华北电力大学：如何充分利用光热电站灵活的调节特性在电力市场中获利？

方宇晨，赵书强

　　聚光型太阳能热发电(concentrating solar power，CSP)俗称光热发电，被认为是最具发展前景的可再生能源利用技术之一。其在不增加系统不确定性的前提下，利用蓄热系统(thermal energy storage，TES)使太阳能成为可调度资源。同时，光热电站具有灵活的调节特性，将其与风电相结合，可以降低系统出力的不确定性并提高可再生能源的消纳能力。此外，随着电力市场的逐渐开放，可再生能源参与市场竞价也是其日益发展趋势。因此，在我国西北地区，特别是风电资源与太阳辐照丰富的地方，将光热与风电相结合的方式将具有良好的应用前景。

　　针对光热电站优化运行模型及如何利用其灵活性与风电场联合参与电力市场等问题，本文提出光热电站与风电场联合优化运行及竞价策略。首先，对光热电站各组成部分进行较为详细的建模。之后，考虑风电场参与日前能量市场，光热电站在参与辅助服务市场的同时为风电场提供平抑出力波动的备用容量。计及可再生能源出力和市场价格不确定性的影响，构建联合竞价模型。最后，通过算例对模型的有效性进行验证，并分析说明联合竞价策略相较于单独竞价策略的优势。

　　CSP电站由光场(solar field，SF)、蓄热系统和功率转换模块(power block，PB)组成，不同模块之间由传热流体传递能量。SF将太阳直接辐射转化为热能，并将获得的热能一部分传递至PB转化为电输出功率，另一部分存储于TES中。研究CSP电站的前提是建立较为合适的模型，因此，本文首先根据CSP电站各组成部分构建了较为详细的运行模型。

图1  聚光型太阳能电站示意图

　　风电受气压、地形和高度等多种自然因素的影响，其出力具有随机性、波动性和间歇性。本文通过光热电站来为风电场提供平抑出力波动的备用容量，通过调整CSP电站的出力状态，来减小风电场竞标出力和实际出力之间的偏差。此外，光热电站作为价格接受者，根据其光照资源以及辅助市场价格在不同服务不同时段中优化其出力，以获得更高的利润。

　　在联合系统参与电力市场竞价时需要同时考虑市场价格及可再生能源的不确定性。由于这两种不确定性对于联合系统的投标决策来说具有不同的意义，因此本文分别采用场景法和机会约束规划来进行描述，并采用解析法将不确定的概率约束转化为确定性的等价形式。以联合系统收益最大为目标，建立联合竞价模型。

　　为验证本文所提模型的有效性，将联合竞价模式与单独竞价模式进行对比。算例分析可得，光热电站与风电场联合参与竞价在资源利用方面更具优势，在一定程度上能缓解弃光限电的现象。此外，由于光热电站能为风电场提供备用容量用于平抑出力波动，因此在经济性上也更具有优势。

表1  联合竞价与单独竞价的经济性对比

　　可再生能源参与电力市场竞价是其日益的发展趋势。但可再生能源出力具有不确定性，很大程度上阻碍了其在电力市场中的应用。聚光型太阳能热发电技术的快速发展为解决此问题提供了新的思路。本文提出了将CSP电站与风电场联合参与电力市场竞价的想法。利用CSP电站来平抑风电场的出力波动，构建了聚光型太阳能电站与风电场联合优化运行及竞价模型。通过算例验证说明了所提模型和方法的可行性与有效性，得出以下结论：

　　1) 所建立的CSP电站运行模型能较好的反映出其内部的能量流动过程及运行状态，该模型对聚光型太阳能电站后续的研究和发展具有一定的借鉴意义。

　　2) 将CSP电站与风电场联合运行，通过CSP电站来为风电场提供平抑出力波动的备用容量，能够协调太阳能和风能两种可再生能源，减少发电的不确定性。

　　3) 所构建的聚光型太阳能电站与风电场联合优化运行及竞价模型，将可再生能源与电力市场结合起来，达到了促进可再生能源的消纳和提升系统经济性的目的。

　　◎ 方宇晨，赵书强．聚光型太阳能电站与风电场联合优化运行及竞价策略[J]．中国电机工程学报，2020，40(1)：39-49．

　　◎ FANG Yuchen，ZHAO Shuqiang．Joint Optimal Operation and Bidding Strategies of Concentrating Solar Power Plants With Wind Farms．Proceeding of the CSEE，2020，40(1)：39-49(in Chinese)．

　　华北电力大学多能源系统优化与稳定技术研究团队主要研究方向为电力系统分析与控制、电力系统规划与可靠性、新能源电力系统。团队近5年承担国家级、省部级以及企事业单位委托科技项目30余项；在国内外重要期刊发表SCI/EI检索论文100余篇；出版学术专著2部。团队成员曾获省部级科技、教学成果奖励10人次。“电力系统振荡的在线辨识与广域自适应控制”项目，获2017年度河北省科技技术奖-技术发明一等奖。团队研发的“电力系统谐波分析软件包”、“输配电系统可靠性分析评估系统”、“电网稳定裕度分析软件”、“负荷预测与分析系统”、“高压直流输电保护定值整定系统”等科研成果均获得了实际应用。

　　方宇晨(1993)，男，博士研究生，现就读于华北电力大学电气与电子工程学院，主要从事光热电站优化运行、电力系统优化调度等方面研究。

　　赵书强(1964)，男，教授，博士生导师，河北省优秀教师，中国电机工程学会高级会员，现任华北电力大学电力工程系党委书记，河北省分布式储能与微网重点实验室主任，河北省光伏产业技术研究院专家技术委员会副主任委员。主持和承担多项国家级、省级科技项目及企事业单位委托科技项目。发表SCI/EI检索论文80余篇，获省部级技术发明一等奖1项、科技进步二等奖1项。主要研究方向为电力系统分析与控制、新能源电力系统特性与多源互补、电力系统规划与可靠性等。