基于清潔供暖的多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理策略研究

李春來 朱慧敏 苑舜 施濤

摘 要：從促進(jìn)清潔能源消納的角度出發(fā)，在風(fēng)光儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)中引入清潔供暖，進(jìn)一步增加清潔能源的消納空間。在此基礎(chǔ)上，研究考慮清潔供暖的風(fēng)光儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理問題，提出一種以能源消費成本最小化為目標(biāo)的風(fēng)光儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理策略，并通過算例分析驗證了該策略的有效性。

關(guān)鍵詞：清潔供暖;多能互補(bǔ);能量管理;能量自平衡

0? ? 引言

近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用，我國清潔能源發(fā)電的裝機(jī)容量不斷增長。截至2019年底，全國風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2.1億kW，光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2.04億kW。與此同時，由于風(fēng)電、光伏發(fā)電受風(fēng)速、光照等自然資源和環(huán)境條件的影響，其出力呈現(xiàn)間歇性、隨機(jī)性和波動性的特征，受電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻以及輸送能力等因素的影響，在某些地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光限電問題，引起了社會各界的廣泛重視[1]。為了促進(jìn)清潔能源的消納，一方面基于功率預(yù)測技術(shù)的進(jìn)步提高風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電功率預(yù)測的精度;另一方面利用風(fēng)能、太陽能、電能、熱能等多種能源形式之間的轉(zhuǎn)化與互補(bǔ)特性構(gòu)建多能互補(bǔ)系統(tǒng)，拓展清潔能源的消納空間[2-3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種儲熱式供暖系統(tǒng)的簡化線性調(diào)度模型，并將其應(yīng)用到風(fēng)電供暖調(diào)度決策中，進(jìn)而提高風(fēng)電的消納水平。文獻(xiàn)[5]提出了一種光熱電站電加熱裝置功率優(yōu)化配置方法，并將其應(yīng)用到多能互補(bǔ)基地的配置方案中，有效減少了棄風(fēng)棄光電量。文獻(xiàn)[6]對基于多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)的基本理論和物理特性進(jìn)行了闡述，歸納總結(jié)了當(dāng)前多能互補(bǔ)系統(tǒng)生產(chǎn)優(yōu)化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文從促進(jìn)清潔能源消納的角度出發(fā)，研究考慮清潔供暖的多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理問題，提出一種以能源消費成本最小化為目標(biāo)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理策略，并通過算例分析驗證了該策略的有效性。

1? ? 清潔能源供暖原理模型

當(dāng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)所在區(qū)域的本地負(fù)荷較小，外送通道有限，風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電的理論發(fā)電量超出消納空間時，將會發(fā)生棄風(fēng)棄光限電現(xiàn)象。如果結(jié)合現(xiàn)有電網(wǎng)改造，將原來由燃煤供暖改造為電蓄熱鍋爐供暖，增大系統(tǒng)的負(fù)荷，則可以增加清潔能源發(fā)電的消納空間，減少棄風(fēng)棄光。圖1為棄風(fēng)棄光電量轉(zhuǎn)化為電蓄熱鍋爐供暖示意圖。

電蓄熱鍋爐作為清潔供暖的能量載體，其電熱轉(zhuǎn)換特性如下式所示：

Ceh·Ph=Phin+Phd? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

0≤Ph≤Phmax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，Ceh為電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，此處取1;Ph為電鍋爐用電功率;Phin為蓄熱罐蓄熱功率;Phd為電鍋爐直接供熱功率;Phmax為電鍋爐最大用電功率。

電鍋爐蓄熱過程需滿足蓄熱罐蓄熱容量和蓄/放熱功率的限制，即：

0≤Qhs≤Qhs，max? ? ? ? ? ? ?（3）

0≤Phin≤Phin，max? ? ? ?（4）

0≤Phout≤Phout，max? ? ? ? ? ? （5）

式中，Qhs為蓄熱罐儲熱量;Qhs，max為蓄熱罐儲熱容量;Phout為蓄熱罐放熱功率;Phin，max、Phout，max分別為蓄熱罐蓄熱和放熱功率最大值。

2? ? 能量管理優(yōu)化模型

2.1? ? 目標(biāo)函數(shù)

在風(fēng)光儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入清潔能源供暖設(shè)施，建立以多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)能源消費成本最小化為目標(biāo)的能量管理優(yōu)化模型，目標(biāo)函數(shù)如下所示：

min f=Pex，i·λi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，f為調(diào)度周期T內(nèi)的能源消費總成本;Pex，i為第i時刻多能互補(bǔ)系統(tǒng)供電區(qū)域與外部公共電網(wǎng)的電力交互功率（注入為正，流出為負(fù)）;λi為第i時刻外部公共電網(wǎng)的分時購售電價。

2.2? ? 約束條件

風(fēng)光儲多能互補(bǔ)系統(tǒng)需滿足電/熱功率平衡、儲能系統(tǒng)功率/容量限制等約束條件。

（1）電功率平衡約束：

PLe=PWG+PPV+Pes+Pex? ? ? ? ? ? （7）

式中，PLe為多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)的電力負(fù)荷;PWG為風(fēng)力發(fā)電功率;PPV為光伏發(fā)電功率;Pes為電池儲能放電功率;Pex為外部公共電網(wǎng)的注入功率。

（2）熱功率平衡約束：

PLh=Phd+Phout? ? ? ? ? ? （8）

式中，PLh為多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)的熱力負(fù)荷。

（3）電池儲能充/放電約束：

0≤|Pes|≤Pes，max? ? ? ? ? ? ?（9）

0≤|Ees|≤Ees，max? ? ? ?（10）

式中，Pes為電池充/放電功率;Pes，max為電池儲能設(shè)施充/放電功率上限;Ees為電池能量存儲狀態(tài);Ees，max為電池能量存儲空間上限。

（4）蓄熱設(shè)施蓄/放熱約束：

電鍋爐蓄熱設(shè)施蓄/放熱需滿足式（1）～（5）所規(guī)定的約束條件。

（5）聯(lián)絡(luò)線交互功率約束：

0≤|Pex|≤Pex，max? ? ? ? ?（11）

式中，Pex，max為聯(lián)絡(luò)線交互功率上限。

3? ? 算例分析

本文以某多能互補(bǔ)基地為例進(jìn)行分析。該基地內(nèi)包含光伏發(fā)電20 MW，風(fēng)力發(fā)電20 MW;儲能電池2 MW/2 MWh;電蓄熱式鍋爐10 MW，其蓄熱能力為2 MW/4 MW。某典型日00：00—24：00點電力負(fù)荷、熱力負(fù)荷以及光伏、風(fēng)電的功率預(yù)測數(shù)據(jù)如表1所示，其中，電力負(fù)荷不含電鍋爐的用電負(fù)荷。儲能系統(tǒng)初始能量狀態(tài)取20%額定容量。

外部公共電網(wǎng)的購售電價采取分時電價，充分發(fā)揮價格的杠桿作用，調(diào)動用戶自覺調(diào)整生產(chǎn)計劃，參與削峰填谷、均衡用能等需求側(cè)響應(yīng)的積極性，如表2所示。

基于上述功率預(yù)測信息，利用能量管理優(yōu)化模型求解可得多能互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方案。其中，光伏發(fā)電量131.18 MWh，全額消納;風(fēng)力發(fā)電量274.30 MWh，全額消納;外部公共電網(wǎng)供電量316.88 MWh。電鍋爐和蓄熱罐蓄/放熱計劃如圖2所示，總供熱負(fù)荷為144.43 MWh。通過電池儲能充放電和蓄熱罐蓄/放熱的靈活調(diào)節(jié)，實現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)整個調(diào)度周期內(nèi)的能源生產(chǎn)和消費成本最小化，即19.2萬元。

4? ? 結(jié)語

清潔供暖是當(dāng)前拓展清潔能源發(fā)電空間，提高清潔能源消納水平的重要舉措。本文在風(fēng)光儲多能互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入電蓄熱鍋爐系統(tǒng)，基于熱電負(fù)荷耦合特性，通過多能互補(bǔ)和協(xié)調(diào)優(yōu)化實現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)能源生產(chǎn)和消費成本最小化目標(biāo)。與此同時，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的配置方案并不局限于清潔供暖、儲電蓄熱等形式，下一步將重點研究風(fēng)電制氫、冷熱電聯(lián)產(chǎn)等多能耦合條件下的能量管理策略問題，為清潔能源的規(guī)?；_發(fā)和高效利用提供技術(shù)支撐。

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收稿日期：2020-03-11

作者簡介：李春來（1980—），男，遼寧朝陽人，高級工程師，從事風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。