一种光热光伏互补协同发电系统及运行方法

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，涉及一种光热光伏互补协同发电 系统及运行方法。

背景技术

随着可再生能源装机及发电量在总体电力装机及发电量中占比的不 断提高，全球约有150个国家就可再生能源发电制定了具体目标，主要 集中在风电和太阳能发电两方面。为了实现我国在“十四五”末期可非 化石能源发电装机比例达50％的比例，温室气体排放量(可能)达到一 个峰值，之后排放量逐年减少的目标，提升风电、太阳能电能质量，提升风电、太阳能发电消纳比例，是当前要解决的一个重要问题。

太阳能发电主要包括光伏和光热发电两种技术形式，光伏发电因为 自调节能力较弱，在消纳时往往会有一定比例弃光率，目前部分地区出 台了光伏配储能的相关支撑性文件，单纯光伏电站可实现平价或低于平 价上网，但由于电池储能系统成本较高，目前单纯光伏储能模式难有经 济性。光热电站由于配备储热系统，具有较强的调节能力，其调节范围 近似从0％到100％。如果将光伏和光热系统相结合，可以在系统上利用 光热的调节能力平抑光伏的电能波动，或实现错峰发电，也可以在经济 上利用低成本光伏电站电能降低光热电站发电成本，或(部分)替代光 热电站厂用电量。通过将光伏和光热系统互补协同发电，可以最大化发 挥两者的调节能力，实现利润最大化。

目前，已有诸多学者和企业对光伏光热互补发电进行了研究，主要 相关研究成果情况如下：

中国专利CN203984349U提出了一种快速改造型光伏光热一体化分 布式系统，中国专利CN107702194A提出了一种光伏光热发电供热系统 及控制方法，中国专利CN205754215U提出了一种光伏光热一体化系统。 上述三个专利均通过聚光光伏技术实现光伏光热共同发电，是部件级光 伏光热发电技术结合，主要技术路线仍是光伏发电，与本专利所述光热 汽轮发电系统完全不同。

中国专利CN209692366U提出了一种用于电力孤网的太阳能光伏与 光热互补发电系统，通过互补控制系统实现光伏光热电站互补发电，该 系统中，除气象预测系统外，光伏和光热独立运行，与本专利所述互补 协同发电系统不同。

中国专利CN110429667A提出了一种基于布谷鸟搜索的光热光伏打 捆发电系统容量配置方法，可实现光伏光热打捆发电系统出力标准差最 小，该系统中，光伏和光热独立运行，基于二者的出力预测，以出力标 准差最小未目标，优化二者出力配置，优化过程未考虑电价因素，未对 电站最大化收益进行优化，与本专利所述互补协同发电系统及运行方法不同。

中国专利CN202872690U提出了一种采用可透光的光伏电池结合光 热发电综合利用的装置，利用高透过率光伏电池和聚光设备实现光伏光 热综合利用，该系统也属于部件级创新，对光伏光热系统未有提及，与 本专利所述互补协同发电系统不同。

中国专利CN105007038A提出了一种光热电站光伏辅助发电系统， 通过在菲涅尔二次反射面上方加装光伏电池板实现光伏辅助光热发电， 该系统中光伏和光热独立运行，在系统结构上未有互补协同功能。

中国专利CN106330093A提出了一种光伏光热一体化发电系统，通 过光伏发电加热水，再将水通入光热集热系统，实现混合发电，除此之 外光伏光热系统独立运行，该系统中将水打入1000℃以上的光热集热系 统中，在工程中可行性较差，大量温度不均衡的水会造成光热集热系统 受热不均，降低设备寿命。此外，光伏和光热发电系统独立运行时，不能根据电网调度需求统筹优化各自上网功率。

中国专利CN205051623U提出了一种光伏光热一体化发电系统，将 光伏组件和光热组件同时安装在一个支架上，实现一体化发电，该系统 中光伏光热在能量方面仍然独立运行，仅集热组件至于同一个支架上， 实则还是独立发电，且不具备根据电网调度需求统筹优化各自上网功率 的功能。

综上所述，目前对光热光伏互补发电相关的研究较少，而且主要还 停留在理论阶段，相关成果尚不能满足太阳能发电消纳时电网调度对系 统灵活性的要求，有必要设计一套充分发挥光热光伏各自特性的、具有 较高自调节能力的互补协同发电系统及运行方法，这在目前已有专利成 果中尚未有提及。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种光热光伏 互补协同发电系统及运行方法，该系统及运行方法能够实现光伏和光热 的互补协同发电，且自调节能力较强。

为达到上述目的，本发明所述的光热光伏互补协同发电系统包括光 伏电站、光热电站、电加热系统、汇流系统、控制系统及电网，光伏电 站包括光伏阵列及逆变器，光热电站包括光热集热系统、储热系统及发 电系统；

光伏阵列的输出端经逆变器与电加热系统的电源接口及汇流系统相 连接，光热集热系统与储热系统相连接，储热系统与发电系统相连接， 发电系统的输出端与汇流系统相连接，控制系统与汇流系统的控制端相 连接，汇流系统的输出端与电网相连接。

所述储热系统包括高温储热系统及低温储热系统，其中，高温储热 系统的出口与发电系统的入口相连通，发电系统的出口与低温储热系统 的入口相连通，低温储热系统的出口与光热集热系统的入口相连通，光 热集热系统的出口与高温储热系统的入口相连通，高温储热系统内设置 有加热器，电加热系统与所述加热器相连接。

所述发电系统包括换热器、汽轮机及发电机，其中，换热器的放热 侧与储热系统相连通，换热器的吸热侧入口与汽轮机的出口相连通，换 热器的吸热侧出口与汽轮机的入口相连通，汽轮机的输出轴与发电机的 驱动轴相连接。

汇流系统上设置有光伏电能表及光热电能表，光热电能表与发电系 统相连接，光伏电能表与逆变器相连接。

一种光热光伏互补协同发电系统的运行方法包括汇流并网协同运行 模式和光热光伏储热协调运行模式；

汇流并网协同运行模式下的具体运行过程为：

1a)控制系统获取电力调度指令，检测当前光热电站的光热发电功 率及光伏电站的光伏发电功率，同时预测未来预设时间段内光热电站的 发电功率及光伏电站的光伏发电功率，确保电站整体并网功率满足电力 调度指令要求，即电站整体并网功率相对偏差小于电网的许可偏差δ

其中，G

2b)基于发电功率的历史数据及分时电价，利用优化算法对光热电 站及光伏电站的分时并网功率进行优化，使得电站一天整体收益I最大化。

其中，n为将一天时间划分为n个时间段，G

光热光伏储热协调运行模式的具体运行过程为：

当光伏电站的发电功率高于优化后所需的光伏并网功率时，则将剩 余的电能利用电加热系统加热储热系统中的储能介质，当光伏电站的发 电功率小于等于优化后所需的光伏并网功率时，则停运电加热系统，具 体过程为：

电加热系统的加热功率G

其中，G

在电加热系统加热储热系统中储热介质的过程中，实时调整进入储 热系统中储热介质的流量，同时调节光热集热系统输出至储热系统中储 热介质的温度，使得光热集热系统输出至储热系统中的储热介质经电加 热系统加热后的温度为预设温度，即

其中，c为储热介质的比热，

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的光热光伏互补协同发电系统及运行方法在具体操作时， 电站可根据电网的电力调度指令，结合电站当前光热发电功率及光伏发 电功率和未来时间段内光热发电功率及光伏发电功率的预测情况优化光 热功率及光伏功率，使电站整体并网功率满足电力调度要求，避免因发 电功率与调度偏差较大而造成的考核，使电站达到利润最大化，另外， 光伏电站超出的电量通过电加热系统存储于储热系统中，使得光热电站 及光伏电站能够深度融合，省却光伏电站为稳定运行而投入的储能系统， 进一步提高整体电站的经济性和灵活性，实现光伏和光热的互补协同发 电，自调节能力较强。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的结构示意图。

其中，1为光热集热系统、2为储热系统、3为发电系统、4为汇流 系统、5为光伏阵列、6为逆变器、7为控制系统、8为电网、9为电加 热系统、201为高温储热系统、202为低温储热系统、301为换热器、302 为汽轮机、303为发电机、401为光热电能表、402为光伏电能表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的光热光伏互补协同发电系统包括光 伏电站、光热电站、电加热系统9、汇流系统4、控制系统7及电网8， 光伏电站包括光伏阵列5及逆变器6，光热电站包括光热集热系统1、储 热系统2及发电系统3；光伏阵列5的输出端经逆变器6与电加热系统9 的电源接口及汇流系统4相连接，光热集热系统1与储热系统2相连接， 储热系统2与发电系统3相连接，发电系统3的输出端与汇流系统4相 连接，控制系统7与汇流系统4的控制端相连接，汇流系统4的输出端 与电网8相连接。

所述储热系统2包括高温储热系统201及低温储热系统202，其中， 高温储热系统201的出口与发电系统3的入口相连通，发电系统3的出 口与低温储热系统202的入口相连通，低温储热系统202的出口与光热 集热系统1的入口相连通，光热集热系统1的出口与高温储热系统201 的入口相连通，高温储热系统201内设置有加热器，电加热系统9与所 述加热器相连接。

所述发电系统3包括换热器301、汽轮机302及发电机303，其中， 换热器301的放热侧与储热系统2相连通，换热器301的吸热侧入口与 汽轮机302的出口相连通，换热器301的吸热侧出口与汽轮机302的入 口相连通，汽轮机302的输出轴与发电机303的驱动轴相连接。

汇流系统4上设置有光伏电能表402及光热电能表401，光热电能 表401与发电系统3相连接，光伏电能表402与逆变器6相连接。

本发明所述光热光伏互补协同发电系统的运行方法包括汇流并网协 同运行模式和光热光伏储热协调运行模式；

汇流并网协同运行模式下的具体运行过程为：

1a)控制系统7获取电力调度指令，检测当前光热电站的光热发电 功率及光伏电站的光伏发电功率，同时预测未来预设时间段内光热电站 的发电功率及光伏电站的光伏发电功率，确保电站整体并网功率满足电 力调度指令要求，即电站整体并网功率相对偏差小于电网8的许可偏差 δ

其中，G

2b)基于发电功率的历史数据及分时电价，利用优化算法对光热电 站及光伏电站的分时并网功率进行优化，使得电站一天整体收益I最大化。

其中，n为将一天时间划分为n个时间段，G

光热光伏储热协调运行模式的具体运行过程为：

当光伏电站的发电功率高于优化后所需的光伏并网功率时，则将剩 余的电能利用电加热系统9加热储热系统2中的储能介质，当光伏电站 的发电功率小于等于优化后所需的光伏并网功率时，则停运电加热系统 9，具体过程为：

电加热系统9的加热功率G

其中，G

在电加热系统9加热储热系统2中储热介质的过程中，实时调整进 入储热系统2中储热介质的流量，同时调节光热集热系统1输出至储热 系统2中储热介质的温度，使得光热集热系统1输出至储热系统2中的 储热介质经电加热系统9加热后的温度为预设温度，即

其中，c为储热介质的比热，

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围 并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范 围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。