一种塔式光热电站聚合运行优化调度方法及系统

技术领域

本发明属于新能源生产模拟技术领域，具体涉及一种塔式光热电站聚合运行优化调度方法及系统。

背景技术

光热发电是近几年新兴的太阳能发电技术，具有储热容量大、调节能力强等优点。通过大规模配置光热电站可以实现与风电、光伏发电的协调互补，有效提升省级电网的新能源消纳量。通过中长期电力系统的生产模拟计算是评估电网新能源消纳量的有效技术手段，因此，亟需建立适用于生产模拟计算的光热电站运行优化模型。光热电站运行环节较为复杂，涉及机组的启停机和储放热等过程，当光热电站数量较多时，会极大增加生产模拟运行优化模型的复杂度和求解难度。因此，可以针对相同类型和装机容量的光热电站进行聚合建模，在保证模型精度的情况下通过缩减变量规模来降低运行优化模型的复杂度，提高生产模拟计算速度。

塔式光热电站和槽式光热电站是目前国内最为常见的两类光热电站。塔式光热电站的运行原理是通过控制太阳场中数量众多的平面镜场统一反射至热塔顶的集热器上，利用太阳能辐射加热集热器内的导热熔盐，然后将加热后的导热熔盐存储于储热罐中，并通过储热罐中熔盐放热来加热水蒸气，进而推动汽轮机热力循环做功发电。塔式光热电站的集热和导热环节与槽式光热电站存在明显差异：(1)塔式光热电站的镜场集热与发电系统完全解耦，汽轮机发电热量仅来源于储热罐中的熔盐放热。槽式光热电站的镜场集热与储热、发电系统相互耦合，即汽轮机发电热量既可以来源于储热罐中的熔盐放热，也可直接来源于镜场的集热。(2)槽式光热电站的集热温度远低于塔式光热电站，集热器弃热量主要来源于储热罐容量和汽轮机发电能力的限制，而塔式光热电站还存在由于集热器性能限制产生的弃热量。这是由于塔式光热电站的集热过程是将所有镜场反射到一个集热器，集热器温度远高于槽式光热电站。当突然发生云层遮挡时，塔式光热电站集热器材质温度在短时间内的变化幅度可能会超过300摄氏度，而集热器材质耐受的极限通常在100摄氏度/分钟左右。因此为避免材质损坏，电站需要提前进行镜场调节，以减缓集热器温度的变化幅度，由此会产生弃热量。

因此，塔式光热电站的聚合运行优化模型不仅需要描述多个光热电站的聚合作用，还需要准确反映其运行特性，包括：镜场集热所产生的弃热量、镜场集热与发电系统的解耦特性等。

现有技术中主要针对槽式光热电站，因为其集热、储能和发电环节相互耦合，并且未考虑由于集热器性能限制所产生的弃热量。此外，已有的方法未对聚合光热机组在同一时段的启机状态和停机状态进行限制，会导致在生产模拟结果中出现部分光热机组启机、部分光热机组停机的多解性问题。例如：假设对8台光热电站进行聚合建模，如果在某时段光热电站的运行台数需要从3台变成5台，则已有方法得到的启机和停机台数的可能组合包括{2,0},{3,1},{4,2},{5,3}四种，影响了生产模拟计算结果的准确性。

发明内容

针对现有技术中存在的对于塔式光热电站的生产模拟计算由于未考虑集热器的弃热量导致计算不准确的问题，本发明提供一种塔式光热电站聚合运行优化调度方法，包括：

获取塔式光热电站的参数；

将所述塔式光热电站的参数输入到预先构建的塔式光热电站聚合运行优化模型中进行计算，得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数；

基于所述设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，得到设定时段的塔式光热电站优化调度方案；

其中，所述塔式光热电站聚合运行优化模型包括以集热器输入热量变化幅度限制所产生的弃热量和镜场集热与发电系统的解耦运行特性所确定的约束条件。

优选的，所述塔式光热电站聚合运行优化模型的构建，包括：

以综合运行成本最小为目标构建目标函数；

以聚合塔式光热电站在设定时段的理论最大收集热量、由于集热器输入热量变化速率产生的弃热量、由于储热罐储热和汽轮机发电能力限制产生的弃热量、储热罐储热量、集热器在设定时段的上一时段的输入热量、集热器输入热量变化上限、储热罐储热量及放热量上限、储热罐储热量、储热罐在上一时段的储热量、单个塔式光热电站储热罐的散耗系数、储热罐放热量、单个塔式光热电站储热罐的储热效率和放热效率、单个塔式光热电站储热罐容量的上下限构建储热系统运行约束；

以聚合塔式光热电站在设定时段的发电功率、热电转换效率系数、汽轮机发电所需热量构建热电耦合运行约束；

以聚合塔式光热电站在设定时段的汽轮机运行台数、单个塔式光热电站的最大和最小技术出力、汽轮机在上一时段的运行台数、启机和停机状态约束构建发电系统运行约束；

基于所述目标函数、储热系统运行约束、热电耦合运行约束及发电系统运行约束作为约束条件构建聚合塔式光热电站运行优化模型。

优选的，所述储热系统运行约束，包括：在设定时间的热量平衡约束、集热器输入热量约束、集热器输入热量爬坡能力约束、储/放热量约束、储热罐热量平衡约束、储热罐容量约束。

优选的，所述在设定时间的热量平衡约束，按下式确定:

式中，N为塔式光热电站的个数，j为塔式光热电站的编号，

优选的，所述在设定时间的集热器输入热量约束，按下式确定：

式中，

优选的，所述在设定时间的集热器输入热量爬坡能力约束，按下式确定：

式中，Δt为单位时段长度，h

优选的，所述在设定时间的储/放热量约束，按下式确定：

式中，

优选的，所述在设定时间的储热罐热量平衡约束，按下式确定：

式中，E

优选的，所述在设定时间的储热罐容量约束，按下式确定：

N·E

式中，E

优选的，所述热电耦合运行约束，包括：在设定时间的热电耦合约束和汽轮机发电热量约束。

优选的，所述在设定时间的热电耦合约束，按下式确定：

式中，P

优选的，所述在设定时间的汽轮机发电热量约束，包括：

式中，E

优选的，所述发电系统运行约束，包括：在设定时段的汽轮机运行台数约束、发电功率上下限约束、启停机台数约束、启停机状态约束、启机台数约束。

优选的，所述在设定时段的汽轮机运行台数约束，按下式确定：

0≤S

式中，S

优选的，所述在设定时段的发电功率上下限约束，按下式确定：

S

式中，p

优选的，所述在设定时段的启停机台数约束，按下式确定：

Z

式中，S

优选的，所述启停机状态约束，按下式确定：

Y

式中，Y

优选的，所述在设定时段的启机台数约束，按下式确定：

式中，U

优选的，将所述在设定时段的启机台数约束进行线性化处理，按下式确定：

式中，V

其中，x

基于同一发明构思，本发明还提供一种塔式光热电站聚合运行优化调度系统，包括：

参数获取模块，用于获取塔式光热电站的参数；

计算模块，用于将所述塔式光热电站的参数输入到预先构建的塔式光热电站聚合运行优化模型中进行计算，得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数；

方案制定模块，用于基于所述设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，得到设定时段的塔式光热电站优化调度方案；

其中，所述塔式光热电站聚合运行优化模型包括以集热器输入热量变化幅度限制所产生的弃热量和镜场集热与发电系统的解耦运行特性所确定的约束条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供一种塔式光热电站聚合运行优化调度方法及系统，包括：获取塔式光热电站的参数；将所述塔式光热电站的参数输入到预先构建的塔式光热电站聚合运行优化模型中进行计算，得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数；基于所述设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，得到设定时段的塔式光热电站优化调度方案；其中，所述塔式光热电站聚合运行优化模型包括以集热器输入热量变化幅度限制所产生的弃热量和镜场集热与发电系统的解耦运行特性所确定的约束条件。本发明可以准确描述塔式光热电站聚合后的运行特性、启停机状况，进而可以准确快速的进行生产模拟计算。

2、本发明考虑了塔式光热电站聚合后由于集热器输入热量变化幅度限制所产生的弃热量；此外，通过约束同一时段的运行状态、启机状态和停机状态，避免了生产模拟过程中聚合光热电站启机和停机结果的多解现象。

附图说明

图1为本发明一种塔式光热电站聚合运行优化调度方法示意图；

图2为本发明一种塔式光热电站运行原理图；

图3为本发明一种塔式光热电站聚合运行优化调度系统示意图。

具体实施方式

实施例1

针对现有技术中存在的对于塔式光热电站的生产模拟计算由于未考虑集热器的弃热量导致计算不准确的问题，本发明专利提出了一种塔式光热电站聚合运行优化调度方法，如图1所示，包括：

步骤1，获取塔式光热电站的参数；

步骤2，将所述塔式光热电站的参数输入到预先构建的塔式光热电站聚合运行优化模型中进行计算，得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数；

步骤3，基于所述设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，得到设定时段的塔式光热电站优化调度方案；

其中，所述塔式光热电站聚合运行优化模型包括以集热器输入热量变化幅度限制所产生的弃热量和镜场集热与发电系统的解耦运行特性所确定的约束条件。

在所述步骤1中，获取的塔式光热电站的参数包括：电站个数、发电机组运行参数、储热系统运行参数、镜场理论最大收集热量。

在所述步骤2中，利用步骤一中获取的塔式光热电站的参数构建塔式光热电站的参数，并考虑由于集热器输入热量变化幅度限制所产生的的弃热量，以及塔式光热电站镜场集热与发电系统的解耦运行特性确定的约束条件构建塔式光热电站聚合运行优化模型后计算得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，其中，所述塔式光热电站的运行原理如图2所示。

在所述塔式光热电站聚合运行优化模型中包括：储热系统运行约束、热电耦合运行约束及发电系统运行约束。

所述储热系统运行约束是利用聚合塔式光热电站在设定时段的理论最大收集热量、由于集热器输入热量变化速率产生的弃热量、由于储热罐储热和汽轮机发电能力限制产生的弃热量、储热罐储热量、集热器在设定时段的上一时段的输入热量、集热器输入热量变化上限、储热罐储热量及放热量上限、储热罐储热量、储热罐在上一时段的储热量、单个塔式光热电站储热罐的散耗系数、储热罐放热量、单个塔式光热电站储热罐的储热效率和放热效率、单个塔式光热电站储热罐容量的上下限构建的；

热量平衡约束：描述了聚合塔式光热电站镜场收集热量与聚合电站弃热量、储热罐储热量之间的热量传递关系，按下式确定：

式中，N为塔式光热电站的个数，j为塔式光热电站的编号，

集热器输入热量约束：描述了聚合塔式光热电站镜场收集热量与集热器输入热量和弃热量之间的关系，按下式确定：

式中，

集热器输入热量爬坡能力约束：描述了集热器输入热量在相邻时段下的最大变化幅度，按下式确定：

式中，Δt为单位时段长度；

储放热量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐在单位时段内储热量和放热量的范围，其数学公式如下：

式中，

储热罐热量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐在相邻时段所储存的热量与单位时段内储热量和放热量之间的关系，按下式确定：

式中，E

储热罐容量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐储存热量的范围，按下式确定：

N·E

式中，E

热电耦合运行约束是利用聚合塔式光热电站在设定时段的发电功率、热电转换效率系数、汽轮机发电所需热量构建的。

热电耦合约束：描述了聚合塔式光热电站发电功率和汽轮机发电所需热量之间的耦合关系，按下式确定：

式中，P

汽轮机发电热量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐放热量与汽轮机发电所需热量、汽轮机启机所需热量之间的关系，其数学公式如下：

式中，E

发电系统运行约束是利用聚合塔式光热电站在设定时段的汽轮机运行台数、单个塔式光热电站的最大和最小技术出力、汽轮机在上一时段的运行台数、启机和停机状态约束构建的。

汽轮机运行台数约束：限制了聚合塔式光热电站汽轮机运行台数的范围，按下式确定：

0≤S

式中，S

发电功率上下限约束：限制了聚合塔式光热电站的发电功率范围，按下式确定：

S

式中，p

启停机台数约束：限制了聚合塔式光热电站启停机台数的变化范围，按下式确定：

Z

式中，S

启停机状态约束：限制了聚合塔式光热电站不能在同一时段同时进行启机和停机，按下式确定：

Y

式中，Y

启机台数约束：用于计算聚合塔式光热电站在各时段的启机台数，按下式确定：

式中，U

其中，当聚合塔式光热电站在t时段的运行台数减少时(S

显然，上式为非线性的条件约束形式，无法直接用于优化求解，因此通过引入中间计算变量的方式进行线性化处理；

优选的，将所述在设定时段的启机台数约束进行线性化处理，按下式确定：

式中，V

其中，当聚合塔式光热机组在t时段的运行台数不变或增加时(S

在所述步骤3中，利用所述塔式光热电站聚合运行优化模型对塔式光热电站的参数进行计算，得到在设定时段塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，并基于计算得到的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数生成聚合塔式光热电站在设定时段的优化调度方案，再基于所述优化调度方案在设定时段对塔式光热电站进行优化调度。

实施例2

基于同一发明构思，本发明还提供了一种塔式聚合光热电站优化调度系统，如图3所示，包括：

参数获取模块，用于获取塔式光热电站的参数；

计算模块，用于将所述塔式光热电站的参数输入到预先构建的塔式光热电站聚合运行优化模型中进行计算，得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数；

方案制定模块，用于基于所述设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，得到设定时段的塔式光热电站优化调度方案；

其中，所述塔式光热电站聚合运行优化模型包括以集热器输入热量变化幅度限制所产生的弃热量和镜场集热与发电系统的解耦运行特性所确定的约束条件。

所述参数获取模块用于获取的塔式光热电站的参数，其中包括：电站个数、发电机组运行参数、储热系统运行参数、镜场理论最大收集热量。

所述计算模块用于基于参数获取模块中获取的塔式光热电站的参数构建塔式光热电站的参数，并考虑由于集热器输入热量变化幅度限制所产生的的弃热量，以及塔式光热电站镜场集热与发电系统的解耦运行特性确定的约束条件构建塔式光热电站聚合运行优化模型后计算得到设定时段的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，其中所述塔式光热电站的运行原理如图2所示。

在所述塔式光热电站聚合运行优化模型中包括：储热系统运行约束、热电耦合运行约束及发电系统运行约束。

所述储热系统运行约束是利用聚合塔式光热电站在设定时段的理论最大收集热量、由于集热器输入热量变化速率产生的弃热量、由于储热罐储热和汽轮机发电能力限制产生的弃热量、储热罐储热量、集热器在设定时段的上一时段的输入热量、集热器输入热量变化上限、储热罐储热量及放热量上限、储热罐储热量、储热罐在上一时段的储热量、单个塔式光热电站储热罐的散耗系数、储热罐放热量、单个塔式光热电站储热罐的储热效率和放热效率、单个塔式光热电站储热罐容量的上下限构建的；

热量平衡约束：描述了聚合塔式光热电站镜场收集热量与聚合电站弃热量、储热罐储热量之间的热量传递关系，按下式确定：

式中，N为塔式光热电站的个数，j为塔式光热电站的编号，

集热器输入热量约束：描述了聚合塔式光热电站镜场收集热量与集热器输入热量和弃热量之间的关系，按下式确定：

式中，

集热器输入热量爬坡能力约束：描述了集热器输入热量在相邻时段下的最大变化幅度，按下式确定：

式中，Δt为单位时段长度；

储放热量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐在单位时段内储热量和放热量的范围，其数学公式如下：

式中，

储热罐热量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐在相邻时段所储存的热量与单位时段内储热量和放热量之间的关系，按下式确定：

式中，E

储热罐容量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐储存热量的范围，按下式确定：

N·E

式中，E

热电耦合运行约束是利用聚合塔式光热电站在设定时段的发电功率、热电转换效率系数、汽轮机发电所需热量构建的。

热电耦合约束：描述了聚合塔式光热电站发电功率和汽轮机发电所需热量之间的耦合关系，按下式确定：

式中，P

汽轮机发电热量约束：描述了聚合塔式光热电站储热罐放热量与汽轮机发电所需热量、汽轮机启机所需热量之间的关系，其数学公式如下：

式中，E

发电系统运行约束是利用聚合塔式光热电站在设定时段的汽轮机运行台数、单个塔式光热电站的最大和最小技术出力、汽轮机在上一时段的运行台数、启机和停机状态约束构建的。

汽轮机运行台数约束：限制了聚合塔式光热电站汽轮机运行台数的范围，按下式确定：

0≤S

式中，S

发电功率上下限约束：限制了聚合塔式光热电站的发电功率范围，按下式确定：

S

式中，p

启停机台数约束：限制了聚合塔式光热电站启停机台数的变化范围，按下式确定：

Z

式中，S

启停机状态约束：限制了聚合塔式光热电站不能在同一时段同时进行启机和停机，按下式确定：

Y

式中，Y

启机台数约束：用于计算聚合塔式光热电站在各时段的启机台数，按下式确定：

式中，U

其中，当聚合塔式光热电站在t时段的运行台数减少时(S

显然，上式为非线性的条件约束形式，无法直接用于优化求解，因此通过引入中间计算变量的方式进行线性化处理；

优选的，将所述在设定时段的启机台数约束进行线性化处理，按下式确定：

式中，V

其中，当聚合塔式光热机组在t时段的运行台数不变或增加时(S

所述方案制定模块用于利用所述计算模块中的塔式光热电站聚合运行优化模型对塔式光热电站的参数进行计算，得到在设定时段塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数，并基于计算得到的塔式光热电站的运行状态、发电功率及启停机台数生成聚合塔式光热电站在设定时段的优化调度方案，再基于所述优化调度方案在设定时段对塔式光热电站进行优化调度。

显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。