-f

式中，C为总收入；f

可选的，按照公式(6)建立系统功率约束：

式中，P

可选的，按照公式(7)-(8)建立超临界二氧化碳循环机组出力约束：

式中，

可选的，按照公式(9)建立风电场出力约束：

式中，P

可选的，按照公式(10)-(11)建立熔盐蓄热系统出力约束：

u

式中，

可选的，所述方法还包括：按照公式(12)建立熔盐蓄热系统荷电状态约束：

式中，E

本申请第三方面提供一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置，所述装置包括：

模型建立模块，用于以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统运行的全天收益最大化建立目标函数，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的功率、超临界二氧化碳循环机组出力、风电场出力和熔盐蓄热系统出力为约束条件，建立考虑机组运行经济性的优化调度模型；

求解模块，用于对所述考虑机组运行经济性的优化调度模型进行求解，获得目标函数最优解以及决策变量值。

本申请第四方面提供一种处理器，被配置成执行上述的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法。

本申请第五方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令在被处理器执行时使得所述处理器被配置成执行上述的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益效果：

本申请提供一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统及优化方法，所述方法以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统运行的全天收益最大化建立目标函数，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的功率、超临界二氧化碳循环机组出力、风电场出力和熔盐蓄热系统出力为约束条件，建立考虑机组运行经济性的优化调度模型，求解所述优化调度模型，获得目标函数最优解以及决策变量值。所述方法能够有效提高风电系统的经济效益和风电消纳能力，能够在保证供需平衡的条件下，兼顾经济性与环保性，提高区域能源的利用效率。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的整体结构示意图；

图2示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法的流程示意图；

图3示意性示出了根据本申请实施例的分时电价图；

图4示意性示出了根据本申请实施例的电网负荷图；

图5示意性示出了根据本申请实施例的发电机组并网的出力状态图；

图6示意性示出了根据本申请实施例的超临界CO2机组并网的出力状态图；

图7示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的充放电功率图；

图8示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置的结构框图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请实施例，并不用于限制本申请实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

图1示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的整体结构示意图。本申请实施例集成有风电系统、熔盐蓄热系统和超临界二氧化碳循环机组。如图1所示，本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统主要由风电系统、熔盐蓄热系统以及超临界CO2循环机组三部分组成。

如图1所示，所述风电系统包括风轮、增速齿轮箱和发电机。所述熔盐蓄热系统包括热罐、冷罐、电加热器和换热器。所述超临界CO2循环机组包括燃烧器、高压透平、补燃器、低压透平、换热器、预冷器、主压缩机、发电机。

风电系统利用风轮从流动的气流(风)中提取能量，并将提取的能量通过传动系统(即增速齿轮箱)传递到发电机中；增速传动系统连接了轮毂叶片与发电机，将风轮中的低速提高至几十至上百倍不等，传动系统的高速轴驱动发电机将机械能转化为电能。

双罐式熔盐蓄热系统通过加热器将从冷熔盐罐中抽取的低温熔盐进行加热，携带有大量热能的高温熔盐随后被输送到热熔盐罐中存储起来，这一过程为蓄热过程(或充电过程)；当需要蓄热系统提供能量时，热熔盐泵将高温熔盐从热熔盐罐中抽出并输送至热交换器，通过热交换器进行相应的能量传递或释放，这一过程为放热过程(或放电过程)。

超临界CO2布雷顿循环过程如下：处于临界点附近状态的工质进入由电动机带动的主压缩机中被压缩为高压流体，随后进入热交换器冷端被加热为低温高压流体，工质进入锅炉被再次加热，锅炉出口的高温高压流体在高压透平中膨胀做功，高压带动发电机转动向外输出功率，透平出口的中压中温流体再次进入锅炉，被烟气余热再次加热后进入低压透平，低压透平也可带动发电机，由低压透平出口的中温低压工质进入回热器热端加热冷端流体，工质温度降低后进入预冷器进一步冷却达到压缩机入口温度要求，进行新一轮循环。

整个系统通过功率控制器将风力发电机产生的电功率进行分流。在功率控制器之后，被分流的两部分功率分别走向电网与熔盐蓄热系统。传输至电网的电能将被用来持续为该区域供电，而传输至熔盐蓄热系统的电能则通过加热熔盐将电能转化为热能输送至热熔盐储罐储存起来，以待电功率不足时，通过超临界CO2机组再次转化为电能参与调峰，蓄热系统位于风力发电系统与超临界CO2机组之间，整个系统将通过一个蓄热系统控制器进行整体的运行控制，功率整合的过程起到变电站的作用。

图2示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法的流程示意图。如图2所示，在本申请一实施例中，提供了一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法，本实施例主要以该方法应用于上述图1中的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统来举例说明，包括以下步骤：

步骤110，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统运行的全天收益最大化建立目标函数，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的功率、超临界二氧化碳循环机组出力、风电场出力和熔盐蓄热系统出力为约束条件，建立考虑机组运行经济性的优化调度模型。

具体地，针对本实施例中的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统，建立主要考虑机组运行经济性的储能系统调度模型，其中决策变量为风电机组并网的实际出力和超临界CO2机组并网的实际出力。

考虑经济性，以机组运行的全天收益最大化建立目标函数：

maxf＝C-f

式中：C、f

式中，C为总收入；f

具体地，按照公式(6)建立系统功率约束：

式中，P

超临界CO2机组约束包括出力上下限约束和爬坡速率约束。机组的出力应大于或等于其出力最小值，小于或等于其出力最大值；爬坡速率约束可分为最大向上和向下爬坡率。具体地，按照公式(7)-(8)建立超临界二氧化碳循环机组出力约束：

式中，

风电场实际出力必须要小于等于风电场理论最大出力。具体地，按照公式(9)建立风电场出力约束：

式中，P

熔盐蓄热系统出力上下限约束，保证出力不超过最大功率，且不出现同时充放电。具体地，按照公式(10)-(11)建立熔盐蓄热系统出力约束：

u

式中，

储能系统荷电状态(state of charge，SOC)约束，通过引入SOC对储能系统的剩余电量进行判断。具体地，所述方法还包括：按照公式(12)建立熔盐蓄热系统荷电状态约束：

式中，E

步骤120，对所述考虑机组运行经济性的优化调度模型进行求解，获得目标函数最优解以及决策变量值。

具体地，根据步骤110中系统优化调度策略中的目标函数和约束条件，利用LINGO11软件，输入目标函数、等式与不等式约束条件、已知数据值，编程得到目标函数的最优解以及决策变量的值。

图2为一个实施例中集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法的流程示意图。应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

图3示意性示出了根据本申请实施例的分时电价图；横坐标代表时间，纵坐标代表电价。图4示意性示出了根据本申请实施例的电网负荷图；横坐标代表时间，纵坐标代表电网功率。图5示意性示出了根据本申请实施例的发电机组并网的出力状态图；横坐标代表时间，纵坐标代表风电并网出力功率。图6示意性示出了根据本申请实施例的超临界CO2机组并网的出力状态图；横坐标代表时间，纵坐标代表超临界CO2机组并网的出力功率。图7示意性示出了根据本申请实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的充放电功率图；横坐标代表时间，纵坐标代表熔盐蓄热储能系统的充放电功率。

本实施例提供的一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法，以机组运行的全天收益最大化为目标建立优化调度模型，通过LINGO11软件求解得到目标函数的最优解以及决策变量的值。本实施例有助于提高系统的经济效益、提高风电消纳能力。本实施例中的熔盐蓄热储能系统将部分高峰负荷转移到低谷时期、降低负荷峰谷差，同时能够克服风力资源的不确定性来配合整体的发电调度。超临界二氧化碳动力循环系统具有结构紧凑、成本低、效率高等优点，替代了传统的火电机组，具有低碳性。本实施例针对此系统的优化控制方法，能够显著提高系统的经济效益和风电消纳能力。

在一个实施例中，如图8所示，提供了一种集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置，包括模型建立模块210以及求解模块220，其中：

模型建立模块210，用于以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统运行的全天收益最大化建立目标函数，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的功率、超临界二氧化碳循环机组出力、风电场出力和熔盐蓄热系统出力为约束条件，建立考虑机组运行经济性的优化调度模型；

求解模块220，用于对所述考虑机组运行经济性的优化调度模型进行求解，获得目标函数最优解以及决策变量值。

所述集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置包括处理器和存储器，上述模型建立模块210和求解模块220等均作为程序单元存储在存储器中，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能。

处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来实现集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法。

本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法。

在一个实施例中，本申请提供的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成该集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置的各个程序模块，比如，图8所示的模型建立模块210和求解模块220。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化方法中的步骤。

计算机设备可以通过如图8所示的集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的优化装置中的模型建立模块210执行步骤110。计算机设备可通过求解模块220执行步骤120。

本申请实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：

步骤110，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统运行的全天收益最大化建立目标函数，以集成熔盐蓄热和CO2循环机组的风电系统的功率、超临界二氧化碳循环机组出力、风电场出力和熔盐蓄热系统出力为约束条件，建立考虑机组运行经济性的优化调度模型。

步骤120，对所述考虑机组运行经济性的优化调度模型进行求解，获得目标函数最优解以及决策变量值。

可选的，按照公式(1)-(5)建立目标函数：

maxf＝C-f

式中，C为总收入；f

可选的，按照公式(6)建立系统功率约束：

式中，P

可选的，按照公式(7)-(8)建立超临界二氧化碳循环机组出力约束：

式中，

可选的，按照公式(9)建立风电场出力约束：

式中，P

可选的，按照公式(10)-(11)建立熔盐蓄热系统出力约束：

式中，

可选的，所述方法还包括：按照公式(12)建立熔盐蓄热系统荷电状态约束：

式中，E

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。