風(fēng)電-抽水蓄能-供熱聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行
——以蒙西為例

施泉生，丁建勇

(上海電力學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

清潔能源發(fā)電特別是并網(wǎng)規(guī)模日益增大的風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)于緩解傳統(tǒng)電網(wǎng)的供電壓力、轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)具有重要作用[1]。近年來，中國(guó)的風(fēng)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電消納的問題也日益突出，資料顯示，目前中國(guó)風(fēng)電棄風(fēng)量已達(dá)497億kWh，尤以內(nèi)蒙古蒙西區(qū)域最為嚴(yán)重(由于數(shù)據(jù)的不可得性，本文結(jié)合中電聯(lián)數(shù)據(jù)分析可知蒙西地區(qū)的風(fēng)電規(guī)模和棄風(fēng)電量均遠(yuǎn)大于蒙東地區(qū)。因此本文重點(diǎn)分析蒙西地區(qū)。)風(fēng)電的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性和反調(diào)峰性等特點(diǎn)，使得大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)調(diào)度在系統(tǒng)的備用、電力電量的平衡、系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻以及電網(wǎng)的安全等方面帶來很大困難。為緩解電網(wǎng)負(fù)荷波谷時(shí)段風(fēng)電機(jī)組“棄風(fēng)限電”現(xiàn)象，提高風(fēng)電的消納效率，2015年國(guó)家能源局綜合司發(fā)布國(guó)能綜新能[2015]306號(hào)文件《關(guān)于開展風(fēng)電清潔供暖工作的通知》，提出利用風(fēng)電供暖的新思路。這一舉措對(duì)于促進(jìn)清潔能源的利用效率，提高冬季北方地區(qū)空氣質(zhì)量意義重大。

現(xiàn)有文獻(xiàn)針對(duì)風(fēng)電消納問題的研究主要有：

① 存儲(chǔ)風(fēng)能。文獻(xiàn)[2-3]綜合介紹了現(xiàn)有的儲(chǔ)能方式，抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)、氫能儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能(SMES)、電容器儲(chǔ)能、液流電池、鉛酸電池和鋰電池等電化學(xué)儲(chǔ)能等。其中，應(yīng)用比較廣泛的是抽水蓄能技術(shù)[4-5]。由于受到技術(shù)手段等條件的限制，上述存儲(chǔ)風(fēng)能方式除抽水蓄能外大都存在存儲(chǔ)容量有限，使用經(jīng)濟(jì)性不足的問題。

② 抽水蓄能電站與風(fēng)電并網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行。鑒于風(fēng)電的固有特點(diǎn)，主要采用風(fēng)電并網(wǎng)與抽水蓄能電站聯(lián)合運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，達(dá)到平衡電網(wǎng)負(fù)荷，充分利用風(fēng)能的目的。文獻(xiàn)[6-8]以減少棄風(fēng)量實(shí)現(xiàn)效益的最大化為目標(biāo)建立風(fēng)電與抽水蓄能電站聯(lián)合系統(tǒng)模型，通過模擬仿真等方法對(duì)風(fēng)電和抽水蓄能電站的出力進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)聯(lián)合系統(tǒng)效益最大化。這種方法在一定程度能減少棄風(fēng)量，但尚不足以解決夜間棄風(fēng)的問題。

③ 風(fēng)電供暖與風(fēng)電并網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行。文獻(xiàn)[9]采用熱電廠用電鍋爐來消納風(fēng)電進(jìn)行供熱的基本原理，建立了節(jié)煤效益和國(guó)民經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方案的數(shù)學(xué)模型并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[10]以吉林為例介紹了在用電峰谷采用蓄熱電鍋爐對(duì)風(fēng)電電能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)與集中供熱企業(yè)聯(lián)合供熱并行，達(dá)到節(jié)約煤炭資源，減少大氣污染物排放的目的。這種方法有效提高了風(fēng)電利用率，但無法緩解白天負(fù)荷高峰時(shí)電網(wǎng)壓力。

現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究成果，雖然都能在一定程度上解決棄風(fēng)問題，提高風(fēng)電利用效率，但無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的最大限度利用。本文綜合考慮上述研究的不足之處，基于蒙西電網(wǎng)和呼和浩特抽水蓄能電站實(shí)際數(shù)據(jù)，構(gòu)建風(fēng)電、抽水蓄能和供熱聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行模型，通過構(gòu)建合理運(yùn)營(yíng)機(jī)制，解決風(fēng)電的過剩問題，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用效率。

1 數(shù)學(xué)模型

在考慮電網(wǎng)安全的前提下，聯(lián)合運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大利用來減少煤耗量，通過蓄熱電鍋爐蓄熱供熱不僅可以節(jié)約煤炭還能減少污染物的排放進(jìn)而減少環(huán)境治理的費(fèi)用，故本文主要從經(jīng)濟(jì)效益角度，通過對(duì)風(fēng)電-抽水蓄能-供熱聯(lián)合運(yùn)行模式建立協(xié)調(diào)運(yùn)行的目標(biāo)模型來進(jìn)行消納風(fēng)能、減少棄風(fēng)量的研究。為了便于建模計(jì)算，把全天從0:00開始分為96個(gè)時(shí)段，每15min為一個(gè)時(shí)段。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為風(fēng)電-抽水蓄能-供熱聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，經(jīng)濟(jì)效益M由5部分組成：風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電上網(wǎng)收益Cw、抽水蓄能電站發(fā)電上網(wǎng)收益Ch、抽水蓄能電站的抽水成本Cpg(指利用主網(wǎng)供電抽水生成的成本，不包括風(fēng)電抽水成本)、蓄熱電鍋爐蓄熱成本Crg(指采用主網(wǎng)供電蓄熱產(chǎn)生的成本，不包含風(fēng)電蓄熱成本)、采用抽水蓄能電站發(fā)電以及用蓄熱電鍋爐供暖的采暖費(fèi)用Cn，即

maxM=Cw+Ch-Cpg+Crg+Cn=

(1)

式中：N為總時(shí)段數(shù)，N=96；i=1，2，3，…，95，96；rw,i、rh,i、rpg,i、rrg,i分別為第i時(shí)段內(nèi)風(fēng)電的上網(wǎng)電價(jià)、抽水蓄能電站的上網(wǎng)電價(jià)、抽水時(shí)主網(wǎng)的供電電價(jià)和主網(wǎng)給蓄熱電鍋爐的供電電價(jià)；Pw,i、Ph,i、Ppg,i、Prg,i分別為i時(shí)段風(fēng)場(chǎng)上網(wǎng)風(fēng)電功率、抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電功率、抽蓄電站利用主網(wǎng)供電進(jìn)行抽水時(shí)的抽水功率和蓄熱電鍋爐利用主網(wǎng)供電進(jìn)行供熱蓄熱的功率；rn和A分別為單位面積的采暖費(fèi)用和蓄熱電鍋爐可承擔(dān)的區(qū)域面積。

1.2 約束條件

1.2.1抽水蓄能電站儲(chǔ)能約束

抽水蓄能電站庫(kù)容的大小限制著各時(shí)刻抽水蓄能電站的儲(chǔ)能。抽水蓄能電站的水庫(kù)在聯(lián)合系統(tǒng)中起著儲(chǔ)能的作用。在風(fēng)能充足的時(shí)候，利用多余的電能把水從下游水庫(kù)抽水送至上游水庫(kù)，在風(fēng)能不足的時(shí)候，利用上游水庫(kù)的水流入下游水庫(kù)來沖擊水輪機(jī)發(fā)電，即

Emin≤Ei≤Emax

(2)

(3)

式中：Ei為第i時(shí)間段抽水蓄能電站的儲(chǔ)能值；Emin和Emax分別為抽水蓄能電站最小儲(chǔ)能值和最大儲(chǔ)能值；ηp為抽水蓄能電站抽水時(shí)的平均水量轉(zhuǎn)換系數(shù)；ηh為發(fā)電時(shí)的平均電量轉(zhuǎn)換系數(shù)；Δt為一時(shí)間段15min。

1.2.2聯(lián)合系統(tǒng)輸電約束

為了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，需要滿足聯(lián)合系統(tǒng)送入主網(wǎng)的功率極限要求，即

Pwh,i≤Pwh,max

(4)

Pwh,max=max[Pwh,0，…，Pwh,N]

(5)

Pwh,i=Pw,i+Ph,i-Ppg,i

(6)

式中：Pwh,i和Pwh,max分別為第i時(shí)間段內(nèi)聯(lián)合系統(tǒng)送出功率值及最大值，且Pwh,max受系統(tǒng)的調(diào)峰、靜態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定等綜合因素的約束[11]。

受聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率極限約束，實(shí)際上網(wǎng)風(fēng)電功率為

(7)

式中：Pwg,i為風(fēng)機(jī)第i時(shí)間段的發(fā)電功率。

1.2.3風(fēng)機(jī)發(fā)電功率約束

風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率受風(fēng)機(jī)自身發(fā)電極限能力的限制，即

0≤Pwg,i≤Pwg,max

(8)

式中：Pwg,max為風(fēng)機(jī)發(fā)電功率最大值。

1.2.4抽水蓄能電站的抽水和發(fā)電約束

水庫(kù)儲(chǔ)能的大小、發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量和發(fā)電效率決定了抽水蓄能電站的發(fā)電功率，即

(9)

抽水蓄能電站抽水的電能為風(fēng)能充足時(shí)過剩的風(fēng)電或風(fēng)能不足時(shí)主網(wǎng)的供電。本文基于呼和浩特抽水蓄能電站實(shí)際參數(shù)上進(jìn)行分析，抽水狀態(tài)下功率恒定，即

Pp,i=nP0

(10)

式中：P0為單臺(tái)抽水恒定功率；n為第i時(shí)間段啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)。當(dāng)Pwg,i-Pw,i，max≥nP0時(shí)，第i時(shí)間段由過剩風(fēng)電進(jìn)行抽水；當(dāng)Pwg,i-Pw,i，max

抽水機(jī)組和發(fā)電機(jī)組不能同時(shí)出現(xiàn)，即

Pp,i×Ph,i=0

(11)

1.2.5蓄熱電鍋爐約束

本研究中蓄熱鍋爐只在電力負(fù)荷谷時(shí)段利用過剩的風(fēng)能進(jìn)行供熱、蓄熱，負(fù)責(zé)一天的熱負(fù)荷，過剩風(fēng)能優(yōu)先用于抽水蓄能電站抽水，設(shè)計(jì)蓄熱電鍋爐數(shù)量保證每天所有鍋爐都在電力負(fù)荷波谷時(shí)段能連續(xù)運(yùn)行。蓄熱電鍋爐為恒定功率運(yùn)行，即

Pr,i=mPr0

(12)

式中：Pr0為單臺(tái)蓄熱電鍋爐的恒定功率；m為鍋爐臺(tái)數(shù)；i為電力負(fù)荷波谷時(shí)用來供熱蓄熱的時(shí)間段。

當(dāng)Pwg,i-Pw,i，max-Pp,i≥Pr,i時(shí)，由過剩的風(fēng)電進(jìn)行供熱、蓄熱；當(dāng)Pwg,i-Pw,i，max-Pp,i

采取全量蓄熱模式，約束為

(13)

式中：PTH為日總熱負(fù)荷；tIH為蓄熱時(shí)間，取波谷時(shí)間段；k為熱損失附加率，一般為1.05～1.10；η為電鍋爐的熱效率，一般為0.95～0.98。

煤耗量為

(14)

式中：He為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值；η1為室外管網(wǎng)輸送效率取0.9；η2為鍋爐運(yùn)行效率，取0.68。

2 實(shí)例分析

根據(jù)研究目的，結(jié)合上文分析，針對(duì)蒙西電網(wǎng)與呼和浩特抽水蓄能電站聯(lián)合的現(xiàn)實(shí)情況，本文進(jìn)行實(shí)證分析。蒙西地區(qū)雖然風(fēng)電裝機(jī)容量大，但棄風(fēng)電量也居于全國(guó)前列，并且供熱季長(zhǎng)達(dá)6、7個(gè)月，為了保證供熱，火電機(jī)組的調(diào)峰能力進(jìn)一步下降，使棄風(fēng)量加大[12]。故將蒙西電網(wǎng)和現(xiàn)有的呼和浩特抽水蓄能電站聯(lián)合進(jìn)行分析具有典型意義。

2.1 數(shù)據(jù)

由文獻(xiàn)[13]可知，呼和浩特抽水蓄能電站是內(nèi)蒙古自治區(qū)第1座抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量1200MW，電站設(shè)計(jì)的每日抽水小時(shí)數(shù)為7h，每日發(fā)電小時(shí)數(shù)為7h(5h滿負(fù)荷發(fā)電)，抽水時(shí)的平均水量轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為ηp=749m3/MWh，發(fā)電時(shí)的平均電量轉(zhuǎn)換系數(shù)為ηh=998m3/MWh，抽水蓄能電站儲(chǔ)能的最大值Emax=6.6637×106m3，最小值Emin=3.782×105m3。共有4臺(tái)300MW立式單級(jí)可逆式抽蓄機(jī)組，處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)每臺(tái)機(jī)組的功率連續(xù)可調(diào)，當(dāng)處于抽水狀態(tài)時(shí)功率恒定為300MW。擬采用2500kW蓄熱電鍋爐200臺(tái)分區(qū)域布置。

根據(jù)2016年國(guó)家能源局公布的最新風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)可知，蒙西風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)為470元/MWh。由于抽水蓄能電站的電價(jià)機(jī)制還不成熟，以文獻(xiàn)[8]中電價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

風(fēng)電、抽水蓄能電站的抽水電價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)如表1。

表1 各種價(jià)格表 元/MWh

2.2 算例分析

本文基于文獻(xiàn)[13]的模擬結(jié)果對(duì)1到96時(shí)間段作進(jìn)一步的聯(lián)合優(yōu)化分析，在其風(fēng)蓄聯(lián)合的最優(yōu)運(yùn)行方式下利用剩余的風(fēng)能進(jìn)行蓄熱供熱。供熱季典型日的蒙西電網(wǎng)直調(diào)風(fēng)電機(jī)組出力的實(shí)際曲線和極限曲線如圖1所示。

圖1 蒙西電網(wǎng)直調(diào)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際出力和極限出力曲線

由圖可以看出，風(fēng)機(jī)在夜間極限出力比在白天大很多，實(shí)際需要出力夜間較小白天較大；白天負(fù)荷高峰時(shí)風(fēng)電全部參與供電，夜間負(fù)荷低谷時(shí)60%以上的風(fēng)電需要棄掉， 故而需要進(jìn)行聯(lián)合來減少棄風(fēng)。

對(duì)3種形式進(jìn)行對(duì)比分析：①無聯(lián)合的優(yōu)化運(yùn)行(圖2)；②風(fēng)電和抽水蓄能電站的聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行(圖3)；③風(fēng)電抽水蓄能和蓄熱電鍋爐聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行。

圖2 無聯(lián)合的棄風(fēng)曲線

圖3 風(fēng)蓄聯(lián)合棄風(fēng)曲線

圖3中縱軸為負(fù)的部分表示該時(shí)間段需要主網(wǎng)供電來進(jìn)行抽水以滿足白天調(diào)峰的要求，從表2中可看出供熱季不采用聯(lián)合時(shí)平均每天棄風(fēng)量14 368.3MWh，采取風(fēng)蓄聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行平均每天可以減少棄風(fēng)7 800MWh(約54.3%)，抽水蓄能電站的日發(fā)電量為5 850MWh，需從主網(wǎng)供電220MWh，節(jié)省煤炭4 098.6t。采用形式③時(shí)每天前24個(gè)時(shí)間段任意時(shí)刻用0.5GW過剩風(fēng)能利用蓄熱電鍋爐進(jìn)行蓄熱供熱，可以平均每天多減少棄風(fēng)量3 000MWh，多節(jié)省煤炭545.5t，按民用住宅設(shè)計(jì)供暖指標(biāo)60W/m2計(jì)算，可以滿足大約1.8×106m2區(qū)域的供熱需求。

從表中數(shù)據(jù)可以看出相對(duì)于方式①和②，方式③的經(jīng)濟(jì)效益最大，方式②是在風(fēng)電和抽水蓄能聯(lián)合運(yùn)行最優(yōu)狀態(tài)下的運(yùn)行狀態(tài)，而方式③是在方式②的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)電做的進(jìn)一步消納，故而方式③是聯(lián)合系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

引入抽水蓄能電站后，在聯(lián)合優(yōu)化的方式下抽水蓄能電站的工作情況如圖4所示，抽水蓄能電站在1～32時(shí)間段3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行抽水，33～36時(shí)間段2臺(tái)機(jī)組抽水，其他時(shí)間段根據(jù)負(fù)荷要求情況對(duì)抽水蓄能電站安排出力來完成調(diào)峰等任務(wù)。從目標(biāo)函數(shù)經(jīng)濟(jì)效益角度分析，收益見表2。

圖4 聯(lián)合運(yùn)行時(shí)抽水蓄能電站的工作情況

表2 3種運(yùn)行方式比較

2.3 小結(jié)

從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，在供熱季以蒙西地區(qū)為例通過風(fēng)電抽水蓄能與蓄熱電鍋爐聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行，可以有效地減少棄風(fēng)量。不采用聯(lián)合運(yùn)行方式時(shí)，夜間大量的風(fēng)電需要棄掉；采用聯(lián)合運(yùn)行方式后夜間過剩的風(fēng)電得到了充分的利用。從經(jīng)濟(jì)效益角度看，平均每天減少棄風(fēng)量約10 800MWh，相當(dāng)于節(jié)約煤炭約4 644.1t，相比于無聯(lián)合系統(tǒng)形式經(jīng)濟(jì)效益可增加468.75萬元。

從圖像上可以看出，雖然聯(lián)合運(yùn)行相對(duì)于不采用聯(lián)合運(yùn)行時(shí)可以有效減少棄風(fēng)量，從而增加經(jīng)濟(jì)效益，但在早上6:00左右風(fēng)電極限出力出現(xiàn)急劇的減少，這種風(fēng)電的突變性可能會(huì)對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定程度的沖擊。

3 結(jié)論及建議

風(fēng)電本身的出力特性是導(dǎo)致棄風(fēng)的主要原因。本文基于蒙西電網(wǎng)和呼和浩特抽水蓄能電站的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究風(fēng)電抽水蓄能電站和蓄熱電鍋爐聯(lián)合運(yùn)行的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。研究結(jié)果表明采用風(fēng)蓄和蓄熱鍋爐聯(lián)合運(yùn)行具有可行性，存在以下意義：

① 通過聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制，可有效減少風(fēng)電的棄風(fēng)量、充分利用風(fēng)能；

② 聯(lián)合運(yùn)行既能實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”又能解決供暖季機(jī)組為了供熱導(dǎo)致調(diào)峰能力有限的問題；

③ 機(jī)制可節(jié)約大量的煤炭資源，緩解化石能源的短缺問題，減少污染物的排放，并節(jié)省一部分環(huán)境治理成本；

④ 聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于單獨(dú)風(fēng)電系統(tǒng)，雖需要一部分的成本投入，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)高于無聯(lián)合系統(tǒng)；

⑤ 有效的機(jī)制運(yùn)行有助于推進(jìn)當(dāng)前清潔能源采暖政策的落實(shí)。

聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行對(duì)減少供暖季的大規(guī)模棄風(fēng)具有重要價(jià)值，對(duì)節(jié)約煤炭資源和減少污染物的排放具有重大意義。國(guó)家能源局近日公布的《水電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》顯示，抽水蓄能的建設(shè)速度得到了加快。而隨著清潔能源供暖政策的推行，風(fēng)電供暖勢(shì)必會(huì)呈上升趨勢(shì)。棄風(fēng)量大的地區(qū)(例如吉林、甘肅、內(nèi)蒙、新疆等地)冬季需要供暖，因此在這些地方推行風(fēng)電-抽水蓄能-供熱聯(lián)合系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。目前由于抽水蓄能電站的電價(jià)機(jī)制還不成熟加之風(fēng)電出力的不穩(wěn)定性，使得研究受到一定的限制，隨著抽水蓄能電站的增多，電價(jià)機(jī)制的完善和風(fēng)電出力預(yù)測(cè)技術(shù)的不斷成熟，未來將對(duì)研究進(jìn)行進(jìn)一步修正和完善。

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