[发明专利]基于运行可靠性的光热-生物质混合电站容量配置方法

权利要求书

1.基于运行可靠性的光热-生物质混合电站容量配置方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1，考虑光热-生物质混合电站各组分初始建设投资成本与运行维护成本，采用设备全寿命周期成本管理方法TLCC进行混合电站容量配置建模分析；

步骤2，建立考虑混合电站出力偏差惩罚、弃风弃光惩罚、以及混合电站容量配置的综合运行成本最小为目标函数的优化模型；构建模型约束条件；所述约束条件包括：光热电站运行约束、风电场运行约束、生物质锅炉运行约束以及系统功率平衡约束；

步骤3，考虑并设置混合电站运行可靠性约束，并将其加入到混合电站最优容量配置模型，得到考虑运行可靠性约束的光热-生物质混合电站最优容量配置模型；通过求解该最优容量配置模型，得到容量配置与优化运行结果；

所述步骤1中，具体包括如下内容：

进行光热-生物质混合电站容量配置建模分析，包括以下步骤：

在运用电力设备全寿命周期成本方法计算时考虑设备初始建设投资成本IC和维护与运营成本OM，其具体计算方法如下式(1)所示：

式中：LCC是设备总的寿命周期成本；icc_k是第k个组分的寿命周期成本，其具体计算方法如下式(2)所示；k是组分指数，N为总的组分数；CRF表示的是资本回收系数，其具体计算方法如下式(3)所示：

icc_k＝OM_k+IC_k (2)

式中：IC_k表示的是第k个组分的初始建设投资成本，OM_k表示的是第k个组分的维护与运营成本，计算方法分别如式(4)和(5)所示；N_p表示的是项目的生命周期；i_r表示的是资本回收的实际利率，其值用名义利率和通货膨胀率通过式(6)计算得到

IC_k＝γ_k·C_k (4)

式中：γ_k、θ_k分别表示第k个设备的单位建设投资成本和运营维护成本；C_k表示第k个设备的容量；i_n和u分别表示资本回收名义利率和通货膨胀率，i_n和u分别设值为6％和2％；j为年限的索引；

所述步骤2中，目标函数表示为：

式中：P_t^pb是t时段光热电站功率模块输出的电功率；P_t^w是t时段风电场的上网电功率；L_t是t时段的计划负荷；P_t^wc和P_t^sc分别是t时段风电场和光热电站的弃风、弃光功率；ω、λ^w和λ^s分别是失负荷惩罚系数、弃风惩罚系数和弃光惩罚系数；t为时间的索引，T表示总时段数；

所述步骤1中，各组分的所述的LCC如式(8)-(10)所示；

1)光热电站光场的全生命周期成本

2)光热电站储热系统的全生命周期成本

3)生物质电站锅炉的全生命周期成本

式中：λ^bio表示的是生物质燃料的单位成本；P_t^bio为生物质锅炉输出功率；η^pb为功率模块热电转换效率；光热-生物质混合电站的全生命周期成本计算时以日均形式表示；

所述步骤2中，所述约束条件包括：

1)光热电站运行约束

a.光场约束

太阳直射光线照射到光场，通过光热转换为热能，考虑各环节的效率，光场产热功率如下式(11)所示；式(12)表示光热电站光场额定建设容量；此外，光场额定建设容量需要小于最大建设容量限制；

C_SF≤C_SF，max (13)

式中：是光热电站光场在t时段的实际产热功率；是光场在t时段的太阳法向直接辐照度；S_SF为需要优化得到的光场建设面积；C_SF为光场在额定太阳法向直接辐照度下的额定建设容量；η_SF为光场的光热综合转换效率；C_SF,max表示光场最大建设容量；

光场输出的热功率需考虑弃热；弃热功率需满足如下上下限约束：

式中：P_t^sh为t时段光场总可用热功率；

b.储热系统约束

储热系统当前时刻的储热量与储热功率、放热功率和前一时刻的储热量相关，即：

式中：为储热系统在t+1时段的储热量；为储热系统在t时段的储热量；η^tes为储热系统的热量耗散系数；P_tⁱⁿ为t时段储热系统在的储热功率；P_t^out为t时段储热系统的放热功率；

储热系统在储放热过程中伴随着热量损失，表示如下：

P_tⁱⁿ＝(P_t^et+P_t^bt+P_t^ht)η^c (17)

式中：η^c为储热系统的储热效率；η^d为储热系统的放热效率；P_t^et为t时段风电场电热转换器到储热系统的输出热功率；P_t^bt为t时段生物质锅炉到储热系统的输出热功率；P_t^th、P_t^ht为t时段储热系统放热、储热功率；

储热系统的放热功率和储热功率会受最大热传递功率的限制，其需满足如下约束：

式中：和为t时段储热系统的最大储热和放热功率；布尔变量和分别表示储热系统在t时段是否储热和放热，是则置1，否则置0；

需要对储热系统的储热、放热状态进行约束，即：

为了满足多日连续运行的需要，储热系统在一个调度周期内始末储热量相等，即：

式中：和为储热系统最大和最小储热容量；和是储热系统初始和末期储热容量；是储热系统设定的初始储热容量；

c.功率模块运行约束

高温介质通过功率模块时，高温介质携带的热能被转化为电能，功率模块的热电转换功率平衡方程表示如下：

式中：P_t^hp为t时段热流体到功率模块的热功率；P_t^bp为t时段生物质锅炉到功率模块的热功率；为功率模块启动时消耗的热功率；布尔变量r_t^pb、表示t时段发电模块是否启动、停止、工作，是则置1，否则置0；

光热电站的功率模块运行时需考虑机组输出功率、爬坡速率、开停机时间约束：

式中：和分别为光热电站功率模块的最大、最小输出功率；和分别为功率模块的向上、向下爬坡速率；和分别为功率模块的最小开机、停机时间；

d.热流体传递系统运行约束

热流体传递系统的能量平衡方程表示为：

P_t^sh+P_t^th＝P_t^ht+P_t^hp (31)

2)生物质锅炉运行约束

生物质锅炉通过燃烧将化学能转化为热能，其热功率输出等于单位时间生物质燃烧的质量、热值与效率的乘积，即：

式中：P_t^bio为t时段生物质锅炉燃烧产生的热功率；为生物质锅炉的热效率；q_b为生物质的热值；m_b,t为t时段燃烧消耗的生物质质量；M_b为生物质燃料的最大质量；

生物质锅炉运行过程中同样需要满足输出功率、爬坡速率、开停机时间等约束，即：

式中：和分别为生物质锅炉最大、最小输出热功率；布尔变量r_t^bio、表示t时段生物质锅炉是否启动、停止、工作，是则置1，否则置0；和分别为生物质锅炉向上、向下爬坡速率；和分别为生物质锅炉最小开机、停机时间；

生物质锅炉产生的热量可直接输送到功率模块用于发电，也可储存于储热系统，增加了系统运行的灵活性，其功率平衡方程式为：

P_t^bio＝P_t^bt+P_t^bp (40)

3)风电场运行约束

风电场产生的电功率一部分需满足负荷需求，另一部分在负荷需求较低的时段通过电热转换器产生热量储存在储热系统中，即：

P_t^wind＝P_t^we+P_t^wc+P_t^w (41)

0≤P_t^w≤P_t^wind (42)

0≤P_t^wc≤P_t^wind (43)

P_t^et＝η^wP_t^we (44)

式中：P_t^wind为风电场在t时段的电功率；P_t^we为风电场在t时段到电热转换器的电功率；η^w为电热转换器的综合电热转换效率；

所述步骤3中，包括以下步骤：

考虑并设置混合电站运行可靠性约束；由于光热电站和风电场出力的随机性、波动性、不确定性，为了减少失负荷量以及系统的弃风、弃光量，满足负荷变化的灵活性要求，需要评估混合电站运行稳定性；目前，在对电站运行可靠性进行评估时，考虑失负荷量或者失负荷时间；在进行光热-生物质混合电站容量优化配置时，考虑采用负荷总缺电量与负荷总需求量的比值——负荷缺电率LPSP作为混合电站的运行可靠性指标，如式(45)所示：

式中：lpsp表示为负荷缺电率；lpsp反应混合电站运行可靠性；lpsp越小，负荷在调度日内的失负荷总量越小，混合电站的运行可靠性便越高；因此，为了保证光热-生物质混合电站的运行可靠性，需要根据负荷需求情况对电站运行设置约束，即设置失负荷率上限lpsp_max，确保混合电站在满足失负荷总量不超限的约束基础上得到经济性最优的容量配比，其约束如下式(46)所示：

lpsp≤lpsp_max (46)

lpsp_max分别设置为2％和0，即最大失负荷总量不超过负荷总需求的2％或者不允许失负荷情况的发生；

将上述光热-生物质混合电站运行约束加入到混合电站最优容量配置模型，得到考虑运行可靠性约束的光热-生物质混合电站最优容量配置模型；

通过求解该最优容量配置模型，得到容量配置与优化运行结果。