基于采暖需求側(cè)管理的電網(wǎng)節(jié)能調(diào)度研究

龍虹毓，馬建偉，張競(jìng)博，吳 鍇，趙 媛，蘇 嶺

（1.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 400023；3.河南電力試驗(yàn)研究院，鄭州 450052）

《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法實(shí)施細(xì)則》規(guī)定：“燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組按照以熱定電的原則安排發(fā)電負(fù)荷；無調(diào)節(jié)能力的風(fēng)能具有第一發(fā)電優(yōu)先性序位”。然而對(duì)于包含大量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的我國(guó)北方地區(qū)電網(wǎng)，卻往往出現(xiàn)與上述規(guī)定相背離的實(shí)際運(yùn)行狀況。例如：

（1）某省級(jí)電網(wǎng)夜間負(fù)荷低谷期，電網(wǎng)調(diào)度中心核定采暖期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力下限為該機(jī)組額定負(fù)荷的70%，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷不能參與節(jié)能調(diào)度，一些高效環(huán)保的300MW、600MW純凝汽機(jī)組被迫在額定負(fù)荷的50%下運(yùn)行，偏離額定設(shè)計(jì)工況，效率急劇下降［1］。

（2）某包含大量風(fēng)電機(jī)組的省級(jí)電網(wǎng)夜間低谷期出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)棄風(fēng)現(xiàn)象［2］。因?yàn)槿济簾犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組有供暖與發(fā)電出力工況約束［3—4］，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為了保證供暖，導(dǎo)致某些電網(wǎng)中采暖發(fā)電量很大，即使是最小發(fā)電出力也已經(jīng)滿足絕大部分電網(wǎng)需求，因而無法按照《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法實(shí)施細(xì)則》實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)先并網(wǎng)調(diào)度。

上述問題的根源在于現(xiàn)有的電網(wǎng)節(jié)能調(diào)度研究都是在以熱定電的原則下進(jìn)行的。首先保證采暖負(fù)荷都由熱電聯(lián)產(chǎn)的熱水出力承擔(dān)，從而確定了采暖約束，這就導(dǎo)致剩下的優(yōu)化調(diào)度只能針對(duì)發(fā)電出力進(jìn)行。然而，在確定的供暖出力下，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力可調(diào)范圍十分有限。很少有研究注意到，通過改變采暖終端負(fù)荷中的熱水消費(fèi)和電力消費(fèi)比例，可以同時(shí)改變采暖熱水負(fù)荷與總電力負(fù)荷這2個(gè)約束條件，進(jìn)而在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽火電機(jī)組之間、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組之間建立新的最優(yōu)負(fù)荷分配與調(diào)度。

智能電網(wǎng)技術(shù)為調(diào)度中心對(duì)終端用戶采暖方式的控制與需求側(cè)管理提供了可能，調(diào)度中心還可以對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、純凝汽火電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)綜合控制調(diào)度。

1 綜合控制系統(tǒng)

基于智能電網(wǎng)技術(shù)，提出同時(shí)面向熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和終端采暖用戶的采暖與電力綜合調(diào)度系統(tǒng)與方法［1，5—7］。

1.1 采暖與電力綜合調(diào)度系統(tǒng)

（1）調(diào)度中心對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)［1］如圖1所示。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)按照《電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》要求進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及安全防護(hù)措施設(shè)計(jì)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程終端單元從發(fā)電廠收集，再通過EMS系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力、供暖出力和燃料輸入這3個(gè)物理量的監(jiān)測(cè)與控制。

（2）調(diào)度中心對(duì)終端采暖用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電暖水氣遠(yuǎn)程控制與管理

該系統(tǒng)利用電力線載波通信和控制終端，控制暖氣節(jié)能調(diào)控閥門。通過單、三相電能表控制對(duì)應(yīng)的空調(diào)熱泵開關(guān)，針對(duì)終端采暖用戶進(jìn)行需求側(cè)管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉熱水式采暖散熱器，開啟對(duì)應(yīng)空調(diào)熱泵采暖，使得總采暖熱水負(fù)荷減少和總電力負(fù)荷增加。

1.2 采暖與電力綜合調(diào)度控制方法

改變現(xiàn)有的采暖負(fù)荷全部由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組輸出的采暖熱水來提供的模式，引入高效空調(diào)熱泵提供采暖服務(wù)，實(shí)現(xiàn)采暖終端需求側(cè)管理，減少采暖熱水負(fù)荷、增加采暖電力負(fù)荷，改變終端采暖消費(fèi)與電力消費(fèi)的比例，最終實(shí)現(xiàn)采暖和電力負(fù)荷優(yōu)化調(diào)度。具體方案如下：①關(guān)閉部分終端用戶熱水式采暖散熱器，開啟對(duì)應(yīng)終端用戶的空調(diào)熱泵采暖；②減少熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供暖出力（即熱水輸出）；③針對(duì)新的采暖熱水負(fù)荷和采暖電力負(fù)荷，以及現(xiàn)有的非采暖電力負(fù)荷，在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽火電機(jī)組之間、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組之間，進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷分配及調(diào)度。

2 純凝汽火電機(jī)組的節(jié)能調(diào)度

假設(shè)電網(wǎng)中現(xiàn)有一臺(tái)300MW純凝汽火電機(jī)組以及若干熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。建立目標(biāo)函數(shù)

式中：F為總?cè)剂舷?；FCHP為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組燃料消耗；FCON為純凝汽火電機(jī)組燃料消耗。

全文統(tǒng)一功率單位為MW，電能單位為MWh，發(fā)電煤耗單位為g/kWh。

2.1 以熱定電調(diào)度方式

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在以熱定電的現(xiàn)行調(diào)度方式下

根據(jù)《民用建筑能效測(cè)評(píng)標(biāo)識(shí)技術(shù)導(dǎo)則（試行）》

式中：EHR為耗電輸熱比，按0.03計(jì)。300MW純凝汽火電機(jī)組煤耗量與發(fā)電出力關(guān)系如式（6）所示，該機(jī)組對(duì)應(yīng)燃煤消耗如式（7）［8］所示。

2.2 采暖與電力負(fù)荷綜合調(diào)度方式

根據(jù)文獻(xiàn)［3—4］，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的采暖熱水出力，和與其對(duì)應(yīng)的最小、最大發(fā)電出力之間的約束關(guān)系如式（8）、式（9）所示。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃料消耗、采暖出力和發(fā)電出力之間的關(guān)系如式（10）所示。

式中：Fi、Ei分別為采暖與電力綜合調(diào)度方式下第i個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃料消耗和發(fā)電出力。在采暖與電力負(fù)荷綜合調(diào)度方式下

式中：COP為終端用戶空調(diào)熱泵采暖制熱系數(shù)，根據(jù)《房間空氣調(diào)節(jié)器能效限定值及能效等級(jí)》，以4.0計(jì)；EEHP為采暖與電力綜合調(diào)度方式下空調(diào)熱泵采暖耗電負(fù)荷，為非負(fù)變量；ECON為采暖與電力綜合調(diào)度方式下純凝汽火電機(jī)組發(fā)電出力；Qmaxi為采暖與電力綜合調(diào)度方式下第i個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最大允許供暖出力；FCHP為采暖與電力綜合調(diào)度方式下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總?cè)剂舷?；BCON、FCON分別為采暖與電力綜合調(diào)度方式下純凝汽火電機(jī)組的發(fā)電煤耗和燃料消耗。式（11）表示采暖熱負(fù)荷由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的采暖熱水和空調(diào)熱泵共同提供；式（12）表示熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽火電機(jī)組的發(fā)電出力在滿足了空調(diào)熱泵的電力消耗以后，還必須負(fù)擔(dān)非采暖電力負(fù)荷消耗；式（13）、式（14）要求熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電和采暖出力必須滿足其機(jī)組熱電運(yùn)行工況圖的物理約束；式（15）為純凝汽火電機(jī)組的發(fā)電出力物理約束；式（16）為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的燃煤消耗關(guān)系；式（17）、式（18）為純凝汽火電機(jī)組的燃煤消耗關(guān)系。

2.3 模擬計(jì)算

以3臺(tái)C135/N150-13.24/535/535/0.400型汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與1臺(tái)300MW純凝汽火電機(jī)組組成節(jié)能調(diào)度優(yōu)化算例，模擬時(shí)間T=1 h。式（19）—式（21）表示該熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工況，圖3顯示了該機(jī)組的熱電工況圖。假設(shè)總采暖熱水負(fù)荷為445.2MW，總電力負(fù)荷為381.9MW。表1顯示了現(xiàn)行模式下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和300 MW純凝汽火電機(jī)組運(yùn)行狀況，以及采用混合整數(shù)非線性規(guī)劃方法求解得到的綜合調(diào)度方式下的機(jī)組運(yùn)行狀況。計(jì)算環(huán)境：CPU為Intel Core 2 Duo 2.66GHz；內(nèi)存4G；軟件General Algebraic Modeling System（GAMS）。用時(shí)49 s。

圖3 汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工況圖

表1 含純凝汽火電機(jī)組的節(jié)能調(diào)度優(yōu)化結(jié)果MWh

表1顯示在采用采暖與電力綜合調(diào)度方式后可節(jié)省燃料61.6MWh，節(jié)能效益約為4.12%。按標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量為29 271 kJ/kg計(jì)算，每小時(shí)燃煤消耗節(jié)省約7.58 tce。

1.1與1.2節(jié)說明了本文提出的采暖與電力綜合調(diào)度方法與系統(tǒng)的可行性，通過模擬計(jì)算檢驗(yàn)了該方法的合理性。但是由于我國(guó)目前城市供暖與供電系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，使得本方法暫時(shí)不能在實(shí)際系統(tǒng)中運(yùn)行。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能調(diào)度

由12臺(tái)C135/N150-13.24/535/535/0.400型汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與100MW風(fēng)電機(jī)組組成算例。針對(duì)文獻(xiàn)［2］提出的風(fēng)電機(jī)組因?yàn)榇罅坎膳?fù)荷被迫停機(jī)棄風(fēng)的問題，由式（1）—式（4）、式（7）—式（13）和式（15）形成新的約束條件。其中式（2）由式（22）代替，式（11）由式（23）代替。采暖與電力綜合調(diào)度方式下，目標(biāo)函數(shù)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組一次燃料消耗量FCHP最小。

式中：EWIND為風(fēng)電機(jī)組發(fā)電出力；ηWIND為風(fēng)電機(jī)組供電效率，按0.95計(jì)。模擬計(jì)算時(shí)，假定某區(qū)域電網(wǎng)總電負(fù)荷為878.0MW，總采暖負(fù)荷為1 780.9MW，模擬時(shí)間間隔T=1 h。現(xiàn)行每臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組均以153MW供暖和85.9MW發(fā)電。100MW風(fēng)電機(jī)組被迫停機(jī)沒有并網(wǎng)，發(fā)電出力為0。采用混合整數(shù)非線性規(guī)劃，用時(shí)357 s，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 含風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的節(jié)能調(diào)度優(yōu)化結(jié)果MWh

表2顯示采用新方式每小時(shí)可節(jié)省燃料342.4MWh，節(jié)能效益約為8.83%。即若按標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量為29 271 kJ/kg計(jì)算，每小時(shí)燃煤消耗節(jié)省約42.14 tce。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽火電機(jī)組或風(fēng)電機(jī)組的電網(wǎng)節(jié)能調(diào)度系統(tǒng)和方法。實(shí)現(xiàn)了：①控制終端用戶的采暖方式，減少利用熱電聯(lián)產(chǎn)集中供應(yīng)熱水采暖，增加電力空調(diào)熱泵采暖，改變采暖熱水負(fù)荷和電網(wǎng)總電力負(fù)荷比例，實(shí)現(xiàn)采暖需求側(cè)管理；②依據(jù)新的采暖熱水負(fù)荷和電網(wǎng)總電力負(fù)荷約束條件，在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽式火電機(jī)組之間、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組之間完成新的最優(yōu)化負(fù)荷分配與調(diào)度；③通過建立新的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽式火電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組負(fù)荷分配與優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，證明了所提出新調(diào)度方法的節(jié)能潛力。

［1］ 馬建偉，葛挺，荊百林，等.熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的節(jié)能發(fā)電調(diào)度技術(shù)研究與實(shí)踐［J］.中國(guó)電力，2009，42（4）：14-17.

［2］ 白雪飛，王麗宏，杜榮華.風(fēng)電大規(guī)模接入對(duì)蒙西電網(wǎng)調(diào)峰能力的影響［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2010，28（1）：1-4.

［3］ 王功濤，王錫凡.適用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)隨機(jī)生產(chǎn)模擬的“以熱定電搜索”新算法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1999，23（11）：5-9.

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［6］ 龍虹毓，吳鍇，趙媛，等.一種包含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和純凝汽式火電機(jī)組的系統(tǒng)及調(diào)度方法：中國(guó)，201010261190.4［P］.2010-08-24.

［7］ 龍虹毓，吳鍇，趙媛，等.一種熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配合風(fēng)能發(fā)電機(jī)組節(jié)能調(diào)度的系統(tǒng)和方法：中國(guó)，201010261188.7［P］.2010-08-24.

［8］ 李今朝.國(guó)產(chǎn)300MW火電調(diào)峰機(jī)組調(diào)峰方式的研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2004.