含光热电站的冷、热、电综合能源系统优化调度【节点网络】（Matlab代码实现）

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💥1 概述

光热发电( concentrating solar power，CSP）是一种新型可再生能源发电技术，具有低碳发电和高效储能的优势，但当前光热电站常充当单一发电源进行能源供应，其供能潜力未得到充分的发挥。在“碳中和,碳达峰”的背景下，为挖掘光热电站的供能潜力，提高能源系统的能源利用效率以及降低系统的碳排放总量，本文提出将光热电站引入综合能源系统中，研究光热电站的不同供能模式及其对综合能源系统优化调度的影响。

本文构建了含光热电站、光伏发电、风力发电、电网、有机郎肯循环、热电联产、电锅炉、P2G装置、制冷机组等的综合能源系统供能网络。并通过改进光热电站的能量流动结构，建立了光热电站热-电联产的数学模型。同时，对合能源系统中其余设备的运行机理进行详细的分析，建立了相应的数学模型，为系统调度研究奠定了理论基础。

光热发电技术是一种有别于光伏发电、太阳池发电以及热风发电的新型太阳能发电技术。作为大规模太阳能发电的主要方式，光热电站可以利用太阳辐射能产生的热能进行间接发电，实现光-热-电的能量转换。

光热电站的结构如图 2-2 所示。光热电站主要由光场、储热装置和热循环系统组成。其中，光场部分包括反射器、跟踪装置、接收器、集热器等。跟踪装置分为一维跟踪装置和二维跟踪装置，也可称为单轴跟踪和双轴跟踪，以便根据太阳辐射强度调整反射器。反射器将太阳辐射能集中在接收器上，集热器利用接收到的太阳热量加热传热流体，将光能转换为热能，实现能量的采集与转换。与传统的火电机组发电原理类似，光热电站的热循环系统通过传热流体传递和交换热量，产生高温蒸汽驱动汽轮机，实现热能到电能的能量转换。储热装置有两个吸热和放热的过程，当电负荷较低时，光热电站可以通过传热流体将发电多余的热能存储至储热装置中，减少能源损耗。当电负荷高峰时，储存的热量通过传热流体释放并传输到热循环系统进行发电。由于光热电站的热循环系统和储热装置的配置与传统火电机组类似，使得光热发电具有与传统火电机组相当的调节特性，可以促进可再生能源的并网消纳。对于综合能源系统调度而言，光热电站的调度模型应当在充分简化的基础上，着重描述光热电站的能量流关系和主要运行约束。考虑到系统调度问题所涉及的时间间隔尺 度远大于光热电站内部动态过程的时间常数，因此调度模型中不计及能量交换的动态过程。

一、研究背景与意义

随着全球能源危机和气候变化问题的日益严峻，构建清洁、高效、可持续的能源体系成为当前能源领域的关键任务。综合能源系统（Integrated Energy System, IES）作为一种多能互补、协同优化的能源供应模式，通过集成多种能源生产、转换、存储和消费单元，实现能源的高效利用和协同供应，有效提高了能源系统的整体性能。光热电站（Concentrated Solar Power, CSP）作为一种重要的可再生能源发电技术，具有储能能力和较好的调峰特性，在电力系统中扮演着日益重要的角色。将光热电站纳入综合能源系统，可以进一步提升系统的灵活性和可再生能源利用率，同时满足用户的冷、热、电多种能源需求。

二、系统结构与节点网络设计

1. 系统组成

含光热电站的冷、热、电综合能源系统主要由以下几个部分组成：

• 光热电站：包括聚光集热系统、储热系统和发电系统。聚光集热系统将太阳辐射转化为热能，储热系统用于储存热能，发电系统则将热能转化为电能。
• 能源转换设备：如燃气轮机、余热锅炉、吸收式制冷机、电制冷机、热泵等，实现不同形式能源之间的转换。
• 能源存储设备：如蓄电池、储热罐、储气罐等，用于平衡能源供需的时空差异。
• 负荷节点：分为电负荷节点、热负荷节点和冷负荷节点，分别对应用户的电力、热力和冷量需求。
• 联络节点：用于连接不同区域的节点网络，实现能源在更大范围内的传输与调配。

2. 节点网络设计

根据能源的生产、转换、存储和消耗特性，将综合能源系统节点网络划分为以下几类节点：

• 能源生产节点：主要包括光热电站节点、燃气轮机节点、可再生能源发电节点（如光伏、风电）等。
• 能源转换节点：包含制冷站节点（如吸收式制冷机、电制冷机）、热泵节点、P2G（电转气）节点等。
• 能源存储节点：除光热电站的储热节点外，还包括储电节点（如蓄电池）、储气节点（如天然气储罐）、储冷节点（如冰蓄冷装置）等。
• 负荷节点：分为电负荷节点、热负荷节点和冷负荷节点。
• 联络节点：如与外部电网的连接节点、与外部天然气管网的连接节点等。

3. 节点间能源传输路径

• 电力传输网络：连接能源生产节点（光热电站、常规电站、可再生能源发电节点等）、能源转换节点（P2G节点等耗电设备）、能源存储节点（储电节点）和电负荷节点，采用电缆等设备进行电力传输。
• 热力传输网络：连接光热电站的供热输出端、热泵节点、热负荷节点以及储热节点，通过热力管道传输热能。

三、优化调度模型构建

1. 目标函数

在节点网络架构下，含光热电站的冷、热、电综合能源系统优化调度的目标是实现多目标协同最优，主要包括以下几个方面：

• 经济性目标：以系统的总运行成本最小化为核心，总运行成本涵盖光热电站的运行成本（包括燃料消耗成本、设备维护成本等）、其他能源生产节点的运行成本（如燃气轮机的燃料成本）、能源转换节点的运行成本（如制冷机的耗电成本、热泵的能耗成本）、能源存储节点的充放电/充放能成本、与外部电网的购售电成本、与外部天然气管网的购气成本以及设备的启停成本等。
• 环保性目标：减少系统运行过程中的污染物排放，如二氧化碳、氮氧化物等。优先调度光热电站等清洁能源发电和供热，减少对化石能源的依赖；合理安排燃气轮机等设备的运行，提高其燃烧效率，降低单位能源产出的排放量；通过优化P2G设备的运行，促进可再生能源的消纳，间接减少碳排放。
• 能源利用效率目标：充分发挥节点网络中各设备的协同作用，提高能源的综合利用效率。例如，光热电站产生的热能除用于发电外，可直接用于供热或驱动吸收式制冷机产生冷能，实现热能的梯级利用；能源转换节点尽可能利用低品位能源（如工业余热、太阳能余热）进行能源转换，减少高品位能源的消耗；通过能源存储节点的合理调度，减少能源的浪费，实现能源在时间上的优化配置。

2. 约束条件

为保证节点网络系统的安全、稳定运行，优化调度需满足一系列约束条件：

• 能源生产节点约束：光热电站节点的发电量与供热量之和（考虑储热系统的充放热）应等于其能源产出总量，同时需满足发电和供热设备的出力限制；其他能源生产节点的产出量需与其消耗的能源量（如燃气轮机消耗的天然气）相匹配，并符合出力上下限约束。
• 能源转换节点约束：输入能源量与输出能源量需满足转换效率关系，如制冷机的耗电量与产冷量之比应在其效率范围内，且输入和输出能源量不得超过设备的最大容量限制。
• 能源存储节点约束：储能量的变化量等于充能量与放能量之差（考虑损耗），且储能量需在其最大和最小容量之间；充放能速率不得超过设备的允许范围，同时满足充放能的时间约束（如不能频繁充放）。
• 负荷节点约束：接入的能源量（电力、热力、冷量）需等于用户的需求负荷，确保用户的能源供应。
• 天然气管网约束：输气流量需在管道的允许范围内，管网压力需维持在安全运行区间，防止出现爆管或供气不足等问题。
• 设备运行约束：光热电站的集热系统、发电系统和储热系统需满足各自的运行参数限制，如集热器的工作温度范围、汽轮机的最大最小出力、储热罐的温度和压力约束等；制冷机、热泵、P2G等转换设备的运行需在其额定工况范围内，启动和停机过程需满足时间和功率变化率约束，避免设备损坏；能源存储设备的充放电/充放能过程需遵循其充放特性，如蓄电池的充放电深度限制、储热罐的温度变化速率限制等。
• 联络节点约束：与外部系统连接的联络节点，其购售电量需在外部电网的允许范围内，避免对主网造成冲击；购气量需符合外部天然气管网的供应能力，同时遵守相关的交易规则和调度协议。

四、优化调度策略

1. 光热电站节点调度策略

根据光照强度、负荷需求和电价等因素，优化光热电站节点的运行：

• 在光照充足时段，优先利用太阳能集热系统产生的热能进行发电和供热，多余的热能存入储热系统；当电力或热力负荷较低时，可增加储热量，为后续时段储备能源。
• 在光照不足或夜间时段，优先使用储热系统中的热能满足发电和供热需求；若储热量不足，启动辅助燃料装置补充热能，确保能源供应的连续性。
• 结合节点网络中的电价和热价信号，在电价/热价较高时，增加发电/供热出力（利用储热或辅助燃料），提高经济效益；在电价较低时，可适当减少发电，将更多热能储存起来。

2. 能源转换节点调度策略

• 制冷站节点：根据冷负荷需求和能源供应情况，选择最优的制冷方式。当光热电站有多余热能时，优先启用吸收式制冷机，利用热能产冷；当电力供应充足且电价较低时，可采用电制冷机补充冷量。
• 热泵节点：优先利用低品位热源（如地热能、工业余热）进行供热，在热源不足时，可消耗电能从环境中吸收热量，同时结合热负荷需求和电价，优化其运行时段。

3. 能源存储节点调度策略

根据各时段的能源价格和负荷波动，制定充放能计划：在能源价格低、供应充足时进行充能；在能源价格高、需求旺盛时进行放能，平抑能源供需波动，降低运行成本。

4. 节点网络全局协同调度策略

综合考虑各节点的能源供需关系和网络传输能力，实现全局优化：

• 通过节点间的信息交互，实时掌握各节点的能源产出、转换、存储和负荷情况。
• 根据能源传输成本和损耗，优化能源的传输路径和传输量。

五、案例分析

以某地区含光热电站的冷、热、电综合能源系统为例，构建节点网络优化调度模型，并采用改进的智能优化算法进行求解。通过仿真分析，验证所提模型和策略的有效性和优越性。

• 仿真结果：合理的优化调度策略能够有效提高系统能源利用效率，降低运行成本，并促进可再生能源的消纳。与传统的调度方法相比，所提策略在经济性、环保性和可靠性方面均有显著提升。
• 经济性分析：通过优化各节点的能源产出与转换量，系统总运行成本显著降低。同时，优先调度光热电站等清洁能源，减少了化石能源的消耗，进一步降低了运行成本。
• 环保性分析：优化调度策略减少了系统运行过程中的污染物排放，如二氧化碳、氮氧化物等。通过提高清洁能源的利用率，降低了碳排放强度，有助于实现碳达峰、碳中和的目标。
• 可靠性分析：通过能源存储节点的合理调度和节点间的协同运行，提高了能源系统的抗风险能力。在紧急情况下，光热电站的储热能力可以提供备用电力，增强能源系统的可靠性和安全性。

📚2 运行结果

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🎉3 参考文献

部分理论来源于网络，如有侵权请联系删除。

[1]赖光前. 含光热电站的冷—热—电综合能源系统优化调度[D].东北林业大学,2022.DOI:10.27009/d.cnki.gdblu.2022.001091.

[2]代凯凯,蔺红.计及热电负荷特性的光热电站储热容量优化[J].现代电子技术,2022,45(19):139-144.DOI:10.16652/j.issn.1004-373x.2022.19.026.

[3]马云聪,武传涛,林湘宁,顾延勋,李正天,魏繁荣.计及碳排放权交易的光热电站市场竞价策略研究[J].电力系统保护与控制,2023,51(04):82-92.DOI:10.19783/j.cnki.pspc.221157.

🌈4 Matlab代码实现