面向减少可再生能源弃电的光伏-风力发电机-电加热器-聚光太阳能发电综合能源系统的最优光伏/风电配置

《Sustainability》：Optimal Photovoltaic/Wind Configuration of a Photovoltaic–Wind Turbine–Electric Heater–Concentrated Solar Power Integrated Energy System for Renewable Energy Curtailment Reduction

　　

大型具有高可再生能源渗透率的可再生能源基地正面临日益严峻的可再生能源弃电挑战。配备储热系统(TES)的聚光太阳能发电(CSP)电站能够提供可调度的电力输出，而电加热器(EH)则为将过剩的可再生能源电力转化为有用的热能提供了有前景的途径。在本研究中，研究人员探讨了一种具有固定CSP-EH配置的光伏-风力发电机-电加热器-聚光太阳能发电(PV-WT-EH-CSP)综合能源系统。引入电加热器作为关键的热电解耦设备，它回收原本被弃掉的光伏和风电电力，并将转化后的热能注入CSP电站的传热流体(HTF)回路中。研究人员开发了一个混合整数线性规划(MILP)模型，以优化协调调度并评估在固定CSP和电加热器容量下的不同光伏/风电容量组合。结果表明，在100 MW CSP和150 MW电加热器的固定容量下，500 MW光伏和400 MW风电的光伏/风电容量组合在所研究的案例中实现了最佳的综合性能。在不同的典型日条件下，电加热器回收过剩的可再生能源电力，回收率在16.06%到20.21%之间。研究人员提出的电加热器-聚光太阳能发电(EH-CSP)耦合机制将被弃的可再生能源电力转化为可调度的热能，从而减少了可再生能源弃电，增强了热侧灵活性，并改善了所研究的光伏/风电容量组合下大型可再生能源基地的运行收益。

研究背景：随着低碳能源转型的推进，大型可再生能源基地（集成光伏和风力发电）在资源丰富地区快速发展。然而，太阳能和风能的间歇性、波动性和不确定性导致光伏和风电输出难以匹配负荷需求或电网吸纳能力，造成严重的可再生能源弃电现象。弃电不仅浪费清洁能源，还降低了项目的运行收益和投资吸引力。现有的解决方案如电化学储能、制氢等面临投资成本高、存储时间短或与现有资产耦合不足等问题。配备储热系统（TES，利用介质储存热能的装置）的聚光太阳能发电（CSP，利用反射镜聚集太阳辐射产生热能发电的技术）电站提供了提高系统可调度性的途径，但以往研究多关注电源侧互补，对引入电加热器（EH，将电能转化为热能的设备）实现电热耦合的综合系统研究不足，尤其缺乏在考虑CSP运行约束、辅助服务收益和不同光风容量组合下的协同调度研究。

研究内容、结论与意义：研究人员针对上述问题开展了一项关于光伏-风力发电机-电加热器-聚光太阳能发电（PV-WT-EH-CSP）综合能源系统的优化配置研究。研究表明，引入电加热器作为热电解耦设备，能将原本被弃掉的光伏和风电电力转化为热能并注入CSP热回路，从而减少弃电、增强热侧灵活性并提升收益。该研究提出了将弃电从被动损失转化为可用热资源的新机制，对于提升大型可再生能源基地的运行灵活性和经济性具有重要意义，该论文发表在《Sustainability》上。

关键技术方法：研究人员构建了一个混合整数线性规划（MILP，包含连续变量和整数变量的数学优化模型）模型来优化系统协调调度。研究基于中国西北地区的年度小时级数据，采用k-medoids方法（一种聚类算法）选取了4个具有不同风光资源特征的典型日进行评估。模型同时考虑了售电收入、辅助服务收入、购电成本、水费、弃电惩罚和短缺惩罚等经济因素，并纳入了CSP的启动热需求、爬坡约束和厂用电等实际运行限制，以及PV、WT、EH、TES和CSP的多能流耦合约束。

研究结果：

System Description（系统描述）：研究人员阐述了PV-WT-EH-CSP系统的结构与数学模型。系统包含光伏板、风机、CSP电站、TES、电加热器与电网。风机的输出功率取决于瞬时风速v_t、切入风速v_in、切出风速v_out与额定风速v_r。光伏板的实际功率P_PV受太阳辐照度G_t及标准测试条件下的辐照度G_STC等参数影响，其实际表面温度T_PV受环境温度T_air影响。CSP系统通过太阳能场（SF）收集热功率P_SF,Avail，考虑热损耗后传递给传热流体（HTF）的功率为P_SF,HTF。TES的状态由充放热功率及散失系数决定，其容量记为E_TES。动力块（PB）将热能转化为电能P_CSP，并消耗厂用电P_Aux，启动时需额外热功率P_Start。EH作为电热耦合关键设备，将来自PV、WT及电网的电能转换为热能P_EH,HTF并注入CSP热回路。

Simulation and Optimization（模拟与优化）：研究人员设定了以系统全年运行收益最大化为目标的函数，该函数综合了售电收入F_Sell、调峰收入F_AS与调频收入F_FR，并扣除购电成本C_Buy、水费C_Water及惩罚成本C_Pen。约束条件包括电热能量平衡、CSP启停状态b_up(t)与b_down(t)及爬坡速率CU_CSP限制。基于中国西北地区的全年8760小时数据，利用k-medoids聚类筛选出4个典型日进行模拟。

Results and Discussion（结果与讨论）：通过对6种案例的对比，研究发现配置为500 MW PV + 400 MW WT + 100 MW CSP + 150 MW EH的方案能实现最高的年化加权净收益和最佳综合性能。这表明平衡的PV-WT容量组合优于单一电源主导的配置，能更好地匹配CSP-EH子系统的调节能力。在不同典型日中，EH对过剩可再生能源电力的回收率介于16.06%至20.21%之间，有效证明了电热转换在减少弃电方面的作用。系统负荷仅含厂用电，故大部分发电量用于售电，部分过剩电力被EH吸收并转化为CSP的热储备。电加热器在电气侧作为灵活负荷，在热侧作为补充热源，显著提升了系统运行收益。

讨论部分与结论翻译总结：研究人员在结论中指出，本研究开发的PV-WT-EH-CSP综合能源系统协调调度框架，通过电加热器将过剩光风电力转化为可用热能。结果显示，500 MW PV与400 MW WT的平衡配置最能匹配CSP-EH子系统的调节能力。电加热器不仅降低了弃电率，还增加了CSP系统的可用热输入，回收的能量E_EH可存储于TES或通过PB转化为电能，从而提升了可再生能源利用率E_PV,avail与E_WT,avail的利用水平以及CSP的可调度性。相较于电池储能或制氢，该EH-CSP路线更适用于已具备CSP-TES的基地，能有效减少弃电量E_cur。研究建议政策制定者认可CSP-TES与电加热器的灵活性价值，通过辅助服务补偿与分时电价等机制促进弃电转化，从而提高高可再生能源系统的整体经济效益。未来研究将进一步探讨考虑投资成本与市场不确定性的发电与热侧容量联合优化，并与无EH的系统进行对比以量化电加热器的独立贡献。