基于熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度的系統(tǒng)日調(diào)峰能力分析

龍虹毓，徐瑞林，何國軍，趙 淵，謝開貴，張 煦

（1.重慶市電力公司博士后科研工作站，重慶 401123；2.重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401123；3.重慶大學 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044）

0 引言

風能是目前開發(fā)技術最為成熟、規(guī)模效益明顯和利用前景最為看好的可再生能源，近年來風力發(fā)電的發(fā)展勢頭強勁，風電裝機容量不斷增加，截至2011年底，中國風電累計裝機容量達到62.73 GW[1]。但是風電出力具有間歇性和波動性等特點[2-3]，大規(guī)模的風電并網(wǎng)會增大電力系統(tǒng)運行風險，特別是給系統(tǒng)調(diào)峰帶來困難。

要實現(xiàn)大規(guī)模的風電并網(wǎng)，需對風電出力進行一定的控制，以平抑其波動性。目前，平滑風電出力的方式主要有2種：一是直接功率控制，通過調(diào)節(jié)槳距角或風機的轉(zhuǎn)速等機組運行狀態(tài)來實現(xiàn)；二是為風電配置一定容量的儲能系統(tǒng)，通過儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的雙向功率交換，實現(xiàn)風電出力波動的平抑。文獻[4-7]通過變槳距、控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或變速變槳距協(xié)調(diào)控制等方式實現(xiàn)風能充足時的穩(wěn)定功率輸出和風能不足時的最大功率跟蹤，在一定程度上減小了風電出力的波動。文獻[8-10]采用蓄電池、超級電容等快速儲能裝置實現(xiàn)風電潮流的優(yōu)化控制，平滑風電注入電網(wǎng)的有功功率。文獻[11-12]充分利用水電的儲能能力，提出水電-風電系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)峰運行策略。文獻[13]針對我國北方地區(qū)風資源和煤炭資源豐富的特點，提出了“風電-火電打捆上網(wǎng)”的方法，有效降低了風電波動性對電網(wǎng)的影響。

以上文獻在改善風電并網(wǎng)功率和調(diào)峰方面都取得較好的效果。但通過調(diào)節(jié)機組運行狀態(tài)的直接功率控制方法功率調(diào)節(jié)能力有限，難以實現(xiàn)大規(guī)模的風電并網(wǎng)運行。為風電配置儲能系統(tǒng)需要增加硬件裝置，加大投資。

目前，我國風電主要集中在“三北”（東北、西北、華北）地區(qū)，而這些地區(qū)網(wǎng)內(nèi)存在高比例的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，熱電聯(lián)產(chǎn)機組通常按照以熱定電模式運行，調(diào)峰能力有限，難以承受風電出力的大幅波動，大量現(xiàn)有研究表明二者的大量共存會給電網(wǎng)調(diào)峰帶來困難[14-15]。文獻[16]指出內(nèi)蒙古電網(wǎng)在冬季供暖期間，風電低谷大出力，反調(diào)峰幾率高，而網(wǎng)內(nèi)供熱機組因承擔供熱任務，一般不參與調(diào)峰，導致系統(tǒng)調(diào)峰能力不足。文獻[17]指出隨著我國“三北”地區(qū)風電規(guī)模的逐漸增大，到冬季煤電機組供熱期、水電機組枯水期、風電機組大發(fā)期相互疊加，導致調(diào)峰困難，棄風嚴重。

基于以上背景，本文提出熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法，即把熱電聯(lián)產(chǎn)機組、集中式水源熱泵和分布式熱泵看成一個整體加以控制，通過調(diào)節(jié)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的出力和集中式水源熱泵的耗電功率以及用戶側(cè)分布式熱泵的開啟時間，在保證各用戶原有熱量供應的基礎上，改變整體發(fā)電出力，等效改變風電出力，并基于風電出力標準差和調(diào)峰不足率指標對熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式和傳統(tǒng)的以熱定電模式進行了對比研究，驗證本文方法在平滑風電出力和緩解系統(tǒng)調(diào)峰壓力方面的有效性。

1 熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法及數(shù)學模型

1.1 熱電風電協(xié)調(diào)的基本思路

熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度基本思想是把抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組和電廠側(cè)的集中式水源熱泵構成的聯(lián)合熱源作為“源控點”，同時在用戶終端使用分布式熱泵作為“受控點”，通過優(yōu)化控制“源控點”熱電聯(lián)產(chǎn)機組的發(fā)電出力和集中式水源熱泵的耗電功率以及“受控點”分布式熱泵的啟動時間，等效改變風電出力，減小風電出力的波動。

具體協(xié)調(diào)調(diào)度過程如圖1所示，當風電出力處于低谷時，可以在“源控點”減少集中式水源熱泵消耗功率和抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組采暖供熱出力，相應獲得的熱電發(fā)電出力增量可等效填補原來風電出力曲線的低谷；同時“源控點”減少的采暖熱水，通過對供暖延時與風電出力的峰谷時間差之間的優(yōu)化匹配，在“受控點”通過分布式熱泵進行補償，相應產(chǎn)生的耗電增量可等效削減原來風電出力曲線的高峰；這樣對風電出力進行一系列的“削峰填谷”，最終實現(xiàn)減少等效風電出力的波動。

圖1 熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法Fig.1 Method of wind-thermal power combined dispatch

由于風電場群出力在短時間內(nèi)具有互補性，變化速率在每分鐘0%～1.5%之間的概率為99%[13]，而抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組的出力爬坡速率是每分鐘2%～3%，集中式水源熱泵和分布式熱泵均可即時響應，從而由這三者組成的聯(lián)合體變化速率可以跟上風電出力變化速率，所以利用熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法調(diào)整風電出力變化是可行的。

1.2 數(shù)學模型

本文提出基于聯(lián)合熱源的熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法來減少風電出力的波動，目標函數(shù)設為風電出力波動的標準差最小。

其中，T為計算時長；Δpwind為經(jīng)過熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度調(diào)整以后，等效風電出力曲線的波動幅度；pwind（t）為調(diào)整后新的等效風電出力；為 pwind（t）的算術平均值。

根據(jù)用戶與“源控點”的距離把用戶分成N組，設第i組用戶到“源控點”距離為li，同時設熱水流速為v，調(diào)度時間間隔為ΔT。為方便計算，在全文中功率的單位統(tǒng)一為MW，距離單位為m。

基于抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組、集中式水源熱泵和分布式熱泵組成的聯(lián)合熱源系統(tǒng)，得到t時刻的等效風電出力 pwind（t）和供熱功率減少量 Δq（t）的表達式：

其中，Pwind（t）為實際風電出力；為熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式下，考慮爬坡速率后的熱電聯(lián)產(chǎn)機組有效出力；PCHP（t）為抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組在原來以熱定電模式下的發(fā)電出力；QCHP（t）和 QWSHP（t）分別為以熱定電調(diào)度模式下的熱電聯(lián)產(chǎn)機組和集中式水源熱泵的供暖出力；qCHP（t）和 qWSHP（t）為在熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式下的抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組和集中式水源熱泵的供暖出力；PWSHP（t）和 pWSHP（t）分別為以熱定電模式和熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式下集中式水源熱泵為提供采暖熱水所消耗的電功率；psumDHP（t）為t時刻所有用戶處熱泵的耗電功率之和。

由于“源控點”熱水到用戶i需要一定的傳輸時間 Δti，即 t時刻的供熱減少量 Δq（t）需要延時 Δti才能對用戶供熱造成影響，故需在t+Δti時刻在用戶側(cè)開啟分布式熱泵進行供熱，則：

其中，qDHP（t+Δti，li）為距離“源控點”li的用戶在 t+Δti時刻開啟分布式熱泵的供熱出力。

其中，CWSHP、CDHP分別為集中式水源熱泵和分布式熱泵的性能系數(shù)；pDHP（t，li）為距離“源控點”li的用戶在t時刻的耗電功率。

熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度約束條件如式（9）—（12）所示[18-23]：

其中，pminCHP（t）、pmaxCHP（t）分別為 t時刻最小、最大發(fā)電出力[17]，V 為爬坡速率。 式（9）、（11）、（12）分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供暖出力約束、發(fā)電出力約束、功率調(diào)節(jié)速率約束；式（10）為距離“源控點”li的用戶的熱負荷約束，其最大熱負荷為 QLoad（t，li）。

2 熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度下日調(diào)峰能力分析

2.1 系統(tǒng)接入風電的調(diào)峰需求變化

電力負荷由于受多種因素的影響，隨時間不斷變化，同時具有一定的規(guī)律性。這里選用日負荷曲線，描述系統(tǒng)接入風電的調(diào)峰需求變化。

圖2所示為電力系統(tǒng)的日負荷曲線，描述了電力系統(tǒng)一天24 h的負荷變化情況。當電力系統(tǒng)沒有接入風電前，調(diào)峰需求表現(xiàn)為該時刻負荷與日最小負荷的差值。風電接入系統(tǒng)后，若日前能準確預測風電出力，則系統(tǒng)調(diào)峰需求表現(xiàn)為凈負荷曲線該時刻的負荷與該日最小凈負荷之差[24]。其中，凈負荷曲線定義為：將風電看成負的負荷，在日負荷曲線上減去風電出力后得到的曲線。

圖2 日負荷曲線Fig.2 Daily load curve

由于風電出力的間歇性和隨機性，風機有可能在系統(tǒng)日負荷最大時，出現(xiàn)低出力甚至零出力情況，而在系統(tǒng)日負荷最小時，出現(xiàn)滿發(fā)情況，使得系統(tǒng)的日調(diào)峰需求具有較大的波動性。本文將熱電聯(lián)產(chǎn)機組、集中式水源熱泵和分布式熱泵看成一個聯(lián)合體，通過熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度，調(diào)整風電出力曲線，使得等效風電出力波動盡量小，從而降低系統(tǒng)的調(diào)峰需求。風電接入前后調(diào)峰需求曲線如圖3所示。

圖3 風電接入前后系統(tǒng)調(diào)峰需求曲線Fig.3 Peak-load regulation demand curves before and after wind power integration

2.2 協(xié)調(diào)調(diào)度下系統(tǒng)日調(diào)峰能力分析流程

先定義系統(tǒng)調(diào)峰容量為系統(tǒng)正常運行機組出力與運行機組最小技術出力之差。調(diào)峰不足率定義為一定時間內(nèi)調(diào)峰不足次數(shù)與總調(diào)峰次數(shù)的比值。

本文進行日調(diào)峰能力分析，具體步驟如下。

a.根據(jù)風速分布模擬風電出力時序曲線；采用熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法，對風電出力曲線進行調(diào)整，得到等效風電出力時序曲線。

b.由等效風電出力時序曲線和負荷時序曲線得到凈負荷時序曲線，計算日調(diào)峰需求Pdem（t）。

c.由系統(tǒng)調(diào)峰容量PES，判斷t時刻調(diào)峰是否充裕，判斷式為PES≥Pdem（t）。若該式成立，則認為該時刻調(diào)峰充裕，否則認為該時刻調(diào)峰不足，并對調(diào)峰不足次數(shù)進行統(tǒng)計。

d.判斷該日模擬是否結(jié)束，若結(jié)束，則計算該日調(diào)峰不足率PRES=NRES／96，其中，NRES為該日調(diào)峰不足次數(shù)。

3 算例分析

算例條件如下：熱源側(cè)承擔采暖負荷共327 MW，選擇電廠側(cè)的集中式水源熱泵的總熱容量是150 MW，性能系數(shù)為5，選用一臺C135／N150-13.24型抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱出力177 MW，供電出力130 MW，爬坡速率V=±2MW／min。系統(tǒng)調(diào)峰容量為25 MW。

風速采用威布爾分布，形狀參數(shù)為2.1，尺度參數(shù)為5.5。切入風速取3 m／s，切出風速為15 m／s，額定風速為8 m／s，并網(wǎng)風電額定功率為10 MW，按文獻[25]計算風電出力，得到風電出力曲線，其中參數(shù)A、B、C 分別取 0.36、0.24、0.04。 負荷曲線采用修改的某地區(qū)典型日負荷曲線，如圖4所示。

圖4 日負荷曲線Fig.4 Daily load curve

熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度的單位調(diào)度時間為15 min，總調(diào)度時長為24h，共96個時段。熱水流速為2.5 m／s，用戶間隔為2.25 m，居于采暖終端用戶處的分布式熱泵的性能系數(shù)設為5.0。

模擬實際供熱狀況，得到一組近端型的熱負荷分布[26]，結(jié)果如表1 所示。

表1 熱負荷分布Tab.1 Distribution of heating load

采用熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法得到的等效風電出力曲線如圖5所示，系統(tǒng)日調(diào)峰不足率如表2所示。

圖5 10 MW風電并網(wǎng)容量下調(diào)整前后風電出力曲線Fig.5 Wind power output profiles before and after regulation with wind power integration capacity of 10 MW

表2 10 MW風電并網(wǎng)容量下日調(diào)峰能力Tab.2 Daily peak-load regulation capability with wind power integration capacity of 10 MW

通過對10 MW風電并網(wǎng)容量下熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式的研究可以得到如下結(jié)論。

a.經(jīng)過熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度，等效風電出力曲線幾乎變?yōu)橐粭l直線，平滑效果較好。經(jīng)計算，采用以熱定電模式和協(xié)調(diào)調(diào)度模式得到的風電出力標準差分別為3.5947和0.1021，表明熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度可以顯著降低風電出力的波動性。

b.采用熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式能夠顯著降低系統(tǒng)的調(diào)峰不足率，有效緩解了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。

為進一步研究風電并網(wǎng)容量對等效風電出力波動性和系統(tǒng)日調(diào)峰能力的影響，將風電并網(wǎng)容量增加至20 MW、30 MW，其等效風電出力、標準差、日調(diào)峰不足率如圖6、表3、表4所示。

圖6 不同并網(wǎng)容量下的等效風電出力Fig.6 Equivalent wind power outputs for different wind power integration capacities

表3 以熱定電模式下相關指標Tab.3 Indicators in“electricity in terms of heat”mode

表4 熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式下相關指標Tab.4 Indicators in wind-thermal power combined dispatch mode

通過增大風電并網(wǎng)容量，對比分析熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式和傳統(tǒng)的以熱定電模式在風電出力平滑和調(diào)峰方面的能力，可以得到以下結(jié)論。

a.圖6等效風電曲線和表4的標準差表明，隨著風電并網(wǎng)容量的增加，等效風電出力波動性稍有增大，但仍能較好地保持等效風電出力的平穩(wěn)性，體現(xiàn)了熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度對風電出力具有良好的平滑性能。

b.表3表明，采用以熱定電模式，風電出力的波動性隨著風電并網(wǎng)容量增大而顯著增加，日調(diào)峰不足率也顯著增大。

c.表4表明，采用熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法，隨著風電并網(wǎng)容量的增大，等效風電出力的標準差較小，略有增大，日調(diào)峰不足率也保持較低水平，小于0.02。通過表3、表4的對比表明，熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法能有效平滑風電出力，顯著降低系統(tǒng)的日調(diào)峰不足率。

4 結(jié)論

針對我國北方地區(qū)風能資源豐富和存在高比例的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的特點，并借鑒風電直接功率控制或配置大容量儲能設備以減小風電波動，本文提出了一種新穎的熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度方法，即通過熱電聯(lián)產(chǎn)機組、集中式水源熱泵和分布式熱泵的聯(lián)合協(xié)調(diào)調(diào)度，等效改變風電出力。對熱電風電協(xié)調(diào)調(diào)度模式與傳統(tǒng)的以熱定電模式進行了比較研究，得到這2種模式在不同風電并網(wǎng)容量下的風電出力標準差和系統(tǒng)日調(diào)峰不足率指標。通過仿真分析表明，本文方法可以有效平滑風電出力的波動，降低了系統(tǒng)的調(diào)峰壓力，提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，為大規(guī)模風電并網(wǎng)提供了可行思路和技術支撐。