大規(guī)模棄風(fēng)儲熱供暖協(xié)調(diào)計(jì)算方法

葛維春

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧省 沈陽市 110006）

0 引言

2015—2017年，東北棄風(fēng)多達(dá)200億kW?h，而這些棄風(fēng)多發(fā)生在冬季取暖季，如果將這些棄風(fēng)用于取暖，將增加大量清潔供暖面積，大幅降低棄風(fēng)率、降低電采暖成本，對民生、環(huán)境和能源轉(zhuǎn)型具有重大意義。

棄風(fēng)儲熱供暖的核心問題是：棄風(fēng)有多大，儲熱能力有多大，棄風(fēng)和儲熱如何協(xié)調(diào)，3個(gè)問題相輔相成，缺一不可。

文獻(xiàn)[1]認(rèn)為儲熱罐作為一種蓄能手段能夠從一定程度上實(shí)現(xiàn)供熱機(jī)組熱電解耦。基于機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)熱力學(xué)分析，定義抽汽-負(fù)荷增益系數(shù)，分析供熱抽汽流量與機(jī)組發(fā)電負(fù)荷間的定量關(guān)系，進(jìn)而獲得變供熱工況下的鍋爐負(fù)荷定值?；诠釞C(jī)組運(yùn)行特性及熱網(wǎng)加熱器換熱特性分析，對儲熱罐工作過程中的運(yùn)行流量進(jìn)行定值，對供熱機(jī)組調(diào)峰能力區(qū)間進(jìn)行定值約束，結(jié)果表明，所提增益系數(shù)能夠精確計(jì)算變供熱工況下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，所提定值方法能準(zhǔn)確直觀地表現(xiàn)儲熱罐對供熱機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行的影響能力和儲熱罐運(yùn)行過程中的定值問題，定值結(jié)果為機(jī)組和儲熱罐的安全靈活運(yùn)行提供指導(dǎo)。文獻(xiàn)[2]針對中國西北、華北、東北(簡稱“三北”)地區(qū)冬季供暖期棄風(fēng)現(xiàn)象日益嚴(yán)重的問題，在研究電負(fù)荷特性、熱負(fù)荷特性與風(fēng)電場出力特性相關(guān)性基礎(chǔ)上，結(jié)合電網(wǎng)調(diào)峰、熱網(wǎng)調(diào)峰特點(diǎn)，提出二級熱網(wǎng)配置電鍋爐進(jìn)行日調(diào)峰的消納棄風(fēng)方案。分析了方案的消納棄風(fēng)機(jī)理，研究了調(diào)峰電鍋爐的啟?？刂撇呗?，構(gòu)建了基于二級熱網(wǎng)電鍋爐調(diào)峰的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并分析了方案的經(jīng)濟(jì)性。研究表明，該方案能在降低熱電機(jī)組熱負(fù)荷峰值、“以熱定電”所發(fā)電功率的同時(shí)增加電網(wǎng)負(fù)荷谷值，從而為風(fēng)電上網(wǎng)留出更大空間，提升風(fēng)電消納率，且能為整個(gè)電熱聯(lián)合系統(tǒng)帶來經(jīng)濟(jì)收益，文中肯定了“三北”地區(qū)冬季供暖期棄風(fēng)現(xiàn)象日益嚴(yán)重，嚴(yán)重到什么程度尚需研究。文獻(xiàn)[3]針對風(fēng)電消納問題，從解耦熱電耦合約束、提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力角度出發(fā)，提出基于含儲熱熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與電鍋爐的棄風(fēng)消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型，提出極限消納棄風(fēng)電量的電鍋爐供熱量計(jì)算方法，對比了儲熱裝置不同工作方式以及含儲熱熱電聯(lián)產(chǎn)與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。其結(jié)論對儲熱和電鍋爐應(yīng)用消納棄風(fēng)電量都具有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[4]針對確保電網(wǎng)安全，保證跨區(qū)域電力交易的正常進(jìn)行，指出計(jì)算跨區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)可用輸電能力的方法。該方法僅需交換邊界節(jié)點(diǎn)電壓和購電用戶有功負(fù)荷增長量即可準(zhǔn)確地計(jì)算出跨區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的可用輸電能力。首先，建立了適用于可用輸電能力計(jì)算的外網(wǎng)等值模型，使各個(gè)區(qū)域從互聯(lián)電網(wǎng)中解耦。同時(shí)，建立了虛擬的平衡節(jié)點(diǎn)和自動(dòng)調(diào)節(jié)的邊界注入功率，使各個(gè)區(qū)域可以進(jìn)行獨(dú)立的潮流計(jì)算。文獻(xiàn)[5]提出一種風(fēng)電場與含儲熱的熱電聯(lián)產(chǎn)形成共同體聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)度模式，并基于該調(diào)度模式提出了考慮風(fēng)電出力不確定性的聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型。該模型充分利用儲熱帶來的靈活性實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)在上網(wǎng)收益和懲罰費(fèi)用之間的協(xié)調(diào)，獲得收益最高的風(fēng)電場和熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的調(diào)度策略。文獻(xiàn)[6]研究了通過電鍋爐等電能轉(zhuǎn)換為熱能存儲于儲熱系統(tǒng)可以起到減小負(fù)荷峰谷差，緩解夜間火電機(jī)組調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的作用。文獻(xiàn)[7]基于儲能技術(shù)發(fā)展趨勢和需求分析，展望了2050年電網(wǎng)功能形態(tài)中，技術(shù)常規(guī)發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)獲得突破發(fā)展模式下儲能的作用模式和應(yīng)用場景。

上述研究成果突出了儲能對消納清潔能源的作用，本文將棄風(fēng)電-儲熱-供暖統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，形成棄風(fēng)電儲熱供暖分析方法，對通過電網(wǎng)有效利用棄風(fēng)電儲熱供暖更具實(shí)際意義。在風(fēng)電水電協(xié)同運(yùn)行[8-11]中，考慮儲熱供暖將會獲得更大收益。

1 棄風(fēng)電量評估

電網(wǎng)棄風(fēng)與各種因素有關(guān)，最直接的方法是棄風(fēng)電量歷史數(shù)據(jù)分析，可以根據(jù)近3年棄風(fēng)電量歷史數(shù)據(jù)，評估有多少棄風(fēng)電量可以利用。

假設(shè)一個(gè)電網(wǎng)提供了5年時(shí)間，一天96點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電和棄風(fēng)電力數(shù)據(jù)，則可以計(jì)算出總的年風(fēng)力發(fā)電量 Pw、棄風(fēng)電量 Pq、棄風(fēng)率&q、年取暖季棄風(fēng)電量 Pwnq和棄風(fēng)率&qn、取暖季低谷棄風(fēng)電量 Pwndq和棄風(fēng)電占比&qnd。年風(fēng)力發(fā)電量 Pw如式(1)所示。

式中：PwIJK表示第I天、第J小時(shí)、第K時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電量。N代表一年 365天，M代表一天 24小時(shí)，K代表一小時(shí)有k個(gè)點(diǎn)；年棄風(fēng)電總加Pq如式(2)所示：

式中：PwqIJK表示第I天、第J小時(shí)、第K時(shí)刻棄風(fēng)電量。年棄風(fēng)率&wq如式(3)所示：

年取暖季風(fēng)力發(fā)電量Pwn如式(4)所示：

式中：N代表一年取暖季天數(shù)，遼寧是150天。年取暖季棄風(fēng)率&wq如式(5)所示：

年取暖季低谷棄風(fēng)力發(fā)電量 Pwndq如式(6)所示：

式中：N代表一年取暖季天數(shù)，遼寧是150天，

M代表一天1:00～7:00和21:00～24:00十個(gè)小時(shí)。年取暖季低谷棄風(fēng)占比&qnd如式(7)所示：

通過式(1)—(7)即可計(jì)算出每年風(fēng)力發(fā)電量、棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率、年取暖季棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率以及取暖季低谷棄風(fēng)電量和棄風(fēng)電占比。由這些數(shù)據(jù)可知有多少棄風(fēng)電量可用，在什么時(shí)間用；年棄風(fēng)電量能表明有多少棄風(fēng)電量可用，取暖季棄風(fēng)電量能表明取暖季有多少棄風(fēng)電量可用，取暖季低谷棄風(fēng)電量表明取暖季低谷有多少棄風(fēng)電量可用；取暖季棄風(fēng)率和取暖季低谷棄風(fēng)電占比表明取暖季利用儲熱消納棄風(fēng)電情況。

2 儲熱應(yīng)用技術(shù)

儲熱裝置實(shí)現(xiàn)技術(shù)較多，但從應(yīng)用角度大體可分為兩類：熱電廠或大型供暖網(wǎng)處安裝大容量儲熱裝置，這類儲熱裝置具有柔性負(fù)荷特性，因?yàn)?，它們都是與其他熱源并聯(lián)的，相當(dāng)于熱網(wǎng)的補(bǔ)充熱源，而且優(yōu)先使用，即當(dāng)有棄風(fēng)時(shí)，儲熱裝置就滿出力運(yùn)行，無棄風(fēng)時(shí)可用儲存熱量或其他供暖方式供暖，保證棄風(fēng)儲熱供暖方式順利實(shí)施；另一類是儲熱裝置獨(dú)立供暖，利用低谷時(shí)段儲熱，可供全天使用，這類負(fù)荷表面上利用的是低谷電，實(shí)際上，多數(shù)電量還是棄風(fēng)電量，只要電網(wǎng)調(diào)度在每天安排日前計(jì)劃時(shí)，充分考慮這部分負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力。

2.1 集中儲熱運(yùn)行原理

圖1 集中式儲熱系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of centralized heat storage system

安裝在發(fā)電廠處的集中式儲熱裝置原理如圖1所示，儲熱裝置通過220 kV/66 kV變壓器給儲熱裝置供電，儲熱裝置通常包括 4個(gè)單元，4個(gè)單元與電網(wǎng)相聯(lián)開關(guān)由遠(yuǎn)方電網(wǎng)調(diào)度控制；儲熱系統(tǒng)與熱電廠相聯(lián)開關(guān)由熱網(wǎng)調(diào)度控制。對電網(wǎng)而言，每投入一組開關(guān)，就相當(dāng)于減少發(fā)電廠上網(wǎng)電力PG，如式(8)所示：

其中儲熱裝置負(fù)荷PC可由式(9)表示：

如果儲熱裝置安裝在大型熱網(wǎng)處，分布式儲熱接線原理圖如圖2。

圖2 分布式儲熱接線原理圖Fig. 2 Principle diagram of distributed heat storage wiring

運(yùn)行原理同安裝在熱網(wǎng)處相近，只是儲熱改變的是負(fù)荷，如式(10)所示：

相當(dāng)于增加了負(fù)荷，給消納棄風(fēng)電提供空間。

2.2 分布式儲熱運(yùn)行原理

分布式安裝的儲熱裝置由于單獨(dú)供暖，其原理較簡單，電網(wǎng)給儲熱安排的優(yōu)惠電價(jià)開始時(shí)段就投入，退出有兩個(gè)條件：一是儲熱溫度達(dá)到上限，二是儲熱用電優(yōu)惠時(shí)段結(jié)束。這類負(fù)荷運(yùn)行時(shí)段固定在電價(jià)優(yōu)惠時(shí)段，大小就是儲熱額定功率，其原理如圖3所示。圖中曲線表示的是儲熱在電網(wǎng)低谷時(shí)段開始時(shí)刻啟動(dòng)，在儲熱裝置溫度達(dá)到運(yùn)行上限時(shí)退出，并且在低谷結(jié)束前再次啟動(dòng)補(bǔ)充儲熱量。

棄風(fēng)儲熱供暖核心問題是式(9)所描述的儲熱能力，如果儲熱容量足夠大，就能夠消納全部或大部分棄風(fēng)電量，大幅降低棄風(fēng)率；否則，仍有大量棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 分布式儲熱運(yùn)行原理圖Fig. 3 Principle diagram of distributed heat storage operation

3 棄風(fēng)儲熱供暖計(jì)算

棄風(fēng)儲熱供暖核心是確定棄風(fēng)電量與儲熱之間的關(guān)系、儲熱與供暖之間的關(guān)系。

3.1 棄風(fēng)電量與儲熱容量之間的關(guān)系

儲熱容量與儲熱功率之間一般是A倍關(guān)系，即儲熱裝置一天儲熱A小時(shí)，即可夠一天使用，則棄風(fēng)電量與儲熱容量關(guān)系如式(11)所示：

式中：Pcr表示儲熱總的功率；M 是一個(gè)取暖季天數(shù)。

根據(jù)式(11)即可計(jì)算棄風(fēng)電量Pq折算成的儲熱電功率Pcr。

3.2 棄風(fēng)電量與供暖面積之間的關(guān)系

已知棄風(fēng)電量Pq，其與供暖面積G的關(guān)系可以由式(12)確定：

式中：α1為單位電量標(biāo)準(zhǔn)煤耗；α1表示單位面積標(biāo)準(zhǔn)煤耗量。

4 數(shù)值分析

以北方某省2013—2017年數(shù)據(jù)為例，計(jì)算出2013—2017年年風(fēng)力發(fā)電量、棄風(fēng)電量、棄風(fēng)率、取暖季棄風(fēng)電量、棄風(fēng)率、取暖季低谷棄風(fēng)電量和低谷棄風(fēng)占比等數(shù)據(jù)，如表1所示。由表1可以看出，風(fēng)力發(fā)電量逐年增加，4年增加近50%，而棄風(fēng)率在2015年達(dá)到頂峰后，逐年下降，2017年降到10以下；取暖季棄風(fēng)占比較大，從2014年開始幾乎占到總棄風(fēng)的90%，而取暖季低谷棄風(fēng)占比卻不到70%，有幾乎40%的棄風(fēng)電量不在低谷時(shí)段，因此，棄風(fēng)儲熱關(guān)鍵是儲熱跟蹤棄風(fēng)，而不是固定時(shí)段的低谷。

表1 某省2013—2017年風(fēng)力發(fā)電、棄風(fēng)率、取暖季棄風(fēng)和低谷棄風(fēng)等數(shù)據(jù)表Tab. 1 Data sheet of wind power generation，abandoned wind rate, heating season abandoned wind and low valley abandoned wind in a province from 2013 to 2017

該省分布式儲熱容量 700 MW，電網(wǎng)調(diào)度直控儲熱970 MW，合計(jì)1670 MW，按照平均每天運(yùn)行5小時(shí)、一個(gè)取暖季150天計(jì)算，消納低谷或棄風(fēng)電量12.525億kW?h，與2017年全年棄風(fēng)電量12.09億kW?h接近。

12.09 億kW?h棄風(fēng)電可以為多少平米面積供暖，需要已知1α和2α，假設(shè)1α=0.34 kg?(kW?h)-1，2α=22 kg?m-2，則12.09億kW?h棄風(fēng)電量供暖面積為：12.09 億 kW?h×0.34kg?(kW?h)-1/22 kg?m-2≈1868萬m2。也就是說，12.09億kW?h棄風(fēng)電量可以為1868萬m2面積供暖。

在該省清潔供暖規(guī)劃中，到2020年，電采暖面積達(dá)到680萬 m2，而一年的棄風(fēng)電量就遠(yuǎn)超過規(guī)劃目標(biāo)。

表2給出由調(diào)度直接控制跟隨棄風(fēng)電量的儲熱匯總表，可以看出，2018年一季度儲熱電量就遠(yuǎn)大于2017年全年儲熱電量，而且低谷儲熱占比接近70%，其他時(shí)段也有大量投入。

圖4給出儲熱投入小時(shí)電量分布圖，可以看出，低谷時(shí)段投入較大，中午低谷投入量也有一定比例，這是因?yàn)楣夥B加所致。

表2 某省2017年全年和2018年一季度儲熱數(shù)據(jù)Tab. 2 Heat storage data for 2017 and the first quarter of 2018 in a province

圖4 儲熱投入小時(shí)電量分布圖Fig. 4 Hourly power distribution diagram of heat storage input

5 結(jié)論

重點(diǎn)研究了北方冬季棄風(fēng)電儲熱供暖計(jì)算方法，基于風(fēng)力發(fā)電量、取暖季棄風(fēng)電量和取暖季低谷棄風(fēng)電量實(shí)際數(shù)據(jù)，分析出取暖季棄風(fēng)電量占較大比例、取暖季低谷棄風(fēng)電量占比也較大，為棄風(fēng)電儲熱供暖提供依據(jù)；同時(shí)建立了棄風(fēng)電量、儲熱容量和供暖面積計(jì)算方法，為研究棄風(fēng)電儲熱供暖提供計(jì)算依據(jù)；通過實(shí)際案例驗(yàn)證了本文所提方法的正確性。