一种风光储热一体化系统及宽负荷调峰运行方法与流程

1.本发明属于风光储多能互补技术领域，涉及一种风光储热一体化系统及宽负荷调峰运行方法。


背景技术：

2.当前电网存在两方面问题，一是负荷随时间分配不平衡，电力负荷峰谷差大，容易导致电网运行不稳定；二是可再生能源电力的并网规模越来越大，但是风能、太阳能等可再生能源发电具有很强的随机性和波动性，如果不对其输出特性加以控制而直接接入电网，将会对电网造成巨大的冲击，影响电网的安全稳定运行。
3.为了增加电网的新能源消纳能力，目前多采用燃煤电厂提供电网调峰调频服务。但是燃煤电站的负荷率会受到其锅炉蒸发量以及汽轮机通流量的限制，往往难以低于30%，同时火电调峰会排放大气污染物造成环境问题。
4.传统的风电-光伏互补电厂利用太阳能与风能资源互补性强的特点，在一定程度上弥补了风力发电和光伏发电独立系统在资源上的缺陷，但是仍不能满足目前的保障电网稳定性的需要。
5.因此为了增加电网的可再生能源消纳能力，减少大规模弃风、弃光现象，亟需针对可再生能源电站进行优化设计，以减弱其对电网的冲击。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的火电机组调峰能力受限，可再生能源发电无法完全消纳的问题，本发明的目的在于提供一种风光储热一体化系统及运行方法，利用电加热器将风电、光伏发电系统与光热发电系统进行耦合，将风电和光伏所产生的多余的电力利用电加热器转化为熔盐的内能存储起来，达到移峰填谷的目的，同时基于多温区储热技术，提高光热发电系统中超临界二氧化碳布雷顿循环的温度范围，进而提高其循环效率。该系统可实现宽负荷快速灵活调峰，利用太阳能与风能资源互补性强的特点，增加电网对新能源电力的消纳能力，减少弃风弃光现象，同时还能够利用储热系统辅助电网调峰，提高电网运行稳定性。
7.本发明通过以下技术方案来实现：
8.本发明的第一方面是提供了一种风光储热一体化系统，包括：风力发电系统、光伏发电系统、高温储放热循环系统、中低温储放热循环系统、电制热系统及动力循环系统。
9.所述风力发电系统包括：风力发电装置、变频器、风电场变压器，所述风力发电装置依次经变频器、风电场变压器与电网相连；
10.所述光伏发电系统包括：光伏发电装置、光伏逆变器及光伏电厂变压器，所述光伏发电装置依次经光伏逆变器、光伏电厂变压器与电网相连；
11.所述高温储放热循环系统包括：熔盐塔式集热镜场、电加热装置、热熔盐储罐、熔盐-二氧化碳换热器、熔盐-导热油换热器及冷熔盐储罐，所述冷熔盐储罐出口分流为两路，
一路由第一支路经熔盐塔式集热镜场、电加热装置后与热熔盐储罐相连，另一路由第二支路直接经电加热装置后与热熔盐储罐相连，所述热熔盐储罐出口也分流为两路，一路由第三支路经熔盐-二氧化碳换热器与冷熔盐储罐相连，另一路由第四支路经熔盐-导热油换热器后与冷熔盐储罐相连；
12.所述中低温储放热循环系统包括：导热油槽式集热镜场、热导热油储罐、导热油-二氧化碳换热器及冷导热油储罐，所述冷导热油储罐出口分流为两路，一路由第五支路经导热油槽式集热镜场后与热导热油储罐相连，另一路由第六支路经熔盐-导热油换热器后与热导热油储罐相连，热导热油储罐出口则经导热油-二氧化碳换热器后与冷导热油储罐相连；
13.所述电制热系统包括电加热装置，所述风力发电装置和光伏逆变器的输出侧分别与所述电加热装置相连；
14.所述动力循环系统包括：透平装置、冷凝器、压缩机及发电机，循环工质依次经压缩机、导热油-二氧化碳换热器、熔盐-二氧化碳换热器、透平装置后对外做功，再经由冷凝器回到压缩机，透平装置后则与发电机相连。
15.更进一步地，本发明所述的一种风光储热一体化系统还具有以下特点：
16.所述高温储放热循环系统内循环工质为熔盐，熔盐通过熔盐塔式集热镜场和电加热装置加热至565oc后进入热熔盐储罐，热熔盐储罐中的热熔盐在熔盐-二氧化碳换热器和熔盐-导热油换热器中被冷却至280oc后回到冷熔盐储罐。
17.所述中低温储放热循环系统内循环工质为导热油，导热油通过导热油槽式集热镜场和熔盐-导热油换热器加热至300oc后进入热导热油储罐，热导热油储罐中的热导热油在导热油-二氧化碳换热器被冷却至40oc后回到冷导热油储罐。
18.所述动力循环系统中循环工质为超临界二氧化碳，循环形式为超临界二氧化碳布雷顿循环，其循环温度范围为35oc~550oc。
19.本发明的第二方面是提供了上述风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，根据电网指令选择风力发电、光伏发电、动力循环发电参与调峰，具体控制逻辑如下：
20.当电网要求风光储热一体化系统升负荷时，前1分钟优先采用风力发电系统和光伏发电系统直接并入电网，进行负荷调节，高温储放热循环系统加热熔盐，中低温储放热循环系统加热导热油；1分钟之后将风力发电装置和光伏逆变器产生的电能全部通过电加热装置加热熔盐，与高温储放热循环系统同时加热熔盐，产生热熔盐储罐的高温熔盐，中低温储放热循环系统产生热导热油储罐的高温导热油，经过动力循环做功，发电机最终并入电网，参与升负荷调节；
21.当电网要求风光储热一体化系统降负荷时，前5分钟迅速减少动力循环系统的超临界二氧化碳工质流量，降低发电机的电能输出量，高温储放热循环系统加热熔盐，中低温储放热循环系统加热导热油；5分钟之后，将风力发电装置和光伏逆变器产生的电能通过电加热装置加热熔盐，最终储存到热熔盐储罐，多余的能量通过熔盐-导热油换热器，存储到热导热油储罐中。
22.更进一步地，本发明中所述的一种风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法夜间运行时包括以下步骤：
23.a1系统夜间运行时，光伏发电装置、熔盐塔式集热镜场、导热油槽式集热镜场停止
工作，其它部分正常工作；
24.a2当风力发电装置输出功率出现过剩时，冷熔盐由第二支路经电加热装置加热后存储至热熔盐储罐；
25.a3当热导热油储罐中导热油剩余容量不足时，启动第四支路及第六支路，利用热熔盐储罐中的热熔盐对来自冷导热油储罐的冷导热油进行加热，维持导热油-二氧化碳换热器的稳定运行；
26.更进一步地，本发明中所述的一种风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法日间运行时包括以下步骤：
27.b1系统日间运行光照充足时，熔盐塔式集热镜场启动，对冷熔盐储罐的冷熔盐加热后送至热熔盐储罐，导热油槽式集热镜场启动，对来自冷导热油储罐的冷导热油加热后送至热导热油储罐；
28.b2系统日间运行光照不足时，使用过剩风电或光伏发电驱动电加热装置对冷熔盐储罐中的冷熔盐进行加热后送至热熔盐储罐，若热熔盐储罐已达容量上限，且热导热油储罐中导热油剩余容量不足，则启动第四支路及第六支路，利用热熔盐储罐中的热熔盐对来自冷导热油储罐的冷导热油进行加热。
29.更进一步地，本发明中所述的一种风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，可实现调峰运行区间为额定设计容量的5%~120%。
30.本发明所达到的有益的技术效果如下：
31.1.本发明利用电加热器将风电、光伏发电系统与光热发电系统进行耦合，将风电和光伏所产生的多余的电力利用电加热器转化为熔盐的内能存储起来，起到移峰填谷的效果；基于多温区储热技术，提高光热发电系统中超临界二氧化碳布雷顿循环的温度范围，进而提高其系统循环效率；减少可再生能源电厂中弃风弃光现象，增加电网对新能源电力的消纳能力；利用储热系统辅助电网调峰，提高电网稳定性。
32.2.本发明采用风光储热一体化系统，可实现宽负荷快速灵活调峰，利用太阳能与风能资源互补性强的特点，增加电网对新能源电力的消纳能力，减少弃风弃光现象，同时还能够利用储热系统辅助电网调峰，提高电网运行稳定性。
附图说明
33.图1为本发明提供的系统结构示意图；
34.图2为本发明提供的系统宽负荷调峰运行控制流程图；
35.图3为本发明提供的系统分时段运行控制流程图。
36.图中：1为风力发电装置、2为变频器、3为风电场变压器、4为电网、5为光伏发电装置、6为光伏逆变器、7为光伏电厂变压器、8为熔盐塔式集热镜场、9为电加热装置、10为热熔盐储罐、11为熔盐-二氧化碳换热器、12为熔盐-导热油换热器、13为冷熔盐储罐、14为导热油槽式集热镜场、15为热导热油储罐、16为导热油-二氧化碳换热器、17为冷导热油储罐、18为透平装置、19为冷凝器、20为压缩机、21为发电机、131为第一支路、132为第二支路、101为第三支路、102为第四支路、171为第五支路、172为第六支路。
具体实施方式
37.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。
39.参考图1，本发明风光储热一体化系统包括：风力发电系统、光伏发电系统、高温储放热循环系统、中低温储放热循环系统、电制热系统和动力循环系统。
40.其中，风力发电系统包括：风力发电装置1、变频器2及风电场变压器3，风力发电装置1依次经变频器2、风电场变压器3与电网4相连，在风速满足发电要求的条件下进行发电上网，同时在过剩时提供电加热装置9所需电能。
41.其中，光伏发电系统包括：光伏发电装置5、光伏逆变器6及光伏电厂变压器7，光伏发电装置5依次经光伏逆变器6、光伏电厂变压器7与电网4相连，在光照条件满足发电要求的条件下发电上网，同时在过剩时提供电加热装置9所需电能。
42.其中，高温储放热循环系统包括：熔盐塔式集热镜场8、热熔盐储罐10、熔盐-二氧化碳换热器11、熔盐-导热油换热器12及冷熔盐储罐13。冷熔盐储罐13出口的冷熔盐分流为两路，一路由第一支路131经熔盐塔式集热镜场8、电加热装置9加热后进入热熔盐储罐10，另一路由第二支路132直接经电加热装置9加热后进入热熔盐储罐10，热熔盐储罐10的出口热熔盐也分流为两路，一路热熔盐由第三支路101在熔盐-二氧化碳换热器11中对二氧化碳加热后再返回冷熔盐储罐13，另一路热熔盐由第四支路102经熔盐-导热油换热器12中对导热油加热后再返回冷熔盐储罐13，其中热熔盐储罐10的设计温度为565oc，冷熔盐储罐13的设计温度为280oc。
43.其中，中低温储放热循环系统包括：导热油槽式集热镜场14、热导热油储罐15、导热油-二氧化碳换热器16及冷导热油储罐17，冷导热油储罐17出口的冷导热油分流为两路，一路由第五支路171经导热油槽式集热镜场14加热后进入热导热油储罐15，另一路由第六支路172经熔盐-导热油换热器12加热后进入热导热油储罐15，热导热油储罐15出口的热导热油则经导热油-二氧化碳换热器16对二氧化碳加热后返回冷导热油储罐17，其中热导热油储罐15的设计温度为300oc，冷导热油储罐17的设计温度为40oc。
44.其中，电制热系统包括：电加热装置9，电加热装置9可由风力发电装置1和光伏发电装置5提供电能，但光伏发电装置5发出的直流电需经由光伏逆变器6变为交流电后为电加热装置9提供电能，电加热装置9的作用在于当熔盐塔式集热镜场8对熔盐的加热温度不足时对其加热，使其温度达到565oc的设计温度；
45.其中，动力循环系统包括：透平装置18、冷凝器19、压缩机20及发电机21，超临界二氧化碳依次经压缩机20、导热油-二氧化碳换热器16、熔盐-二氧化碳换热器11、透平装置18后对外做功，再经由冷凝器19回到压缩机20，透平装置18后则与发电机21相连，其中超临界二氧化碳的循环形式为布雷顿循环，其循环温度范围为35oc~550oc。
46.参考图2，本发明风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，可根据电网指令选择风力发电、光伏发电、动力循环发电参与调峰，具体控制逻辑如下：
47.当电网要求风光储热一体化系统升负荷时，前1分钟优先采用风力发电系统和光伏发电系统直接并入电网，进行负荷调节，高温储放热循环系统加热熔盐，中低温储放热循环系统加热导热油；1分钟之后将风力发电装置1和光伏逆变器6产生的电能全部通过电加热装置9加热熔盐，与高温储放热循环系统同时加热熔盐，产生热熔盐储罐10的高温熔盐，中低温储放热循环系统产生热导热油储罐15的高温导热油，经过动力循环做功，发电机21最终并入电网，参与升负荷调节；
48.当电网要求风光储热一体化系统降负荷时，前5分钟迅速减少动力循环系统的超临界二氧化碳工质流量，降低发电机21的电能输出量，高温储放热循环系统加热熔盐，中低温储放热循环系统加热导热油；5分钟之后，将风力发电装置1和光伏逆变器6产生的电能通过电加热装置9加热熔盐，最终储存到热熔盐储罐10，多余的能量通过熔盐-导热油换热器12，存储到热导热油储罐15中。
49.参考图3，本发明风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，夜间运行时包括以下步骤：
50.a1系统夜间运行时，光伏发电装置5、熔盐塔式集热镜场8、导热油槽式集热镜场14停止工作，其它部分正常工作；
51.a2当风力发电装置1输出功率出现过剩时，冷熔盐由第二支路132经电加热装置9加热后存储至热熔盐储罐10；
52.a3当热导热油储罐15中导热油剩余容量不足时，启动第四支路102及第六支路172，利用热熔盐储罐10中的热熔盐对来自冷导热油储罐17的冷导热油进行加热，维持导热油-二氧化碳换热器16的稳定运行；
53.日间运行时包括以下步骤：
54.b1系统日间运行光照充足时，熔盐塔式集热镜场8启动，对冷熔盐储罐13的冷熔盐加热后送至热熔盐储罐10，导热油槽式集热镜场14启动，对来自冷导热油储罐17的冷导热油加热后送至热导热油储罐15；
55.b2系统日间运行光照不足时，使用过剩风电或光伏发电驱动电加热装置9对冷熔盐储罐13中的冷熔盐进行加热后送至热熔盐储罐10，若热熔盐储罐10已达容量上限，且热导热油储罐15中导热油剩余容量不足，则启动第四支路102及第六支路172，利用热熔盐储罐10中的热熔盐对来自冷导热油储罐17的冷导热油进行加热，之后送至热导热油储罐15。
56.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种风光储热一体化系统，其特征在于，包括：风力发电系统，所述风力发电系统包括：风力发电装置（1）、变频器（2）、风电场变压器（3），所述风力发电装置（1）依次经变频器（2）、风电场变压器（3）与电网（4）相连；光伏发电系统，所述光伏发电系统包括：光伏发电装置（5）、光伏逆变器（6）及光伏电厂变压器（7），所述光伏发电装置（5）依次经光伏逆变器（6）、光伏电厂变压器（7）与电网（4）相连；高温储放热循环系统，所述高温储放热循环系统包括：熔盐塔式集热镜场（8）、电加热装置（9）、热熔盐储罐（10）、熔盐-二氧化碳换热器（11）、熔盐-导热油换热器（12）及冷熔盐储罐（13），所述冷熔盐储罐（13）出口分流为两路，一路由第一支路（131）经熔盐塔式集热镜场（8）、电加热装置（9）后与热熔盐储罐（10）相连，另一路由第二支路（132）直接经电加热装置（9）后与热熔盐储罐（10）相连，所述热熔盐储罐（10）出口也分流为两路，一路由第三支路（101）经熔盐-二氧化碳换热器（11）与冷熔盐储罐（13）相连，另一路由第四支路（102）经熔盐-导热油换热器（12）后与冷熔盐储罐（13）相连；中低温储放热循环系统，所述中低温储放热循环系统包括：导热油槽式集热镜场（14）、热导热油储罐（15）、导热油-二氧化碳换热器（16）及冷导热油储罐（17），所述冷导热油储罐（17）出口分流为两路，一路由第五支路（171）经导热油槽式集热镜场（14）后与热导热油储罐（15）相连，另一路由第六支路（172）经熔盐-导热油换热器（12）后与热导热油储罐（15）相连，热导热油储罐（15）出口则经导热油-二氧化碳换热器（16）后与冷导热油储罐（17）相连；电制热系统，所述电制热系统包括电加热装置（9），所述风力发电装置（1）和光伏逆变器（6）的输出侧分别与所述电加热装置（9）相连；动力循环系统，所述动力循环系统包括：透平装置（18）、冷凝器（19）、压缩机（20）及发电机（21），循环工质依次经压缩机（20）、导热油-二氧化碳换热器（16）、熔盐-二氧化碳换热器（11）、透平装置（18）后对外做功，再经由冷凝器（19）回到压缩机（20），透平装置（18）后则与发电机（21）相连。2.根据权利要求1所述的风光储热一体化系统，其特征在于，所述高温储放热循环系统内循环工质为熔盐，熔盐通过熔盐塔式集热镜场（8）和电加热装置（9）加热至565
o
c后进入热熔盐储罐（10），热熔盐储罐（10）中的热熔盐在熔盐-二氧化碳换热器（11）和熔盐-导热油换热器（12）中被冷却至280
o
c后回到冷熔盐储罐（13）。3.根据权利要求1所述的风光储热一体化系统，其特征在于，所述中低温储放热循环系统采用导热油为工质，导热油通过导热油槽式集热镜场（14）和熔盐-导热油换热器（12）加热至300
o
c后进入热导热油储罐（15），热导热油储罐（15）中的热导热油在导热油-二氧化碳换热器（16）被冷却至40
o
c后回到冷导热油储罐（17）。4.根据权利要求1所述的风光储热一体化系统，其特征在于，所述动力循环系统中采用超临界二氧化碳为工质，循环形式为超临界二氧化碳布雷顿循环，该循环温度范围为35
o
c~550
o
c。5.根据权利要求1~4任一权利要求所述的风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，其特征在于，根据电网调度指令有序调用风力发电、光伏发电、动力循环发电参与电网调峰，具体控制逻辑如下：当电网要求风光储热一体化系统升负荷时，前1分钟优先采用风力发电系统和光伏发
电系统直接并入电网，提供快速负荷调节能力，同时高温储放热循环系统加热熔盐，中低温储放热循环系统加热导热油，进一步提高系统负荷调节能力；1分钟之后将风力发电装置（1）和光伏逆变器（6）产生的电能全部通过电加热装置（9）加热熔盐，与高温储放热循环系统同时加热熔盐，产生热熔盐储罐（10）的高温熔盐，中低温储放热循环系统产生热导热油储罐（15）的高温导热油，经过动力循环做功，发电机（21）最终并入电网，参与升负荷调节；当电网要求风光储热一体化系统降负荷时，前5分钟迅速减少动力循环系统的超临界二氧化碳工质流量，降低发电机（21）的电能输出量，高温储放热循环系统加热熔盐，中低温储放热循环系统加热导热油；5分钟之后，将风力发电装置（1）和光伏逆变器（6）产生的电能通过电加热装置（9）加热熔盐，最终储存到热熔盐储罐（10），多余的能量通过熔盐-导热油换热器（12），存储到热导热油储罐（15）中。6.根据权利要求5所述的风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，其特征在于，系统夜间运行时包括以下步骤：a1光伏发电装置（5）、熔盐塔式集热镜场（8）、导热油槽式集热镜场（14）停止工作，其它部分正常工作；a2当风力发电装置（1）输出功率出现过剩时，冷熔盐由第二支路（132）经电加热装置（9）加热后存储至热熔盐储罐（10）；a3当热导热油储罐（15）中导热油剩余容量不足时，启动第四支路（102）及第六支路（172，利用热熔盐储罐（10）中的热熔盐对来自冷导热油储罐（17）的冷导热油进行加热，维持导热油-二氧化碳换热器（16）的稳定运行。7.根据权利要求5所述的风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，其特征在于，系统日间运行时包括以下步骤：b1系统日间运行光照充足时，熔盐塔式集热镜场（8）启动，对冷熔盐储罐（13）的冷熔盐加热后送至热熔盐储罐（10），导热油槽式集热镜场（14）启动，对来自冷导热油储罐（17）的冷导热油加热后送至热导热油储罐（15）；b2系统日间运行光照不足时，使用过剩风电或光伏发电驱动电加热装置（9）对冷熔盐储罐（13）中的冷熔盐进行加热后送至热熔盐储罐（10），若热熔盐储罐（10）已达容量上限，且热导热油储罐（15）中导热油剩余容量不足，则启动第四支路（102）及第六支路（172），利用热熔盐储罐（10）中的热熔盐对来自冷导热油储罐（17）的冷导热油进行加热，之后送至热导热油储罐（15）。8.根据权利要求5所述的风光储热一体化系统的宽负荷调峰运行方法，其特征在于，可实现调峰运行区间为：额定设计容量的5%~120%。

技术总结
本发明属于风光储多能互补技术领域，公开了一种风光储热一体化系统及宽负荷调峰运行方法，系统包括风力发电系统、光伏发电系统、高温储放热循环系统、中低温储放热循环系统、电制热系统及动力循环系统。本发明利用电加热器将风电、光伏发电系统与光热发电系统进行耦合，将多余的可再生电力利用电加热器转化为熔盐的热能进行存储，再结合多温区储热技术共同构成风光储热一体化系统。该系统可实现宽负荷快速灵活调峰，减少新能源电厂弃风弃光现象，增加电网对新能源电力的消纳能力，提高电网运行稳定性。行稳定性。行稳定性。


技术研发人员：彭晟 张利 王梓越 张应田 杨媛 甘智勇 张长志 王坤 倪玮晨 崔文庆
受保护的技术使用者：国网天津市电力公司 国家电网有限公司
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/8/9