計(jì)及冰蓄冷系統(tǒng)熱力特性的電熱綜合調(diào)度效果分析

郝 玲，徐 飛，魏名山，姜 拓，康慧芳，閔 勇，劉育明，陳令特

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 清華大學(xué) 電機(jī)系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123)

0 引 言

在西南地區(qū)水電資源最為豐富，每年6～10月存在大量富余的省際水電無法完全消納[1]，同時(shí)，每年6～10月的豐水期與夏季空調(diào)供應(yīng)時(shí)段相重合，一方面是豐水期水資源過剩造成的水電資源白白流失，而另一方面是空調(diào)供應(yīng)是拉動(dòng)夏季電量增長的主要因素，這就造成了一種窘境：白天用電高峰期，空調(diào)用電負(fù)荷極大地增加了用電高峰電網(wǎng)容量，而夜間用電低谷期，豐水期充沛的水電被白白浪費(fèi).

電力系統(tǒng)的學(xué)者多從電力需求側(cè)管理的角度對分散式冰蓄冷消納低谷富余電量的效果進(jìn)行研究[2]. 通過將冰蓄冷技術(shù)應(yīng)用到區(qū)域供冷系統(tǒng)，并通過實(shí)時(shí)低谷電價(jià)機(jī)制，引導(dǎo)用戶在低谷時(shí)期將電能轉(zhuǎn)換為冷量儲(chǔ)存在固態(tài)冰中，將白天高峰時(shí)期的大量冷負(fù)荷平移至低谷時(shí)段，實(shí)現(xiàn)削峰填谷、促進(jìn)低谷可再生能源消納的目的[3-5]. 徐永鋒[6]提出利用戶式獨(dú)立的光伏蓄電池驅(qū)動(dòng)冰蓄冷，以促進(jìn)分布式光伏利用的方案. 然而分散式冰蓄冷空調(diào)難以對冷負(fù)荷聚合，對大規(guī)模消納可再生能源的作用十分有限[7-8]. 且水電僅可被城市電力調(diào)度系統(tǒng)調(diào)控，單純的需求側(cè)管理難以實(shí)現(xiàn)對電力供應(yīng)主體的優(yōu)化分配[9-10]. 若要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)冷與風(fēng)電、光伏等的互動(dòng)，必須將儲(chǔ)冷作為新的約束納入城市電力調(diào)度系統(tǒng)，并建立儲(chǔ)冷裝置與調(diào)度系統(tǒng)的通訊渠道，使其可接收來自調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)時(shí)指令，從供給側(cè)管理的角度大規(guī)模消納電網(wǎng)可再生能源.

本文對與之相關(guān)的研究進(jìn)行回顧，初步提出利用管網(wǎng)熱慣性及冰蓄冷單獨(dú)或協(xié)同促進(jìn)夏季可再生能源消納的研究框架. 在空調(diào)系統(tǒng)與電網(wǎng)的電-熱綜合能源系統(tǒng)的統(tǒng)一模型基礎(chǔ)上，建立聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)、區(qū)域供冷系統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)度模型，研究在保證用戶電、冷需求滿足要求的前提下，將空調(diào)系統(tǒng)的熱力模型耦合入現(xiàn)有電力系統(tǒng)調(diào)度模型中，實(shí)現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)化.

1 熱電聯(lián)合調(diào)度模型的提出

為實(shí)現(xiàn)供給側(cè)與需求側(cè)的良性匹配，本文研究將儲(chǔ)冷應(yīng)用于區(qū)域供冷系統(tǒng)中，儲(chǔ)冷直接參與電力系統(tǒng)調(diào)度，再通過對冰蓄冷、區(qū)域供冷系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行控制，提升可再生能源消納的技術(shù)方案.

具體思路為在夏季水電富集區(qū)域利用大型冰蓄冷系統(tǒng)與區(qū)域性供冷系統(tǒng)，提高電網(wǎng)低谷水電利用率. 將儲(chǔ)冷模塊納入城市電力調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷負(fù)荷、儲(chǔ)冷與水電的互動(dòng). 對于大型冰蓄冷系統(tǒng)，在低谷水電富余時(shí)，通過電熱綜合調(diào)度調(diào)動(dòng)多余低谷水電，并利用該部分水電進(jìn)行儲(chǔ)冰，既滿足供冷需求，又拉動(dòng)低谷水電出力增長； 在次日的非谷電時(shí)段，通過融冰釋冷補(bǔ)充供冷，故該時(shí)段的制冷用電減少. 對于區(qū)域性供冷系統(tǒng)，利用供冷系統(tǒng)管網(wǎng)中水的熱慣性，在低谷水電富余時(shí)，通過電熱綜合調(diào)度調(diào)動(dòng)多余低谷水電，并利用該部分水電為集中供冷系統(tǒng)進(jìn)行蓄冷，而由于供冷系統(tǒng)管網(wǎng)熱慣性導(dǎo)致的溫度降低延遲，次日的非谷電時(shí)段冷水送達(dá)用戶，為冷用戶提供冷量，降低非谷電時(shí)段制冷用電. 由于通過調(diào)度提高了水電出力，而降低相應(yīng)時(shí)段的火電出力，可減少標(biāo)準(zhǔn)煤耗量及碳排放量等，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏. 大型冰蓄冷系統(tǒng)提高電網(wǎng)低谷水電利用率的電熱調(diào)度綜合方案的整體示意圖如圖1 所示.

圖1 利用冰蓄冷系統(tǒng)提高電網(wǎng)低谷水電利用率的電熱調(diào)度綜合方案Fig.1 The scheme of combined power and thermal dispatching to improve the hydropower accommodation during off-peak periods based ice storage system

2 考慮冰蓄冷系統(tǒng)熱力學(xué)特性的電熱調(diào)度

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)冰與水電的聯(lián)動(dòng)，通過調(diào)度系統(tǒng)調(diào)動(dòng)低谷水電進(jìn)行儲(chǔ)冰，需將冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的冷源模型、管網(wǎng)模型融入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng). 建立考慮冰蓄冷冷源運(yùn)行特性及管網(wǎng)被動(dòng)儲(chǔ)能特性的電熱綜合調(diào)度模型，研究增加冰蓄冷及供冷管網(wǎng)調(diào)節(jié)對水電消納的影響. 在保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行約束、在發(fā)電廠安全運(yùn)行約束、電網(wǎng)容量等約束下，實(shí)現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)的獨(dú)立優(yōu)化.

建立考慮冰蓄冷外特性的電熱綜合調(diào)度模型，通過調(diào)度系統(tǒng)調(diào)動(dòng)低谷水電進(jìn)行儲(chǔ)冰，使得低谷水電出力的增量為儲(chǔ)冰用電量，使非谷電時(shí)段火電出力下調(diào)值為該時(shí)段的冷負(fù)荷降低值，從而達(dá)到削減非谷電時(shí)段的火電，提升低谷時(shí)段水電的目的. 蓄冷量決定了水電廠出力、火電廠出力、節(jié)煤量、用戶側(cè)運(yùn)行費(fèi)用減少值，通過電熱調(diào)度系統(tǒng)控制蓄冷量可直接影響低谷水電提升及環(huán)境保護(hù)的實(shí)施效果. 在發(fā)電廠安全運(yùn)行約束、電網(wǎng)容量約束下，實(shí)現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)化.

目標(biāo)函數(shù)的選取上，以電力系統(tǒng)中水電廠最小化棄水作為一級優(yōu)化目標(biāo)，以電力系統(tǒng)中火電廠最小化煤耗作為二級優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建棄水消納的統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù). 考慮的約束包括：電力系統(tǒng)運(yùn)行約束函數(shù)、電力系統(tǒng)機(jī)組特性約束函數(shù)，以及冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行約束函數(shù)等.

基于電力系統(tǒng)中水電廠個(gè)數(shù)、每個(gè)水電廠的最大發(fā)電泄水量及水電廠在調(diào)度周期內(nèi)各個(gè)時(shí)段的泄水流量，以水電廠最小化棄水作為一級優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建一級優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

(1)

基于電力系統(tǒng)中火電廠個(gè)數(shù)、每個(gè)火電廠的煤耗因子及火電廠在調(diào)度周期內(nèi)各個(gè)時(shí)段的出力. 以最小化煤耗作為二級優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建二級優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

(2)

式中：Nthm為火電廠個(gè)數(shù)；Nhy為第i個(gè)火電廠的煤耗因子；γi為第i個(gè)火電廠在調(diào)度周期內(nèi)第t個(gè)時(shí)段的出力. 在本實(shí)施例中，火電廠煤耗同電出力間滿足二次方關(guān)系.

統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)為

(3)

式中：ε為一、二級優(yōu)化目標(biāo)的耦合因子.ε通常取值較小，例如10-6. 當(dāng)存在棄水時(shí)，由于很小，則優(yōu)化問題主要滿足一級優(yōu)化目標(biāo)，二級優(yōu)化目標(biāo)幾乎不起作用. 而當(dāng)不存在棄水時(shí)，則目標(biāo)函數(shù)中第一項(xiàng)為0，則優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)槎墐?yōu)化目標(biāo).

2.1 電力系統(tǒng)約束

2.1.1 功率平衡約束

由于電力系統(tǒng)需要滿足實(shí)時(shí)的功率平衡，從發(fā)電角度包括火電廠、水電廠的出力，從用電角度包括常規(guī)電負(fù)荷一級冰蓄冷電負(fù)荷，因此，在本實(shí)施例中，電力系統(tǒng)功率平衡約束為

(4)

2.1.2 線路容量約束

(5)

2.1.3 火電機(jī)組出力約束

由于火電機(jī)組的出力調(diào)節(jié)速率有限，且火電存在固定容量，火電機(jī)組出力介于最小機(jī)組出力與最大機(jī)組出力之間，因此，火電機(jī)組運(yùn)行特性約束為

(6)

2.1.4 爬坡約束

(7)

2.1.5 水電機(jī)組運(yùn)行約束

水電機(jī)組的出力主要取決于水頭高度，同時(shí)水頭高度的下降同泄水流量程成正比，則水電機(jī)組運(yùn)行特性約束為

(8)

2.2 熱力系統(tǒng)約束

2.2.1 供冷平衡約束

增加儲(chǔ)冰裝置后，全天各時(shí)刻的冷負(fù)荷由制冷機(jī)組及融冰釋冷供冷，即制冷量的增量為儲(chǔ)冰用電量與融冰所致節(jié)省電量之差.

(9)

式中：Pice,t,Pmelt,t,Pcdmd,t分別表示冰蓄冷空調(diào)在時(shí)刻t的儲(chǔ)冰量與融冰量.

功率平衡約束可改寫為

(10)

2.2.2 儲(chǔ)融冰平衡約束

儲(chǔ)冰周期為1 d，則夜間谷電時(shí)段的儲(chǔ)冰量理論上應(yīng)與次日非谷電時(shí)段的融冰量相等，可寫為

(11)

2.2.3 儲(chǔ)冷損失約束

若考慮儲(chǔ)冰過程的漏熱損失，漏熱系數(shù)的變化范圍通常在0.05～0.08之間，在此取值0.06，則全天儲(chǔ)冰量與次日可用于釋冷的融冰量滿足約束

(12)

2.2.4 最大儲(chǔ)冰量約束

儲(chǔ)冰量不大于儲(chǔ)冰單元最大儲(chǔ)冷容量Pice,max.

Pice,t≤Pice,max.

(13)

2.2.5 最大融冰量約束

儲(chǔ)冰模式分為全量蓄冰、半量蓄冰兩種，全天融冰量之和應(yīng)當(dāng)小于非谷電時(shí)段的總冷負(fù)荷

(14)

2.2.6 管網(wǎng)熱量輸運(yùn)約束

對于管道中的熱量輸運(yùn)過程，應(yīng)用能量守恒定律可得

(15)

式中：ρ,cp和λ分別為密度、定壓比熱容和水的熱導(dǎo)率；T為溫度；U為水速度矢量；τ為時(shí)間. 如式(14)所示，由于流體運(yùn)動(dòng)和熱傳導(dǎo)，焓的增加等于凈入流熱通量.

假設(shè)同一橫截面上的流體溫度相同,只考慮水溫隨著縱向方向x和時(shí)間τ的變化，將式(14)簡化為一維形式

(16)

式中：A和D分別為截面面積和直徑；U為水平速度；k為水與周圍土壤的傳熱系數(shù)；Ts為土壤溫度. 如式(14)所示，左邊的第一項(xiàng)表示水所儲(chǔ)存的焓變，第二項(xiàng)表示由于傳導(dǎo)而產(chǎn)生的凈熱流，第三項(xiàng)是流體流動(dòng)伴隨的凈熱流，第四項(xiàng)是對周圍土壤的熱損失.

3 實(shí)施效果分析

為驗(yàn)證該調(diào)度模型的有效性，選取3個(gè)火電廠、1個(gè)水電廠為調(diào)度對象，火電廠的機(jī)組參數(shù)特性如表 1 所示. 水電廠的最大發(fā)電量數(shù)據(jù)如表 2 所示.

表 1 火電廠的機(jī)組參數(shù)特性

表 2 水電廠的最大發(fā)電量數(shù)據(jù)

對某地區(qū)用電負(fù)荷進(jìn)行調(diào)研，假設(shè)該地區(qū)可改造為冰蓄冷的制冷用電量占總制冷用電量的比例為10%，設(shè)中央空調(diào)平均能效比為5.0，據(jù)此得到某地區(qū)典型日可調(diào)節(jié)逐時(shí)制冷量，如圖2 所示. 該區(qū)域的全天逐時(shí)用電負(fù)荷如表 3 所示.

圖2 某地區(qū)典型日全天逐時(shí)可調(diào)節(jié)冷量曲線Fig.2 Hourly adjustable cooling load curve of the whole typical summer day

時(shí)刻1:002:003:004:005:006:007:008:00水電出力1 1361 0741 031997970951903967時(shí)刻9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00水電出力1 1641 2851 3841 4521 4621 4501 4421 426時(shí)刻17:0018:0019:0020:0021:0022:0023:000:00水電出力1 3651 2941 3251 4141 4221 3571 2831 197

在供冷管網(wǎng)傳輸環(huán)節(jié)，以長3.3 km、內(nèi)徑0.5 m、外徑0.529 m的管道為研究對象，管壁為鋼材質(zhì)，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)100 W/(m2·K). 絕緣層采用聚氨酯的熱導(dǎo)率0.023 W/(m2·K)和外直徑0.655 m. 水流速度為1 m/s. 土壤溫度、初始溫度和入口水溫度分別為20 ℃, 30 ℃和7 ℃. 時(shí)間步長Δτ和空間步長Δx分別設(shè)定在1 s和5 m. 采用等效熱電比擬方法新三角變換方法求解供冷管道出口溫度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3 所示. 由圖3 可得，管道中的冷凍水輸運(yùn)延遲時(shí)間約為3 600 s，即1 h，沿途溫度升高0.04 ℃.

根據(jù)第2節(jié)提出的優(yōu)化調(diào)度模型，對以上案例進(jìn)行計(jì)算. 為研究儲(chǔ)冰特性、管網(wǎng)特性對電力調(diào)度的影響，分別建立不增加儲(chǔ)冰裝置的調(diào)度、僅考慮儲(chǔ)冰特性的電熱調(diào)度、同時(shí)考慮儲(chǔ)冰與管網(wǎng)特性的電熱調(diào)度三種情景下的電力調(diào)度模型，并對調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對比分析. 電出力曲線及儲(chǔ)融冰規(guī)律如圖4～圖11 所示.

圖3 供冷管道出口溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation of the outlet temperature with the time

圖4 含儲(chǔ)冰時(shí)的火電廠1電出力對比圖Fig.4 Comparisons of the electrical output for the thermal power plant 1

圖5 含儲(chǔ)冰時(shí)的火電廠2電出力對比圖Fig.5 Comparisons of the electrical output for the thermal power plant 2

圖4～圖6 為將儲(chǔ)冰納入電力調(diào)度后與不將儲(chǔ)冰納入電力調(diào)度時(shí)的各火電廠出力曲線對比圖，圖7 為將儲(chǔ)冰納入電力調(diào)度后與不將儲(chǔ)冰納入電力調(diào)度時(shí)的火電廠出力總和曲線對比圖，結(jié)果表明，非谷電時(shí)段的火電出力下降明顯，這是由于前一天夜間儲(chǔ)存的冰在次日非谷電時(shí)段融冰釋冷，用戶制冷用電負(fù)荷明顯降低.

圖6 含儲(chǔ)冰時(shí)的火電廠3電出力對比圖Fig.6 Comparisons of the electrical output for the thermal power plant 3

圖7 含儲(chǔ)冰時(shí)的火電廠出力總和Fig.7 Comparisons of the electrical output for all three thermal power plants

在水電消納量最大的調(diào)度原則下，低谷水電出力的增量為儲(chǔ)冰用電量，非谷電時(shí)段火電出力下調(diào)值為融冰釋冷節(jié)省的電量. 實(shí)現(xiàn)削減非谷電時(shí)段的火電，提升低谷時(shí)段水電的目的.

圖8 為將儲(chǔ)冰納入電力調(diào)度后的全天逐時(shí)儲(chǔ)冷量及融冰釋冷量調(diào)度結(jié)果.

圖8 8月典型日儲(chǔ)冷量/融冰釋冷量逐時(shí)變化曲線Fig.8 The hourly storage and released cooling capacity curves on the typical day in August

結(jié)果表明，儲(chǔ)冷僅發(fā)生在夜間低谷時(shí)段，而融冰釋冷僅發(fā)生在白天峰電及平電時(shí)段. 表明該調(diào)度模型可根據(jù)水電來源特性實(shí)現(xiàn)對冰蓄冷控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié).

圖9 和圖10 分別為同時(shí)將冰蓄冷與管網(wǎng)運(yùn)行特性納入電力調(diào)度后的全天逐時(shí)儲(chǔ)冷量及融冰釋冷量調(diào)度結(jié)果. 結(jié)果表明，與僅考慮冰蓄冷運(yùn)行特性的調(diào)度結(jié)果類似地，此時(shí)儲(chǔ)冷僅發(fā)生在夜間低谷時(shí)段，而融冰釋冷僅發(fā)生在白天峰電及平電時(shí)段. 二者的不同之處在于，加入管網(wǎng)延遲后，儲(chǔ)冰量與融冰量隨之延遲，這是由于管網(wǎng)的熱慣性導(dǎo)致冷量從冷源到熱用戶具有延遲作用. 本文選用的管網(wǎng)僅為3.3 km，在實(shí)際區(qū)域供冷系統(tǒng)中，管道傳輸距離更長，在調(diào)度中考慮管網(wǎng)熱量輸運(yùn)特性顯得十分必要，該調(diào)度模型的提出對未來實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義.

圖9 8月典型日儲(chǔ)冷量對比曲線Fig.9 The hourly storage cooling capacity curve on the typical day in August

圖10 8月典型日融冰釋冷量對比曲線Fig.10 The hourly released cooling capacity curve on the typical day in August

圖11 表示水電出力限額與不同調(diào)度情景下的水電出力結(jié)果，三種情景分別為不增加儲(chǔ)冰裝置的調(diào)度、僅考慮儲(chǔ)冰特性的電熱調(diào)度、同時(shí)考慮儲(chǔ)冰與管網(wǎng)特性的電熱調(diào)度. 可以看出，當(dāng)電力調(diào)度中不考慮大型冰蓄冷裝置特性時(shí)，即現(xiàn)有調(diào)度模型下，夜間水電棄水嚴(yán)重，如圖中虛線所示. 而在調(diào)度中考慮儲(chǔ)冰特性后，無論是否考慮管網(wǎng)特性，夜間水電出力都呈現(xiàn)增大趨勢，由現(xiàn)在的夜間棄水改善為零棄水，實(shí)現(xiàn)低谷水電的完全消納. 在城市電力調(diào)度中考慮儲(chǔ)冰與管網(wǎng)特性后的水電出力曲線與水電限額曲線重合. 因此，增加大型冰蓄冷裝置并將其納入電力調(diào)度系統(tǒng)在促進(jìn)夜間水電消納、提升低谷電力市場開發(fā)方面具有顯著作用.

4 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)冰與水電的聯(lián)動(dòng)，通過調(diào)度系統(tǒng)調(diào)動(dòng)低谷水電進(jìn)行儲(chǔ)冰，需將冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的冷源模型、管網(wǎng)模型融入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng). 在保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行約束、在發(fā)電廠安全運(yùn)行約束、電網(wǎng)容量等約束下，實(shí)現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)的獨(dú)立優(yōu)化.

分別建立三種情景下的電力調(diào)度模型，并對調(diào)度結(jié)果進(jìn)行對比分析. 三種情景分別為不增加儲(chǔ)冰裝置的調(diào)度、僅考慮儲(chǔ)冰特性的電熱調(diào)度、同時(shí)考慮儲(chǔ)冰與管網(wǎng)特性的電熱調(diào)度. 結(jié)果表明，增加大型冰蓄冷裝置并將其納入電力調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)夜間低谷水電零棄水，其在促進(jìn)夜間水電消納、提升低谷電力市場開發(fā)方面具有顯著作用.