火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法技术

本发明专利技术公开了火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，包括以下步骤：S1：构建火电机组改造电网侧储能方案的系统结构模型。S2：基于步骤S1所建立的系统组件模型，构建火电改造系统方案的双层优化框架；S3：基于步骤S2所建立的双层优化框架，利用TLBO算法耦合混合整数线性规划求解器YALMIP对双层优化模型进行求解，本发明专利技术适用于火电机组改造技术领域，利用熔盐电加热器与熔盐储热罐替代火电机组的锅炉组件，并基于双层优化框架获取火电机组改造电网侧储能方案的容量配置与运行调度协同优化方法，可协助电力系统消纳可再生能源并维持系统的安全性及运行稳定性，并可通过电网套利的运行模式盈利。电网套利的运行模式盈利。电网套利的运行模式盈利。

【技术实现步骤摘要】
火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法


[0001]本专利技术属于火电机组改造
，具体是火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法。

技术介绍

[0002]能源危机与环境污染问题是影响人类生存发展的关键性挑战。目前，煤炭、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐枯竭，因此亟待寻找可再生可持续的能源来改变以化石燃料为主导的能源结构。其中，煤炭是主要的电力来源，同时也是最大的碳排放来源。在碳达峰碳中和的战略背景下，中国的燃煤火电机组面临着关停或改造的现状。然而，燃煤火电机组在电网中承担着重要的调节作用，大规模的火电机组关停将会严重影响电力系统的安全性及运行稳定性。因此，改造现有的燃煤火电机组是更合理且更可行的方案，从而实现电力系统的可持续性及低碳化转型。
[0003]最直接的火电机组脱碳改造方案是利用碳捕集与封存(Carbon capture and storage,CCS)技术与火电机组耦合，从而有效去除烟气中的碳排放。有学者[Kumar,A.and A.K.Tiwari(2022)."Solar
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assisted post
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combustion carbon
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capturing system retrofitted with coal
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fired power plant towards net
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zero future:A review."Journal of CO2 Utilization 65:102241.]提出利用太阳能提供碳捕集与封存技术所需的外部热源，减少碳捕集与封存技术所导致的火电机组发电量衰减，从而更高效地实现火电机组脱碳改造。也有学者[Li,J.,et al.(2021)."Unit
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level cost
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benefit analysis for coal power plants retrofitted with biomass co
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firing at a national level by combined GIS and life cycle assessment."Applied Energy 285:116494.]提出利用生物质能与煤炭共燃的方式实现火电机组改造，从而减少机组耗煤量以及碳排放强度。然而，虽然上述火电机组改造方案可以减少碳排放量，但其仍会消耗大量的煤炭资源，不利于缓解能源危机。此外，基于碳捕集与封存技术的火电机组改造方案需要大量的额外投资成本，其会对火电机组运营者或政府带来较大的经济负担。
[0004]有学者[Guo,S.,et al.(2020)."The multi
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objective capacity optimization of wind
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photovoltaic
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thermal energy storage hybrid power system with electric heater."Solar Energy 195:138
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149.]提出将火电机组改造为电源侧储能，用于平抑风电
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光伏输出功率波动并提高输电通道容量的利用效率。研究结果验证了该火电机组改造方案的有效性，并表明该方案具有比蓄电池储能更优的经济效益。也有学者[Yong,Q.,et al.(2022)."Retrofitting coal
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fired power plants for grid energy storage by coupling with thermal energy storage."Applied Thermal Engineering 215:119048.]研究了火电机组改造电网侧储能方案的技术可行性，研究结果表明改造后火电机组可避免锅炉烟气的损失实现更高的热力学转换效率。然而，现有研究并未考虑火电机组改造储能方案的容量配置与运行调度协同优化问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，包括以下步骤：
[0008]S1：构建火电机组改造电网侧储能方案的系统结构模型。
[0009]S2：基于步骤S1所建立的系统组件模型，构建火电改造系统方案的双层优化框架；
[0010]S3：基于步骤S2所建立的双层优化框架，利用TLBO算法耦合混合整数线性规划求解器YALMIP对双层优化模型进行求解，最终获取火电机组改造储能方案的最优容量配置及最优运行策略。
[0011]优选的，所述步骤S1中，系统结构模型包括熔盐电加热器模型、熔盐储热罐模型、熔盐换热器模型、汽轮机组发电模块模型；
[0012]具体包括：利用熔盐电加热器、熔盐储热罐、熔盐换热器替代燃煤火电机组的锅炉组件，然而沿用火电机组的汽轮机组发电模块及电站辅助设施。
[0013]优选的，所述步骤S2中，双层优化框架包括上层容量配置模型及下层运行调度模型；
[0014]上层容量配置模型以电加热器额定功率以及熔盐储热罐额定容量为决策变量，以最大化全生命周期净现值为上层优化目标；
[0015]下层运行调度模型以电加热器每时刻充电功率、汽轮机组发电模块每时刻放电功率、和熔盐储热罐的初始设置容量为决策变量，熔盐储热罐的初始设置容量取值范围为熔盐储热罐的最小储能容量至最大储能容量，并考虑火电改造系统中各组件的运行约束，以最大化日均利润为下层优化目标。
[0016]优选的，所述上层容量配置模型的决策变量作为下层运行调度模型的边界条件，下层运行调度模型的最优目标函数值反馈至上层容量配置模型的目标函数中。
[0017]优选的，所述上层容量配置优化模型的公式化阐述如下：
[0018]f
upper
＝max NPV(P
EH
,C
TES
)
ꢀꢀ
(1)；
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]其中，f
upper
表示上层模型的目标函数；NPV表示全生命周期净现值；NPC表示全生命周期净现成本；LCOS表示平准化储能成本；PBP表示投资回收期；IRR表示内部收益率；ROI表示投资回报率；EH表示熔盐电加热器；EX表示换热器；TES表示熔盐储热罐；PC表示汽轮机组；P
EH
表示熔盐电加热器的额定功率；C
TES
表示熔盐储热罐的额定容量；P
arbitrage
表示改造储能的日均套利收益；N
life
表示改造储能的生命周期，其取决于火电机组的剩余寿命；i表示折现率；INV和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：构建火电机组改造电网侧储能方案的系统结构模型；S2：基于步骤S1所建立的系统组件模型，构建火电改造系统方案的双层优化框架；S3：基于步骤S2所建立的双层优化框架，利用TLBO算法耦合混合整数线性规划求解器YALMIP对双层优化模型进行求解，最终获取火电机组改造储能方案的最优容量配置及最优运行策略。2.如权利要求1所述的火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，其特征在于：所述步骤S1中，系统结构模型包括熔盐电加热器模型、熔盐储热罐模型、熔盐换热器模型、汽轮机组发电模块模型；具体包括：利用熔盐电加热器、熔盐储热罐、熔盐换热器替代燃煤火电机组的锅炉组件，然而沿用火电机组的汽轮机组发电模块及电站辅助设施。3.如权利要求1所述的火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，其特征在于：所述步骤S2中，双层优化框架包括上层容量配置模型及下层运行调度模型；上层容量配置模型以电加热器额定功率以及熔盐储热罐额定容量为决策变量，以最大化全生命周期净现值为上层优化目标；下层运行调度模型以电加热器每时刻充电功率、汽轮机组发电模块每时刻放电功率、和熔盐储热罐的初始设置容量为决策变量，熔盐储热罐的初始设置容量取值范围为熔盐储热罐的最小储能容量至最大储能容量，并考虑火电改造系统中各组件的运行约束，以最大化日均利润为下层优化目标。4.如权利要求3所述的火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，其特征在于：所述上层容量配置模型的决策变量作为下层运行调度模型的边界条件，下层运行调度模型的最优目标函数值反馈至上层容量配置模型的目标函数中。5.如权利要求3所述的火电机组改造方案的容量配置及运行调度协同优化方法，其特征在于：所述上层容量配置优化模型的公式化阐述如下：f
upper
＝max NPV(P
EH
,C
TES
)
ꢀꢀꢀꢀ
(1)；(1)；(1)；(1)；(1)；
其中，f
upper
表示上层模型的目标函数；NPV表示全生命周期净现值；NPC表示全生命周期净现成本；LCOS表示平准化储能成本；PBP表示投资回收期；IRR表示内部收益率；ROI表示投资回报率；EH表示熔盐电加热器；EX表示换热器；TES表示熔盐储热罐；PC表示汽轮机组；P
EH
表示熔盐电加热器的额定功率；C
TES
表示熔盐储热罐的额定容量；P
arbitrage
表示改造储能的日均套利收益；N
life
表示改造储能的生命周期，其取决于火电机组的剩余寿命；i表示折现率；INV和OM分别表示各组件的初始投资成本...

【专利技术属性】
技术研发人员：何意，郭苏，周建旭，黄晶，范慧莹，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：