光伏光熱聯合發電基地并網優化調度模型

袁同生

【摘 要】太陽能能源基地建設正在從單一光伏發電向光伏光熱等多種太陽能能源利用形式方向發展。借助光熱電站的大容量儲熱裝置和具備快速爬坡速率的汽輪機組，光伏光熱聯合發電基地的并網運行的可調度性和可控性大大提升。從光伏光熱聯合發電基地的運行機理出發，建立了基于改進粒子群算法的光伏光熱兩階段優化調度模型，第一階段以削減等效負荷峰谷差、改善負荷曲線為優化目標，第二階段以發電總成本最小為優化目標。該模型滿足光伏光熱電站的主要運行約束和傳統機組組合安全約束，適用于光伏光熱聯合發電基地并網調度運行。對10機系統的仿真表明，在完全接納太陽能發電的前提下，光伏光熱發電基地在削減等效峰谷差、提高新能源消納和降低發電總煤耗效益顯著，同時對于光熱電站的靈敏度分析表明，在規劃建設光熱電站時可根據單位峰谷差削減量以及建設成本來選擇合適的裝機容量和儲熱裝置容量。

【關鍵詞】光伏;光熱;改進粒子群;峰谷差;機組組合;靈敏度分析

引言

隨著人類社會的進一步發展，傳統能源的快速消耗問題成為世界關注的焦點。據估計至2035年，世界能源消耗量將增加35%。同時，隨著傳統化石能源的開采與使用的規模進一步擴大，化石能源所產生的各種有害物質也在不斷破壞生態環境。因此解決環境保護問題和可持續發展問題愈加迫切，人們需要開發新的能源解決這些問題。在目前的新能源中，太陽能作為一種清潔、高效且永不枯竭的可再生能源，一直是關注的焦點，同時研究太陽能的利用也符合我國太陽能資源豐富與分布廣泛的特有國情。太陽能的利用方法主要包括太陽能光伏技術與太陽能光熱技術。太陽能光伏技術是利用半導體材料的光生伏打效應，將光子轉換為電子，使太陽能直接轉換為電能。而太陽能光熱技術則是將太陽能轉換為熱能進行利用。目前常用硅太陽能電池光電轉換效率隨溫度升高而降低，電池溫度每升高1K就會導致電池的光電轉換效率降低0.5%。同時太陽電池也會因為長期在高溫條件下工作而導致其老化縮短使用年限。因此若在太陽能轉化為電能的同時，使集熱組件中的冷卻介質將電池的熱量帶走并利用起來，既提高了電池光電轉換效率也可以得到熱能，此時可以同時達到光伏光熱利用效果。光伏光熱系統因其特性受到人們重視，但是由于各種原因，在實際情況中光伏光熱系統的效果尚未達到令人滿意的效果。主要是因為光電效率普遍處于一個較低的水平，或是光伏光熱整體利用效果不佳。因此到目前為止，已經有很多研究者對光伏光熱系統的效率提高進行了研究。本文針對太陽能光伏光熱（PV/T）系統存在的問題進行了分析，并對效率提高的辦法進行了總結，按照研究的位置不同進行了分類。

1基本概念

光伏光熱系統主要由太陽能光伏組件與光熱組件組成，由光伏板吸收太陽輻射能量并將其轉換為電能與熱能，再由光伏板下的冷卻介質帶走熱量，實現電能與熱能的同時利用。光伏光熱系統類型較多，按照電池種類可以分為晶硅電池光伏光熱系統、非晶硅太陽能光伏光熱系統等;按照冷卻介質可以分為光伏/熱水綜合利用技術，光伏/熱空氣綜合利用技術，光伏/熱泵綜合利用技術等;對于使用晶硅太陽電池的光伏光熱系統，按照集熱器結構可分為管翅式、管板式、扁盒式等。圖1所示為典型管板式光伏光熱系統，主要由集熱器、冷卻介質與太陽能電池三大部分組成，其中集熱器由玻璃蓋板、吸熱板與流道組成。

2光伏電站運行機理

當前，中國的并網光伏發電呈現著“分散開發、低壓就地接入”與“大規模集中開發、中高壓接入”的兩種主要發展趨勢，建設大型并網光伏電站是集中利用太陽能的重要方式。相比離網光伏發電系統，大型并網光伏電站可以略去蓄電池儲能環節，基于最大功率點跟蹤技術（MPPT）實現系統效率的提升;相比小型并網光伏發電系統，大型并網光伏電站可以集中利用太陽能，通過采用逆變器并聯、集中管理和運行控制技術，可在不同運行場景下充分利用太陽能的時間特性和儲能技術，對電力系統起到削峰、無功補償的作用。UmPm大型并網光伏電站一般有多個基本單元構成，如圖2所示，每個單元基本容量為0.3～1.0 MW。多塊太陽能電池板經過串、并聯組合構成光伏陣列，實施光電轉換后產生的直流電通過防逆二極管連接至逆變器直流母線上。運行過程中，通過MPPT跟蹤控制策略確定運行的最大功率點電壓和功率。再輔以逆變器和必要的濾波環節，通過PQ控制策略及SPWM調制環節驅動開關器件，將直流電轉換為滿足電能質量要求的交流電，經變壓器升壓后并網。

3光伏-光熱優化調度模型

本文基于兩階段優化的思路，從光伏光熱發電系統的運行機理入手，以削減等效負荷峰谷差和最大化并網效益為目標建立基于光伏光熱聯合發電基地的并網優化調度模型。

3.1第一階段優化

大型光伏光熱聯合發電基地并網運行后，由于光熱電站配備了大容量的儲熱裝置以及具備快速爬坡能力的汽輪機組，該系統對于電網而言具備了調節電網峰谷差、改善負荷曲線、增強電力系統靈活運行的作用。因此，在第一階段優化過程中，以削減系統負荷峰谷差為目標，應用粒子群優化算法，建立光伏光熱電站的調峰的優化調度模型，為第二階段的機組組合和經濟負荷分配提供等效負荷數據。

3.2第二階段優化

第二階段的火電機組優化調度在第一階段優化后的等效負荷的基礎上進行。優化目標是在調度周期內和一定約束條件下，合理安排機組啟停和經濟負荷分配，使得總發電成本最低

4存在問題

PV/T系統目前存在的主要問題之一就是效率不高，主要是光電效率不高，而系統各部分組件均存在一定的問題，進而導致效率不高。因此本文近年來針對PV/T系統效率提高的方法進行了總結，按照問題所在部位對其進行分類，主要包括集熱器、冷卻介質與光伏電池的改進方法。

集熱器上的問題是較為顯著的。光伏板的冷卻主要依靠集熱器的冷卻結構，因此集熱器對光伏板效率影響也較為明顯。主要問題包括：

4.1光伏板與集熱器連接處熱阻較大。由于光伏板本身材質較脆，需要用背板加以固定以防止被破壞，因此光伏板與集熱器的冷卻結構一般為間接接觸。這樣就提高了二者間的熱阻，影響散熱。

4.2集熱器中各種參數有待優化完善。因為集熱器與系統光電光熱效率息息相關，其中的各種參數也對系統性能有一定的影響，需要針對集熱器的各個參數進行研究，調整合適的參數以便達到更高效率。

4.3冷卻結構有待改進。光伏板的溫度若能維持在一個較低水平則會有更好的效果。現有的冷卻結構往往由于本身結構原因使其冷卻效果不能達到理想效果。

4.4其他影響集熱器性能的因素有待研究改進。集熱器上光伏板覆蓋率、玻璃蓋板等對光伏板效率與熱效率影響同樣很大，因此同樣需要對其進行深入研究。冷卻介質也與冷卻效果和集熱效果有著直接影響。冷卻介質存在的主要問題就是選用哪種介質對光伏板的冷卻效果最佳，對光伏板的溫度控制效果更好。

結語

本文從光伏電站和光熱電站的運行機理入手，建立了光伏光熱聯合發電基地并網的兩階段優化調度模型，并通過10機系統進行仿真驗證，分析了聯合發電基地的并網效益。結果表明：（1）光伏光熱聯合發電基地在最大化利用太陽能資源的基礎上，可以利用光熱電站的特性，改善負荷曲線，降低等效負荷的峰荷和峰谷差;（2）由于光伏光熱電站的引入，在提高太陽能資源利用效率的同時，機組的發電總煤耗和開機時段均有一定的減少，削減了系統運行成本;（3）在一定的運行條件下，對光熱電站機組裝機容量和儲熱裝置容量的適當提升有助于提高峰谷差削減量和降低系統運行成本，但是在規劃過程中，還應該結合建設成本進行成本效益分析，選擇合適的裝機容量進行建設。

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（作者單位：國網山西省電力公司大同供電公司）