熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的調(diào)度策略

黃大為，郭君宜

（東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林132012）

在“三北”地區(qū)，占火電裝機(jī)容量相當(dāng)比例的熱電機(jī)組采用“以熱定電”原則制定運(yùn)行方式，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)峰能力下降[1]。據(jù)國(guó)家電監(jiān)會(huì)2012-07發(fā)布的《重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)電消納監(jiān)管報(bào)告》，2011年“三北”地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)平均利用1 907 h，同比下降266 h，棄風(fēng)電量達(dá)123×108kW·h，棄風(fēng)率約16%。如內(nèi)蒙古電網(wǎng)因同時(shí)存在大量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組，導(dǎo)致在電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)必須停掉大量風(fēng)電機(jī)組，以保證熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供暖運(yùn)行需要[2]?！叭薄钡貐^(qū)系統(tǒng)調(diào)峰能力不足仍然是制約電網(wǎng)接納風(fēng)電的主要因素[3]，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰能力對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)峰能力有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義[4～5]。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱電耦合約束問題是限制其調(diào)峰能力的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[6]利用等效熱降理論建立熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱力曲線數(shù)學(xué)模型，以實(shí)驗(yàn)的方法改變新蒸汽參數(shù)，在相應(yīng)的供熱負(fù)荷下確定機(jī)組的供電負(fù)荷可調(diào)整范圍，研究熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力；文獻(xiàn)[7]提出了基于水源熱泵技術(shù)的風(fēng)電消納模式，將常規(guī)熱電廠冷卻循環(huán)水中蘊(yùn)含的大量低溫余熱提取出來用于城市供熱，在保證城市供熱質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高熱電機(jī)組的調(diào)峰能力；文獻(xiàn)[8]針對(duì)采暖供給側(cè)和需求側(cè)，提出了基于智能電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)終端用戶采暖方式的管理調(diào)節(jié)，控制熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采暖出力，以提高系統(tǒng)接納風(fēng)電能力，達(dá)到節(jié)能調(diào)度的目的；文獻(xiàn)[9～10]根據(jù)供熱系統(tǒng)熱遲滯性的特點(diǎn)，在現(xiàn)有條件下，對(duì)供熱系統(tǒng)的熱力工況進(jìn)行定量分析，在保證供熱質(zhì)量的前提下，對(duì)調(diào)整供熱機(jī)組輸出功率的可行性進(jìn)行了分析。

本文在分析供熱系統(tǒng)熱遲滯性的基礎(chǔ)上，考慮機(jī)組相關(guān)的技術(shù)約束，建立背壓式熱電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的優(yōu)化調(diào)度模型，并給出求解該模型的簡(jiǎn)化方法。

1 熱電機(jī)組運(yùn)行與供熱系統(tǒng)特性

1.1 熱電機(jī)組運(yùn)行特性

以背壓式熱電機(jī)組為例，其排氣全部用于熱用戶使用，沒有冷源損失，但要求有穩(wěn)定可靠的熱負(fù)荷。背壓式熱電機(jī)組的原理示意與工況圖如圖1 所示。

圖1 背壓式熱電機(jī)組原理示意與工況圖Fig.1 Sketchmapandworkingareaofback-pressureunits

圖中p0和t0分別為熱電機(jī)組進(jìn)氣口初始?jí)毫蜏囟?；A 與B 分別為機(jī)組可用最小技術(shù)出力和最大出力[11]。則t 時(shí)刻背壓式熱電機(jī)組輸出有功功率PB，t與供熱流量Qt近似成正比關(guān)系，即

式中，K 為功率和供熱流量的比例系數(shù)。設(shè)t 時(shí)段的供熱流量為Qt，系統(tǒng)供水溫度及回水溫度分別為τg，t和τh，t，則有

式中：G 為熱網(wǎng)水流量，t/h；cp為定壓比熱容，J/（kg·℃）。

1.2 供熱系統(tǒng)的熱遲滯性分析

保證受熱端供熱質(zhì)量直接體現(xiàn)在對(duì)采暖建筑物室溫變化范圍的要求上，而在實(shí)際熱網(wǎng)系統(tǒng)中，室溫受某時(shí)段供熱量改變的影響并不顯著，是過去多個(gè)時(shí)段熱網(wǎng)供熱量共同作用的結(jié)果[4]，這就是供熱系統(tǒng)的熱遲滯性。

以自回歸滑動(dòng)平均混合模型ARMA（auto-regressive and moving average model）表示供熱系統(tǒng)的熱遲滯性，供熱系統(tǒng)熱遲滯性的多時(shí)段耦合約束條件為

式中：J 和E 分別為模型的階次，可通過采用廣義最小二乘法對(duì)于不同階次的系數(shù)αj、βj、γj、θe、φe、ωe進(jìn)行辨識(shí)[12]；τn，t為t 時(shí)段的室內(nèi)溫度，℃；τw，t-j和τw，t-e分別為t 時(shí)段對(duì)應(yīng)階次的室外溫度，℃。

2 熱電機(jī)組調(diào)峰優(yōu)化模型與求解方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文所建立的模型是在保證供熱質(zhì)量的前提下，背壓式熱電機(jī)組需要盡可能在谷荷時(shí)段降低出力，以增加系統(tǒng)整體調(diào)峰容量，而考慮其他潛在經(jīng)濟(jì)因素，在所研究周期的其他時(shí)段盡量保持原有出力方式不變。背壓式熱電機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的數(shù)學(xué)模型為

式中：Tb為所研究時(shí)段內(nèi)的谷荷時(shí)段集合；m 為背壓式熱電機(jī)組總數(shù)；PBk，t和分別為第k 臺(tái)機(jī)組在t 時(shí)段參與系統(tǒng)調(diào)峰前后的輸出有功功率，MW；Δt 為時(shí)段的時(shí)間持續(xù)時(shí)間，為了與AMRA 模型表示的供熱系統(tǒng)熱遲滯性的時(shí)間尺度相一致，Δt 取為供熱系統(tǒng)最大允許供水溫度分別為室內(nèi)最小溫度和最大溫度。

考慮到熱電機(jī)組不能頻繁調(diào)節(jié)，上述優(yōu)化模型以所研究時(shí)間范圍內(nèi)的谷荷時(shí)段背壓式熱電機(jī)組的總下調(diào)電量最大為優(yōu)化目標(biāo)；式（6）表示供熱系統(tǒng)供水溫度的約束關(guān)系；式（7）表示供熱質(zhì)量約束，即室內(nèi)溫度應(yīng)該保證在允許區(qū)間內(nèi)變化。

2.2 模型求解策略

由供熱系統(tǒng)熱遲滯性以及機(jī)組出力與供回水溫度之間的關(guān)系可知，表征t 時(shí)段供熱質(zhì)量的室內(nèi)溫度τn，t是由當(dāng)前時(shí)段的機(jī)組出力和過去時(shí)段的室內(nèi)溫度、供水溫度和室外溫度決定的。因此，在調(diào)節(jié)谷荷時(shí)段的熱電機(jī)組出力時(shí)，不僅要考慮當(dāng)前時(shí)段的室內(nèi)溫度，還要顧及由于出力的調(diào)節(jié)對(duì)未來時(shí)段室內(nèi)溫度的影響。

熱遲滯性影響的時(shí)間范圍取決于模型的階次，優(yōu)化模型的求解，可只考慮與谷荷時(shí)段相鄰的時(shí)間范圍。由于負(fù)荷變化具有明顯的周期性，對(duì)于所研究時(shí)段T 內(nèi)的第i 個(gè)周期，i=1，2，…，M，分別對(duì)時(shí)段ΔTi進(jìn)行優(yōu)化即可。ΔTi稱為優(yōu)化時(shí)段，由ΔTi′，ΔTi″和ΔTi?組成，如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化時(shí)段選取示意Fig.2 Sketch map of period selection of the optimization

圖中：ΔTi″為第i 個(gè)周期的谷荷時(shí)段，ΔTi″∈Tb，ΔTi″=Δt；ΔTi′和ΔTi?分別為谷荷前時(shí)段和谷荷后時(shí)段，ΔTi′=ΔTi?=Δt·max（J，E）?？赏ㄟ^將負(fù)荷數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Δt 的時(shí)間尺度，選取負(fù)荷最小的時(shí)段作為相應(yīng)的ΔTi″；選定ΔTi″后，可分別向前和向后取相應(yīng)的時(shí)間段作為ΔTi′和ΔTi?；對(duì)于第i 個(gè)周期內(nèi)的其他時(shí)段，按熱電機(jī)組的原發(fā)電計(jì)劃安排其出力。

通過上述優(yōu)化時(shí)段的選取，可將研究時(shí)段內(nèi)的各周期進(jìn)行獨(dú)立求解，而各個(gè)相鄰周期之間通過供熱系統(tǒng)熱遲滯性模型相互聯(lián)系，從而使求解過程得到簡(jiǎn)化。具體的求解步驟如下。

（1）對(duì)歷史典型負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到研究時(shí)段T 內(nèi)的各個(gè)優(yōu)化時(shí)段；

（2）在非優(yōu)化時(shí)段，按照原發(fā)電計(jì)劃確定熱電機(jī)組各時(shí)段出力，計(jì)算相應(yīng)室內(nèi)溫度和供水溫度；

（3）采用線性規(guī)劃方法，分別對(duì)各周期的優(yōu)化時(shí)段的熱電機(jī)組出力進(jìn)行優(yōu)化求解，確定熱電機(jī)組的調(diào)節(jié)策略。

3 算例分析

設(shè)參與調(diào)峰的熱電廠由19 臺(tái)背壓式熱電機(jī)組組成，具體型號(hào)參數(shù)及機(jī)組電機(jī)臺(tái)數(shù)見表1，并規(guī)定各熱電機(jī)組以額定值的85%出力作為參考運(yùn)行方式，優(yōu)化運(yùn)行的各熱電機(jī)組出力在額定值的50%～100%之間。

表1 背壓式機(jī)組參數(shù)Tab.1 Back-pressure units parameter

選取東北某地區(qū)連續(xù)132 h 的負(fù)荷數(shù)據(jù)和室外溫度數(shù)據(jù)，具體參見表2 和表3；取最大室溫為21 ℃，最小室溫為19.5 ℃，最大供水溫度為125 ℃，熱遲滯性模型的相應(yīng)參數(shù)見表4。

表2 東北某地區(qū)負(fù)荷Tab.2 Electric power load in a area of the northeast MW

表3 東北某地區(qū)室外溫度Tab.3 Outdoor temperature in a area of the northeast℃

表4 供熱系統(tǒng)各模型系數(shù)參數(shù)Tab.4 Parameters of the model coefficient of heating system

根據(jù)本文方法，確定熱電機(jī)組的優(yōu)化時(shí)段，結(jié)果如表5 所示。

表5 背壓式機(jī)組參數(shù)Tab.5 Parameters of back-pressure units

熱電機(jī)組出力的總和在95～189 MW 之間，若按原出力計(jì)劃不作調(diào)整，則各時(shí)段出力總和為152 MW。根據(jù)本文提出的模型，優(yōu)化熱電機(jī)組出力方式，熱電機(jī)組總出力的調(diào)節(jié)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 熱電機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行Fig.3 Optimal operation of back-pressure units

由圖3 可知，對(duì)比熱電機(jī)組原出力方式，優(yōu)化后的熱電機(jī)組運(yùn)行在優(yōu)化時(shí)段內(nèi)進(jìn)行了不同程度的調(diào)整：在3 個(gè)谷荷時(shí)段，熱電機(jī)組總出力下調(diào)至95 MW，從而使谷荷時(shí)段增加調(diào)峰容量達(dá)到57 MW；為保證供熱質(zhì)量，谷荷前階段和谷荷后階段相應(yīng)增加了出力。

第3 個(gè)谷荷后時(shí)段熱電機(jī)組不同程度增加了機(jī)組出力，是因?yàn)榍? 個(gè)優(yōu)化周期機(jī)組出力的調(diào)節(jié)改變了室內(nèi)溫度波動(dòng)趨勢(shì)，為保證供熱質(zhì)量，影響了第3 個(gè)優(yōu)化周期機(jī)組出力。

圖4 為優(yōu)化運(yùn)行前后室內(nèi)溫度變化對(duì)比。

圖4 優(yōu)化運(yùn)行前后室溫波動(dòng)變化比較Fig.4 Fluctuation of indoor temperature before and after improvement of electric peak shaving

由圖4 可知，優(yōu)化熱電機(jī)組運(yùn)行后的室內(nèi)溫度雖然在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，但其波動(dòng)范圍在19.7～20.6 ℃之間，供熱質(zhì)量得到保證。另外，在此期間供水溫度在72～120 ℃之間波動(dòng)，回水溫度波動(dòng)范圍較小，大約在42～55 ℃之間，均在合理范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的策略，建立了背壓式熱電機(jī)組參與調(diào)峰的模型，并提出了求解該模型的簡(jiǎn)化方法。利用供熱系統(tǒng)熱遲滯性特點(diǎn)，可以在保證供熱質(zhì)量的前提下，使熱電機(jī)組在谷荷時(shí)段向下調(diào)節(jié)出力，從而增加系統(tǒng)的總調(diào)峰容量，緩解系統(tǒng)冬季調(diào)峰壓力。本文僅以背壓式熱電機(jī)組為例，但供熱系統(tǒng)熱遲滯性的特點(diǎn)亦適用于抽氣凝汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。本文所提方法，將為進(jìn)一步挖掘熱電機(jī)組調(diào)峰潛力提供必要的技術(shù)支持。

到目前為止我國(guó)電網(wǎng)的調(diào)峰補(bǔ)償機(jī)制還有待完善，以機(jī)組的調(diào)峰費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)的調(diào)峰優(yōu)化調(diào)度問題將是未來重要的研究方向之一。

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