论文标题：Capacity-operation collaborative optimization of the system integrated with wind power/photovoltaic/concentrating solar power with S-CO₂ Brayton cycle

期刊：Frontiers in Energy

作者：Yangdi Hu, Rongrong Zhai, Lintong Liu

发表时间：15 Oct 2024

DOI：10.1007/s11708-024-0922-z

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研究亮点

（1）创新性系统设计：提出了一种结合风电（WP）、光伏（PV）、聚光太阳能（CSP）与超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环的集成能源系统，配备储热（TES）和电加热器（EH）。

（2）构建了容量配置与运行调度的双层协同优化模型，上层以平准化能源成本（LCOE）和碳排放为多目标，下层以可再生能源利用最大化为目标，采用NSGA-II算法嵌套线性规划求解，实现经济与环境效益的平衡。

研究背景及意义

随着环境问题加剧，可再生能源的高效利用成为关键。风电和光伏虽发展迅速，但其波动性与间歇性限制了电网稳定性。聚光太阳能（CSP）因配备低成本大容量储热系统，可提供稳定输出并辅助调峰，但其与风电、光伏的协同优化研究不足。现有研究多关注单一系统性能或单目标优化，缺乏容量与运行协同优化的综合方法。本文通过整合S-CO2布雷顿循环与电加热储热技术，构建可再生能源驱动的多能互补系统，提出双层优化模型，解决容量配置与运行调度冲突的问题，显著降低弃风弃光率，提升系统经济性和环保性，为高比例可再生能源并网提供了新思路。

研究内容

本文提出了一种由WP、PV、CSP（槽式集热器+S-CO₂布雷顿循环）、TES和EH组成的集成能源系统。CSP系统通过S-CO₂布雷顿循环实现热电转换，具备高效率和快速响应特性。WP、PV和CSP子系统分别将风能、太阳能转化为电能，TES用于存储热能，EH则利用多余电能加热储热，实现能源互补协调。

图1 WP−PV−CSP（S-CO₂ ）综合能源系统

针对该系统，制定了详细的运行策略。根据WP、PV和CSP的发电能力与负荷需求的关系，分三种情况进行调度。当WP和PV发电充足时，CSP不发电，EH储存多余电能；当两者发电不足但加上CSP发电能满足需求时，CSP进行调峰；当三者发电仍无法满足需求时，从煤电厂购电。

图2 WP−PV−CSP（S-CO₂）系统运行策略。DNI表示直接正常辐照度；GI表示全球水平辐照度；HT表示热罐

建立了各子系统的发电模型，如PV发电模型，考虑了光照、温度等因素对发电功率的影响；WP发电模型，根据风机特性计算发电功率；S-CO₂布雷顿槽式CSP系统模型，涵盖了槽式集热器、TES和S-CO₂布雷顿循环。为确保模型准确性，对槽式太阳能集热器模型进行验证，结果表明模型计算的集热器效率与参考数据误差仅为2.08%。

文章构建了双层容量-运行协同优化模型。上层以LCOE和碳排放量为目标函数，决策变量为系统主要组件的容量配置；下层以可再生能源利用最大化为目标，决策变量为各模块的可用发电量，通过优化运行调度实现供需平衡。针对该复杂优化问题，采用NSGA-II嵌套LP的算法求解。利用该算法获得的Pareto最优解集构成Pareto前沿，并通过AHP-Entropy与TOPSIS相结合的方法选取最优折衷方案。

图 3 双层优化的算法流程图

以中国张北地区为例，应用所构建的模型和算法进行研究。分析了该地区的气象数据和负载需求，给出系统设备的经济参数。通过优化得到Pareto前沿，选取使碳排放量最小的系统容量配置作为最优折衷解。

图4 WP−PV−CSP（S-CO₂）系统的Pareto前沿曲线

研究建立了三个参考系统，以比较与WP-PV-CSP（S-CO₂）系统的年运行特性，展示了使用S-CO₂布雷顿循环和为系统配备EH的优势。实施容量-运行协同优化后，WP−PV−CSP（S-CO₂）系统与未优化的参考系统相比，LCOE和碳排放量分别减少了3.43%和92.13%。

敏感性分析表明，随着N_Loop、C_CSP、C_PV和C_TES的增加，LCOE先降后升，当WP容量增加时，LCOE呈线性增加。EH对LCOE的影响几乎很小。所有碳排放首先减少，然后稳定下来。此外，N_Loop、C_CSP和C_PV也有更好的优化间隔。与本文获得的最优折衷解相对应的容量配置在此区间内，证明了灵敏度和优化结果的准确性。

图5 N_Loop、C_CSP、C_PV、C_TES、N_WP、C_EH对 WP−PV−CSP（S-CO₂）系统的LCOE本和CO₂排放的影响

曲线比较表明，C_CSP和C_TES对碳排放有显著影响，这充分反映了CSP在综合可再生能源系统中的峰值作用。此外，C_TES对LCOE的影响也是最显著的，这表明在CSP系统中配备TES是综合能源系统的当前和未来趋势。

文章信息

Capacity-operation collaborative optimization of the system integrated with windpower/photovoltaic/concentrating solar power with S-CO₂ Brayton cycle

Yangdi Hu, Rongrong Zhai, Lintong Liu

Abstract:

This paper proposes a new power generating system that combines wind power (WP), photovoltaic (PV), trough concentrating solar power (CSP) with a supercritical carbon dioxide (S-CO₂) Brayton power cycle, a thermal energy storage (TES), and an electric heater (EH) subsystem. The wind power/photovoltaic/concentrating solar power (WP−PV−CSP) with the S-CO₂ Brayton cycle system is powered by renewable energy. Then, it constructs a bi-level capacity-operation collaborative optimization model and proposes a non-dominated sorting genetic algorithm-II (NSGA-II) nested linear programming (LP) algorithm to solve this optimization problem, aiming to obtain a set of optimal capacity configurations that balance carbon emissions, economics, and operation scheduling. Afterwards, using Zhangbei area, a place in China which has significant wind and solar energy resources as a practical application case, it utilizes a bi-level optimization model to improve the capacity and annual load scheduling of the system. Finally, it establishes three reference systems to compare the annual operating characteristics of the WP−PV−CSP (S-CO₂) system, highlighting the benefits of adopting the S-CO₂ Brayton cycle and equipping the system with EH. After capacity-operation collaborative optimization, the levelized cost of energy (LCOE) and carbon emissions of the WP−PV−CSP (S-CO₂) system are decreased by 3.43% and 92.13%, respectively, compared to the reference system without optimization.

Cite this article:

Yangdi Hu, Rongrong Zhai, Lintong Liu. Capacity-operation collaborative optimization of the system integrated with wind power/photovoltaic/concentrating solar power with S-CO₂ Brayton cycle. Front. Energy, 2024, 18(5): 665–683

https://doi.org/10.1007/s11708-024-0922-z

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通讯作者

翟融融，教授、博导，2010年于华北电力大学获得热能工程专业博士学位。主要从事太阳能热利用及二氧化碳捕集系统研究，2017年5月至2018年5月在澳大利亚CSIRO交流访问一年。主持并完成国家自然科学基金青年基金等多项项目，目前主持国家自然科学青年基金面上项目1项、国家重点研发计划项目子课题1项、国际间合作项目3项、校企项目2项、中央高校基本科研业务费1项，作为主要研究人员参与863、973等科研教改项目、发表1作(或第1通讯)论文25篇，其中SCI检索22篇，已获得授权发明专利2项（其中第一申请人1项）。

期刊简介

Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

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