風(fēng)電供暖技術(shù)方法研究

張新宇，李斌，姚遠(yuǎn)

（1. 大唐新能源山東公司，山東 264209；2. 北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司，北京 100083）

我國風(fēng)能資源豐富，陸地可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)25億kW，是我國重要的可再生能源資源。近年來，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，到2012年底，我國風(fēng)電裝機(jī)已達(dá)到6 300萬kW，成為全球風(fēng)電裝機(jī)最多的國家，風(fēng)電已成為我國第三大電源。在能源供應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減排溫室氣體、保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出了重要貢獻(xiàn)。但由于受電網(wǎng)運(yùn)行等因素的影響，特別是在冬季供暖期間，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行矛盾突出，致使北方地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組被迫大量棄風(fēng)，2012年的風(fēng)電棄風(fēng)電量達(dá)200 kW·h[1]。

2013年6月國家能源局下發(fā)了《關(guān)于做好風(fēng)電清潔供暖工作的通知》，鼓勵(lì)北方地區(qū)采用風(fēng)電進(jìn)行清潔供熱。鼓勵(lì)新建建筑優(yōu)先使用風(fēng)電清潔供暖技術(shù)，支持其利用風(fēng)電清潔供暖技術(shù)替代已有的燃煤鍋爐供熱[2]。

風(fēng)電供暖一方面可以解決燃煤供暖所帶來的污染問題，另一方面還可以緩解風(fēng)電的棄風(fēng)問題。近年來，我國北方風(fēng)能資源富集地區(qū)風(fēng)電場棄風(fēng)限電問題引起較多關(guān)注。北方地區(qū)的風(fēng)能資源冬季夜間最大，而這正是用電負(fù)荷的低谷時(shí)段和取暖供熱的高峰時(shí)段，為了滿足建筑取暖供熱需要，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需優(yōu)先運(yùn)行，幾乎把電力負(fù)荷的空間全部占去了，風(fēng)電機(jī)組被迫棄風(fēng)停運(yùn)[3]。而風(fēng)電供暖將有助于緩解這個(gè)問題，通過因地制宜的展開風(fēng)電供暖試點(diǎn)，將會(huì)使風(fēng)電棄風(fēng)限電問題得到明顯好轉(zhuǎn)[4-7]。

1 風(fēng)電供暖方法

1.1 離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立供暖方法

離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立供暖系統(tǒng)，包括有風(fēng)力發(fā)電場、電加熱鍋爐、蓄熱裝置、換熱裝置和熱用戶，風(fēng)力發(fā)電場通過輸電線路與電加熱鍋爐連接，電加熱鍋爐分別與換熱裝置和蓄熱裝置連接，電加熱鍋爐與換熱裝置連接成循環(huán)回路，蓄熱裝置與電加熱鍋爐連接成循環(huán)回路，蓄熱裝置與換熱裝置連接成循環(huán)回路，換熱裝置與熱用戶連接成循環(huán)回路。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電供電供熱系統(tǒng)的供熱技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性均可行，既沒有環(huán)境污染，又緩解了電網(wǎng)的調(diào)峰難度，減輕電網(wǎng)外送壓力。該方案是離風(fēng)場較近熱用戶遠(yuǎn)離主電網(wǎng)時(shí)的風(fēng)電供暖方法。利用風(fēng)電供暖時(shí)，風(fēng)電輸出電能直接接入電加熱鍋爐。

圖1 離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立供暖結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The structure diagram of the off-grid independent wind turbine heating system

離網(wǎng)型供暖風(fēng)電機(jī)組的電氣控制方法如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)型供暖風(fēng)電機(jī)組的電氣控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic structure of the electrical control for the off-grid heating wind turbine

當(dāng)主控發(fā)送啟動(dòng)指令后，變流器采集三相定子電壓，通過定子電壓計(jì)算出電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。依據(jù)風(fēng)電機(jī)組最佳轉(zhuǎn)速功率曲線，構(gòu)造出轉(zhuǎn)速-定子電壓有效值曲線，根據(jù)所采用的定子電壓閉環(huán)的控制策略，調(diào)節(jié)變流器輸出勵(lì)磁電流的大小，在一定轉(zhuǎn)速下維持發(fā)電機(jī)定子電壓有效值達(dá)到給定。定子電壓經(jīng)變流器內(nèi)的二極管整流橋整流后轉(zhuǎn)換為直流電壓，在直流端連接固定電阻負(fù)載，通過電阻消耗功率實(shí)現(xiàn)加熱的功能。

風(fēng)電在提供清潔能源的同時(shí)，風(fēng)電場的大規(guī)模并網(wǎng)也給電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了不利影響。傳統(tǒng)的電網(wǎng)調(diào)度問題是基于負(fù)荷預(yù)測進(jìn)行的，而風(fēng)力發(fā)電受到的氣候、海拔、地形以及溫度等多種自然因素的影響具有隨機(jī)波動(dòng)性，風(fēng)速及風(fēng)功率預(yù)測的難度較大。風(fēng)電獨(dú)立供暖的效率和可靠性不高?；陲L(fēng)電的間歇性特點(diǎn)，風(fēng)電與電網(wǎng)，燃煤機(jī)組，太陽能發(fā)電等聯(lián)合供暖也成為克服風(fēng)電這一弊端的有效途徑。

1.2 風(fēng)電互補(bǔ)型供暖方法

針對風(fēng)力發(fā)電間歇性的特點(diǎn)，最便捷的風(fēng)電與電網(wǎng)互補(bǔ)型供暖方法提出，利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為電暖氣的主要能源，以電網(wǎng)電源作為控制電源和供暖電源必要時(shí)的補(bǔ)充，大大節(jié)省了用電的費(fèi)用。它同時(shí)可以將發(fā)電機(jī)和市電的能量轉(zhuǎn)換成熱能，同時(shí)增加傳感器增加信號采集功能，還能夠?qū)⒏髯缘倪\(yùn)行狀態(tài)及采暖單元的溫度信息反饋到控制單元，便于用戶了解室內(nèi)供暖情況。

風(fēng)電與市電互補(bǔ)型供暖方案也是離風(fēng)場較近的熱用戶風(fēng)電供暖方法，利用風(fēng)電供暖的線路與獨(dú)立式風(fēng)電供暖方法相同，在風(fēng)電供暖不足時(shí)，切換市電供暖。

1.3 風(fēng)光互補(bǔ)型供暖方法

與風(fēng)電互補(bǔ)型供暖方案相比，太陽能和風(fēng)能聯(lián)合補(bǔ)熱供暖方案進(jìn)一步利用了清潔能源，節(jié)省用戶的用電費(fèi)用。太陽能和風(fēng)能聯(lián)合補(bǔ)熱供暖方案，由太陽能熱水裝置、風(fēng)力發(fā)電裝置、蒸汽鍋爐、電加裝置控制電路組成，如圖3所示。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)型供暖結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure diagram of the wind and solar heating system

太陽能熱水裝置的儲(chǔ)熱水箱通過出水閥、四通管接頭、鍋爐進(jìn)水閥和管道與蒸汽鍋爐進(jìn)水口連接，蒸汽鍋爐的蒸汽出口經(jīng)保溫蒸汽管與室內(nèi)散熱裝置連接，風(fēng)力發(fā)電裝置的電源輸出連接熱水箱中的電加熱管、并同時(shí)經(jīng)接觸器常開觸點(diǎn)連接室內(nèi)電加熱器，室溫控制電路的控制器單元連接接觸器線圈。采用聯(lián)合補(bǔ)熱供暖的方法，利用太陽能熱水系統(tǒng)和風(fēng)能對進(jìn)入燃煤鍋爐的冷水進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)利用風(fēng)能發(fā)電直接對溫室進(jìn)行加熱供暖。

該方案對區(qū)域光照和風(fēng)速要求較高。

1.4 風(fēng)電、光電及電網(wǎng)互補(bǔ)變功率蓄能供暖方法

太陽能和風(fēng)能聯(lián)合補(bǔ)熱供暖方案的確是充分利用清潔能源供暖的有效途徑，但是，風(fēng)力發(fā)電受到氣候、海拔、地形以及溫度等多種自然因素的影響具有隨機(jī)波動(dòng)性；太陽能發(fā)電技術(shù)也隨著晝夜交替以及天氣變化因素呈現(xiàn)波動(dòng)性。

為進(jìn)一步提高風(fēng)電和太陽能聯(lián)合供暖的供暖效率和可靠性，一種基于三者的互補(bǔ)供暖方法，風(fēng)電、光電及電網(wǎng)互補(bǔ)變功率蓄能供暖系統(tǒng)提了出來。該系統(tǒng)包括風(fēng)電機(jī)組、太陽能電池板、變功率電熱蓄能供水子系統(tǒng)和變功率電熱蓄能供暖子系統(tǒng)；還與市電電網(wǎng)連接；風(fēng)電機(jī)組、太陽能電池板和市電電網(wǎng)均通過電路連接到輸入端上；變功率電熱蓄能供水子系統(tǒng)和變功率電熱蓄能供暖子系統(tǒng)均通過電路連接到輸出端上。采用上述技術(shù)方案，降低能量的損耗和設(shè)備成本，實(shí)現(xiàn)可再生能源的充分、高效和合理的應(yīng)用；充分利用市電電網(wǎng)的低谷電量，使低谷時(shí)段被浪費(fèi)的電量得到充分利用，降低用電成本，交直流兩用，對可再生能源進(jìn)行可靠和穩(wěn)定的補(bǔ)充。

1.5 風(fēng)電和燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組供暖方法

北方地區(qū)的風(fēng)能資源冬季夜間最大，而這正是用電負(fù)荷的低谷時(shí)段和取暖供熱的高峰時(shí)段。為了滿足暖熱需要，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需優(yōu)先運(yùn)行，幾乎把電力負(fù)荷的空間全部占去了，風(fēng)電機(jī)組被迫棄風(fēng)停運(yùn)。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，因熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱問題不能停運(yùn)，而棄風(fēng)，造成清潔能源的浪費(fèi)巨大。

針對這一現(xiàn)狀，從熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供暖特性出發(fā)，一種風(fēng)電和燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)提出，采用熱水散熱器和熱泵耗電兩種方式供熱，其中的熱水來源于燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組，電力由燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組與風(fēng)能發(fā)電機(jī)組聯(lián)合提供，通過綜合調(diào)度控制裝置在檢測一段時(shí)間的供能和用戶的耗能情況后，對未來一段時(shí)間做出預(yù)測；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)度，在保證滿足電力供給和熱能供給的條件下，減少供暖出力熱水流量，由消耗電力供熱來補(bǔ)償，耗電供熱既可以補(bǔ)償熱水供暖的不足，也可以增加電力低谷時(shí)段的負(fù)荷；這樣根據(jù)風(fēng)能發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)綜合起來，使得預(yù)測的出力經(jīng)調(diào)整后更接近系統(tǒng)實(shí)際需求的風(fēng)電出力。如圖4所示。

圖4 風(fēng)電和燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組供暖示意圖Fig. 4 Schematic structure diagram of the wind and gas-fired combined cycle unit heating system

風(fēng)電機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合供暖是目前研究的熱點(diǎn)，該方案也是針對棄風(fēng)現(xiàn)象提出的有效解決方案。但是對于風(fēng)電機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的聯(lián)合調(diào)度控制策略有待進(jìn)一步優(yōu)化，才能更好地利用清潔能源，提高風(fēng)電的利用效率。

2 結(jié)語

風(fēng)電場選取的風(fēng)電供暖技術(shù)方法與風(fēng)場的地理位置、電網(wǎng)狀況有關(guān)。遠(yuǎn)離主電網(wǎng)的島嶼或者小鎮(zhèn)，宜采用離網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立供暖或者風(fēng)光互補(bǔ)供暖方法；靠近主電網(wǎng)的風(fēng)電場可選取風(fēng)電互補(bǔ)供暖方法；靠近天然氣產(chǎn)地的風(fēng)電場可采用風(fēng)電和燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組供暖方法。根據(jù)電網(wǎng)的用戶類型或者風(fēng)電場的實(shí)際情況選用合適的供暖方案，可以有效地減輕和避免風(fēng)電場對電力系統(tǒng)的不利影響，同時(shí)提高了風(fēng)電場在電力市場中的競爭能力。

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