含光热电站、有机有机朗肯循环、P2G的综合能源优化调度附Matlab代码

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🔥内容介绍

在“碳达峰、碳中和”目标引领下，能源系统正朝着清洁化、高效化、多元化方向转型。综合能源系统通过整合多种能源生产、转换、存储单元，实现多能互补与协同优化，成为破解传统能源困境的核心路径。光热电站（CSP）凭借储热特性可平抑太阳能间歇性，有机朗肯循环（ORC）能高效转化低品位能源，电转气（P2G）技术则搭建起电-气能源耦合桥梁。将三者有机整合并实施科学的优化调度，对提升可再生能源消纳率、降低系统运行成本、强化能源供应稳定性具有重要现实意义。

一、核心技术特性与系统协同机制

含光热电站、有机朗肯循环与P2G的综合能源系统，其核心优势在于通过技术协同实现能源梯级利用与时空互补。三大关键技术的特性及协同逻辑构成了系统优化调度的基础。

（一）关键技术核心特性

光热电站通过聚光系统将太阳辐射聚焦加热传热介质（如熔盐），经储热系统存储热能后驱动汽轮机发电，实现“光-热-电”转化。其核心优势是储热能力，熔盐储热可实现数小时至数天的能量存储，能平滑太阳能的间歇性波动，为系统提供稳定的基荷电力，同时高温发电后的中低温余热可进一步回收利用。

有机朗肯循环采用低沸点有机工质（如R245fa、甲苯），可高效转化80-300℃的中低温热源能量，发电效率达10-20%。与传统水蒸气朗肯循环相比，ORC系统结构简单、无需复杂的除氧除盐设施，且设备体积小、便于模块化设计，尤其适用于工业余热、光热电站余热等低品位能源的回收发电。

P2G技术通过电解水制氢（效率65-70%），或进一步与CO₂合成甲烷（效率39-43%），实现电能向化学能的转化与存储。其核心价值在于构建电-气能源耦合通道：电力盈余时将电能转化为氢气/甲烷存储于天然气管网或储气罐，能源短缺时通过燃气轮机或燃料电池将气体能源转回电能或热能，同时结合碳捕集技术可实现碳循环，助力碳中和目标达成。

（二）系统协同耦合逻辑

三大技术的协同耦合形成了“热能梯级利用、电力时空互补、多能灵活转换”的系统核心架构。其一，光热电站与ORC的热能协同：光热电站高温段（500-565℃）热能用于主发电，低温段（200-300℃）余热驱动ORC进行二次发电，实现热能梯级利用，可使系统综合发电效率提升5-8%，如西班牙Gemasolar电站结合ORC技术后年发电量增加12%。其二，光热电站与P2G的电力协同：白天太阳能充足、光伏出力高峰时，光热电站优先发电满足负荷需求，多余电能驱动P2G设备制气储能，同时光热电站将多余热能存储；夜间或阴天光照不足时，光热电站释放储热发电，P2G存储的气体燃料通过燃气轮机补充供电，形成电力供需的时空互补。其三，ORC与P2G的多能互补：ORC回收的低品位能源发电可直接补充系统电力负荷，减少P2G的电力消耗压力；P2G产生的气体能源也可作为辅助热源，保障ORC系统在热源不稳定时的稳定运行。

二、优化调度核心目标与约束条件

优化调度的核心逻辑是在满足系统安全稳定运行约束的前提下，实现多目标协同最优。基于综合能源系统的经济性、环保性与高效性需求，明确调度目标与约束条件是构建调度模型的关键。

（一）核心优化目标

系统优化调度以多目标协同最优为核心，主要包括三大目标维度，各目标间相互关联、需统筹平衡。

1. 经济性目标：最小化系统总运行成本。总运行成本涵盖光热电站的燃料消耗（辅助燃料）与运维成本、ORC系统的工质消耗与运维成本、P2G设备的电力消耗与运维成本，以及系统与外部电网的购售电成本、与外部天然气管网的购气成本、设备启停成本和备用成本等。通过合理调度各设备出力时序与运行状态，可有效降低整体经济支出。

2. 环保性目标：最大化环境效益，最小化污染物排放。优先调度光热电站、ORC等清洁能源发电单元，减少化石能源依赖；通过P2G技术消纳可再生能源盈余电力，间接降低碳排放；合理控制燃气轮机等化石能源设备的运行，提高燃烧效率，减少CO₂、SO₂等污染物排放。

3. 高效性目标：最大化能源综合利用效率。充分发挥各设备协同作用，实现能源梯级利用与循环利用：ORC高效回收低品位余热，提升能源利用边界；P2G实现电能与天然气的灵活转换，减少能源浪费；光热电站储热系统实现能源时空重新配置，提高可再生能源利用率。

（二）关键约束条件

为保障系统安全、稳定、高效运行，优化调度需满足设备运行、能源平衡、网络传输及储能系统四大类约束条件。

1. 设备运行约束：各核心设备需满足出力上下限、运行参数范围及启停特性约束。光热电站存在最大/最小出力限制，储热系统有储热容量（0-最大储热容量）、充放热速率约束；ORC系统出力受热源温度、流量限制，存在出力上下限，且需避免频繁启停损害设备；P2G设备产气率受输入电功率限制，有最大/最小产气能力约束，同时存在启动、停机的时间与功率变化限制。

2. 能源平衡约束：系统内电、热、气三大能源需实时供需平衡。电力平衡要求发电量（光热发电、ORC发电、其他分布式电源发电）与购电量之和，等于用电量（设备耗电、用户用电）与售电量之和；热力平衡要求供热量（光热供热、燃气锅炉供热等）与热负荷需求匹配；天然气平衡要求产气量（P2G产气）与购气量之和，等于用气量（燃气轮机用气、用户用气）之和。

3. 网络传输约束：系统与外部能源网络的连接及内部传输需满足容量限制。与外部电网的输电容量约束避免过度购售电冲击电网；与外部天然气管网的输气容量约束保障天然气稳定供应；内部电力线路、热力管道、天然气管网的传输容量约束防止设备过载与能源输送损耗。

4. 储能系统约束：除光热电站储热系统外，系统配备的储气罐、蓄电池等储能设备，需满足储能量上下限、充放速率及充放时间约束。例如，储气罐储气量需在安全范围内，充放气速率不得超过设备额定能力，避免频繁充放影响设备寿命。

三、优化调度策略设计

基于系统协同机制与多目标需求，优化调度策略需实现“单设备精准调控、多设备协同联动”，核心包括单设备调度策略与多能协同调度策略两大层面，同时结合预测模型提升调度精度。

（一）单设备精准调度策略

1. 光热电站调度策略：以“储热优先、峰谷匹配”为核心。光照充足时，优先利用太阳能集热场热能发电，多余热能存入储热系统；光照不足或夜间，释放储热系统热能发电，储热量不足时启动辅助燃料装置补充。同时结合电价与负荷峰谷特性，电价高峰时增加发电出力，低谷时减少发电并优先储热，最大化经济效益。

2. ORC系统调度策略：以“热源适配、负荷响应”为核心。优先利用稳定的低品位热源（如工业余热）发电，保障运行效率；针对光热电站余热等不稳定热源，动态调整出力以匹配热源波动。同时结合电力负荷变化，在负荷高峰时增加出力缓解供电压力，负荷低谷时适当降低出力，避免能源浪费，且需控制启停频率，保障设备稳定。

3. P2G设备调度策略：以“电力盈余消纳、气能灵活补给”为核心。基于电力供需预测，电力盈余且上网电价较低时，启动P2G设备将多余电能转化为天然气存储；电力短缺或天然气需求增加时，调用存储的天然气转化为电能或热能。同时协调P2G设备与天然气管网运行，避免产气/用气波动对管网压力造成过大影响。

（二）多能协同调度策略

多能协同调度以“全系统最优”为目标，统筹电、热、气三大能源供需，实现设备间灵活联动。其一，季节负荷适配调度：冬季热负荷较大时，减少光热电站发电出力、增加供热出力，或通过燃气锅炉补充供热；夏季冷负荷高峰时，利用光热余热驱动吸收式制冷机供冷，减少电制冷机耗电压力。其二，能源价格响应调度：天然气价格较高时，减少燃气轮机出力，增加光热电站与ORC发电出力，降低购气成本；上网电价较高时，优先消纳内部可再生能源发电，减少购电支出。其三，预测驱动动态调度：引入太阳辐射、负荷需求等预测模型，基于预测结果优化光热电站储热释放时序、P2G设备启停时机及ORC出力调整节奏，减少弃光率与能源供需失衡风险。

四、优化调度模型与求解方法

含光热电站、ORC与P2G的综合能源优化调度模型是多目标、多约束的复杂优化问题，需结合问题特性选择合适的建模方式与求解算法，确保调度方案的可行性与最优性。

（一）模型构建框架

调度模型以时间序列为基础，通常采用小时级时间步长（24小时或96小时），涵盖设备运行状态、能源流向、储能变化等决策变量。目标函数采用加权求和法将经济性、环保性、高效性多目标转化为单目标优化，权重系数可根据政策导向、系统需求动态调整。约束条件整合设备运行、能源平衡、网络传输等核心约束，形成完整的数学模型体系。例如，通过构建光热电站热-电联产模型、ORC余热回收模型、P2G电-气转换模型，精准描述各设备的能量流关系，为调度优化提供理论支撑。

（二）主流求解方法

针对模型的复杂性，主流求解方法分为数学规划方法、智能优化算法及混合求解方法三类，各有适用场景与优势。

1. 数学规划方法：适用于目标函数与约束条件可线性化的问题。线性规划方法求解速度快、精度高，适用于简化后的线性调度模型；非线性规划方法用于处理ORC工质相变、P2G反应效率等非线性特性；混合整数规划方法可处理设备启停等离散变量与功率分配等连续变量共存的问题，但对于大规模、高度非线性系统，求解难度较大。

2. 智能优化算法：具有较强的全局搜索能力，适用于复杂非线性、高维优化问题。遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等无需对目标函数进行严格的线性化处理，通过模拟自然进化或物理过程在解空间中寻找最优方案。但算法性能受参数设置影响较大，需通过参数优化提升求解效率与精度。

3. 混合求解方法：结合数学规划方法与智能优化算法的优势，提升求解性能。例如，对模型中的连续变量（如功率分配）采用线性规划方法求解，对离散变量（如设备启停）采用遗传算法处理；或通过智能优化算法快速定位最优解区间，再用数学规划方法精准求解。该方法适用于大规模、复杂耦合的综合能源系统调度问题，兼顾求解效率与准确性。

五、总结与展望

含光热电站、有机朗肯循环与P2G的综合能源优化调度，是实现能源清洁高效利用的重要路径。通过三大核心技术的协同耦合，可实现热能梯级利用、电力时空互补与多能灵活转换，在保障系统安全稳定运行的前提下，兼顾经济性、环保性与高效性目标。当前，调度模型的构建需精准描述设备特性与协同关系，求解方法需平衡效率与精度，未来的研究方向可聚焦于以下方面：一是突破技术瓶颈，提升P2G甲烷合成效率、ORC低品位能源转化效率及光热电站储热容量；二是优化算法模型，结合大数据、人工智能技术提升预测精度与动态调度能力；三是依托政策支持推动系统规模化应用，构建“技术-模型-政策”协同的综合能源发展体系。