宋汶秦， 馬彥妮， 李錦鍵， 王興貴， 楊維滿

(1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

太陽(yáng)能光熱發(fā)電(concentrating solar power, CSP)作為可再生能源利用的一個(gè)重要方式，工藝要求不高，且對(duì)環(huán)境的污染較小[1]。具有儲(chǔ)能系統(tǒng)(thermal storage system, TSS)的CSP發(fā)電系統(tǒng)，因其系統(tǒng)內(nèi)部能源能夠及時(shí)分配，故輸出比較穩(wěn)定。由此說(shuō)明CSP發(fā)電在新能源發(fā)電中有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)CSP電站進(jìn)行了多方面研究，部分研究涉及了經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方面。國(guó)外研究學(xué)者先提出光熱發(fā)電項(xiàng)目的評(píng)價(jià)概念，至今已有經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)與社會(huì)效益評(píng)價(jià)方面的研究。當(dāng)前我國(guó)在電力建設(shè)項(xiàng)目研究中注重經(jīng)濟(jì)分析，尤其是建設(shè)項(xiàng)目所在地區(qū)的局部效益[2]。文獻(xiàn)[3]為分析CSP儲(chǔ)能電站的調(diào)度，結(jié)合CSP運(yùn)行機(jī)理建立了入網(wǎng)效益模型，但沒(méi)有涉及基于電價(jià)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[4]利用遺傳算法，對(duì)風(fēng)電、光伏、CSP發(fā)電與火電機(jī)組的多源并網(wǎng)調(diào)度問(wèn)題提出了成本優(yōu)化策略，但沒(méi)有考慮到CSP電站運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的效益。文獻(xiàn)[5]從內(nèi)部能量流的角度對(duì)發(fā)電量進(jìn)行優(yōu)化，但沒(méi)有考慮到經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化問(wèn)題。

本文基于遺傳算法(genetic algorithms, GA)的優(yōu)化特性，提出一種CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化策略。

1 CSP電站運(yùn)行機(jī)理

CSP發(fā)電系統(tǒng)通常分為光熱部分與動(dòng)力部分，光熱部分用于太陽(yáng)能的收集與熱能的傳遞，動(dòng)力部分用于發(fā)電，前者包括聚光集熱子系統(tǒng)(solar field subsystem, SFS)、TSS以及各子系統(tǒng)之間傳遞能量的導(dǎo)熱流體(heat-transfer fluid, HTF)、汽輪發(fā)電子系統(tǒng)(powerblock subsystem, PS)及其控制系統(tǒng)等則屬于動(dòng)力系統(tǒng)[6]。CSP電站的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

SFS將太陽(yáng)的直接法向輻射(direct normal irradiance, DNI)通過(guò)定日鏡聚集至吸熱器，同時(shí)對(duì)HTF進(jìn)行加熱，HTF攜帶的熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽，從而推動(dòng)PS做功，最終產(chǎn)生電能。

2 CSP發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)模型

建立CSP經(jīng)濟(jì)模型過(guò)程中，通?？紤]到儲(chǔ)能約束：

(1)TSS的主要運(yùn)行約束在于其容量的限制，其儲(chǔ)能的最值約束為[3]:

(1)

(2)根據(jù)t-1時(shí)刻CSP發(fā)電站儲(chǔ)能容量、熱能損失以及TSS放熱機(jī)制可以確定t時(shí)刻儲(chǔ)能容量。t時(shí)刻容量計(jì)算公式如下：

Et=ρEt-1+st-dt

(2)

式中:Et-1為t-1時(shí)刻TSS儲(chǔ)能容量；ρ為T(mén)SS的熱耗散系數(shù)；st為t時(shí)刻注入TSS的熱能；dt為t時(shí)刻TSS放出的熱能。

(3)CSP電站的發(fā)電機(jī)組為汽輪機(jī)組，發(fā)電機(jī)組的出力約束為[5]113：

(3)

CSP電站的總支出費(fèi)用主要包括前期的建廠投資、運(yùn)行過(guò)程中維持汽輪機(jī)組啟停的費(fèi)用與后期的維護(hù)費(fèi)用：

(1)啟停成本Bq，定義為CSP電站中每個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)工作的汽輪機(jī)組數(shù)啟動(dòng)、停機(jī)所花費(fèi)的成本與[7]401。

(2)容量成本Br，表示TSS中儲(chǔ)存熱能的成本費(fèi)，定義為最大儲(chǔ)能量與光熱發(fā)電單位儲(chǔ)熱容量成本價(jià)格的乘積。

(3)建廠投資成本Bj，主要與其占地面積,裝機(jī)規(guī)模,所采用的技術(shù)途徑以及是否有補(bǔ)燃等因素有關(guān)。其中，聚光集熱場(chǎng)的建設(shè)成本占CSP電站成本的40%左右。

(4)維護(hù)成本Bw，表示CSP電站進(jìn)行維護(hù)時(shí)所花費(fèi)的成本，考慮在電站壽命基礎(chǔ)上，投資成本Bj的某個(gè)合適比例。

CSP發(fā)電站運(yùn)行過(guò)程中，TSS的放熱能力會(huì)影響經(jīng)濟(jì)收益，將其定義為運(yùn)行效益，主要包括電量效益與容量效益：

(1)電量效益，即CSP發(fā)電站投入運(yùn)行后，其發(fā)電量能獲得的經(jīng)濟(jì)收益。將其定義為電能在不同時(shí)段對(duì)應(yīng)的電價(jià)所獲得的利潤(rùn)。計(jì)算表達(dá)式為:

(4)

(2)容量效益，即在運(yùn)行過(guò)程中，額定裝機(jī)容量與TSS儲(chǔ)熱容量能夠產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益，并且使容量缺口盡可能小，以保證較大的經(jīng)濟(jì)收益。計(jì)算表達(dá)式為:

(5)

根據(jù)CSP電站的總支出與運(yùn)行收益，得到用于評(píng)價(jià)CSP運(yùn)行期限中的經(jīng)濟(jì)效益模型為:

B=Bq+Br+Bj+Bw-Bd-Bl

(6)

式中：B為CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益。

3 優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益模型及優(yōu)化策略

3.1 優(yōu)化模型

本文以經(jīng)濟(jì)效益最大作為優(yōu)化目標(biāo)，故優(yōu)化策略的目標(biāo)函數(shù)為maxB，其不等式約束如式(1)所示，等值約束如式(2)～式(6)所示。

3.2 優(yōu)化策略

本文選擇GA作為經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化算法。GA通過(guò)群體搜索技術(shù)，根據(jù)適者生存的原則選擇出優(yōu)良個(gè)體，對(duì)其進(jìn)行兩兩配對(duì)，進(jìn)而交叉染色體基因，同時(shí)隨機(jī)變異部分染色體基因，最終產(chǎn)生下一代群體，以此方法找到全局最優(yōu)解[4]。

利用GA實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化的步驟如下：

(1)首先進(jìn)行種群初始化，隨機(jī)生成NP個(gè)個(gè)體作為初始群體P(0)。

(2)計(jì)算群體的適應(yīng)度，即CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)對(duì)選擇出的優(yōu)良個(gè)體進(jìn)行交叉運(yùn)算，交換部分染色體。

(5)應(yīng)用變異算子計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益適應(yīng)度值，并根據(jù)適應(yīng)值進(jìn)行排序準(zhǔn)備下一次的遺傳操作。

(6)重復(fù)多次遺傳操作，直到輸出最大經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，本文提出的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化策略流程如圖2所示。

4 算例分析

利用提出的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)方法及其優(yōu)化策略，對(duì)甘肅省某地的CSP電站實(shí)例進(jìn)行分析，計(jì)算出CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益并應(yīng)用GA對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行優(yōu)化。

假設(shè)CSP電站容量為100 MW，經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算中包括的具體參數(shù)說(shuō)明如下。

容量效益計(jì)算中，MK=500 元/MWh；Kl=700 MWh；KP=150 MWh；容量缺口即為t時(shí)刻的負(fù)荷與t時(shí)刻CSP電站出力之差。電量效益計(jì)算中，取c=260 元/MWh；在負(fù)荷低谷、正常、高峰時(shí)段，對(duì)應(yīng)上網(wǎng)電價(jià)分別為400 元/MWh、650 元/MWh、1 000 元/MWh[7]403。年維護(hù)成本計(jì)算中，Bj=370 000元；取年運(yùn)行報(bào)廢率為0.02；壽命年限為10。啟停成本計(jì)算中，設(shè)汽輪機(jī)組啟動(dòng)、停止成本均為20 元/MW。

算例1：CSP電站單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)效益及其優(yōu)化。

單獨(dú)CSP電站運(yùn)行時(shí)，優(yōu)化前后的出力及負(fù)荷曲線，如圖3所示。

經(jīng)過(guò)GA算法優(yōu)化后，單獨(dú)CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益適應(yīng)度曲線如圖4所示。

從圖4中可以得到：利用GA算法對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行優(yōu)化后，經(jīng)濟(jì)效益有上升趨勢(shì)，出現(xiàn)最大值后保持不變。

經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化前經(jīng)濟(jì)效益為309 000元，優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)效益上升至372 000元，增幅為20.39%。對(duì)比可得，經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益明顯增大。

算例2：CSP電站與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益及其優(yōu)化。

聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行情況為：在算例1的負(fù)荷條件下，與額定裝機(jī)容量為100 MW的風(fēng)力發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行。典型日風(fēng)電場(chǎng)的出力曲線如圖5所示。

圖5中，根據(jù)氣候規(guī)律，1時(shí)至10時(shí)與18時(shí)至24時(shí)，這些時(shí)段風(fēng)力條件較好，故采取風(fēng)電出力以滿足負(fù)荷要求。11時(shí)至17時(shí)是一天當(dāng)中氣溫最高時(shí)段，風(fēng)力較小，故此時(shí)段不能單獨(dú)使用風(fēng)電出力，考慮與CSP電站聯(lián)合出力。

聯(lián)合系統(tǒng)出力及負(fù)荷曲線如圖6所示。

經(jīng)過(guò)GA算法優(yōu)化后，聯(lián)合系統(tǒng)中CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益適應(yīng)度曲線如圖7所示。

由圖7可得，利用GA算法對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行優(yōu)化后，經(jīng)濟(jì)效益有上升趨勢(shì)，出現(xiàn)最大值后保持不變。

經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化前經(jīng)濟(jì)效益為991 430元，優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)效益上升至1 208 030元，增幅為21.85%。對(duì)比可得，經(jīng)過(guò)GA優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益明顯增大。

由上述分析可以得出：無(wú)論CSP電站單獨(dú)運(yùn)行，還是與其他新能源發(fā)電方式聯(lián)合運(yùn)行，本文所建立的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)模型都可以正確反映CSP電站的經(jīng)濟(jì)收益情況，所提出的經(jīng)濟(jì)效益最大優(yōu)化模型可以在CSP電站單獨(dú)運(yùn)行或聯(lián)合運(yùn)行時(shí)有效提高其經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了一種模型并提出了優(yōu)化策略，其特點(diǎn)在于建立的經(jīng)濟(jì)模型比已有的成本模型更加全面。該模型考慮到CSP電站前期的成本問(wèn)題與運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的效益問(wèn)題，為今后評(píng)價(jià)CSP電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性提供了便利，同時(shí)可以利用該評(píng)價(jià)方法對(duì)不同CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較，方便日后研究電站市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)行為,且優(yōu)化模型使用了GA算法，計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益時(shí)間短，魯棒性高。本文所提的優(yōu)化策略能夠有效提升CSP電站的經(jīng)濟(jì)效益，有利于實(shí)際工程項(xiàng)目獲得最大收益。