儲(chǔ)熱融合儲(chǔ)能的風(fēng)電消納優(yōu)化控制

摘要：我國(guó)的北方地區(qū)有大量的平原，這些地區(qū)的風(fēng)能資源非常豐富，國(guó)家因地制宜開發(fā)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，使風(fēng)電的裝機(jī)容量達(dá)到了世界首位。然而在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)如火如荼建設(shè)的過程中，也出現(xiàn)了風(fēng)電棄風(fēng)的現(xiàn)象，為了有效地對(duì)資源進(jìn)行充分利用，逐步解決風(fēng)電消納問題，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的相關(guān)研發(fā)人員提出了熱儲(chǔ)熱熔和儲(chǔ)能的風(fēng)電消納方案。本文重點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)熱融合儲(chǔ)能的風(fēng)電消納優(yōu)化控制方案進(jìn)行分析研究，以供參考。

Abstract： There are a large number of plains in the northern region of China. These regions are rich in wind energy resources. The country develops wind power industry according to local conditions， making the installed capacity of wind power the world's first. However， as the wind power industry is in full swing， the phenomenon of wind power abandonment has also appeared. In order to make full use of resources effectively and gradually solve the problem of wind power consumption， relevant R&D personnel in China's wind power industry have proposed a wind power absorption plan for thermal storage， thermal melting and energy storage. This article focuses on the analysis and research of optimized control schemes for wind power consumption based on heat storage and energy storage for reference.

關(guān)鍵詞：風(fēng)電消納;管理;優(yōu)化;儲(chǔ)熱融合儲(chǔ)能;控制

Key words： wind power consumption;management;optimization;heat storage and energy storage;control

中圖分類號(hào)：TM614 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）30-0163-02

1 ?我國(guó)風(fēng)電發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題

風(fēng)光電熱儲(chǔ)綜合利用系統(tǒng)主要是分析風(fēng)電以及太陽能等資源的規(guī)律，與實(shí)際情況相結(jié)合，對(duì)太陽能、風(fēng)能等資源進(jìn)行綜合化的利用，在實(shí)踐當(dāng)中獲得了很好的效果，具有較好的應(yīng)用前景。當(dāng)前人們?cè)谶M(jìn)行電力系統(tǒng)構(gòu)建方面，越來越重視風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，在實(shí)踐當(dāng)中應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。造成限電棄風(fēng)的原因很多，需要進(jìn)行系統(tǒng)化地分析，主要在于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不合理，在運(yùn)行過程中系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電主要的區(qū)域在三北地區(qū)，也就是西北地區(qū)、東北地區(qū)和華北地區(qū)，電力能源結(jié)構(gòu)依舊以燃煤發(fā)電的純凝式機(jī)組為主。這種機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的主要問題在于調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)，而且冬季在供熱的過程中，機(jī)組主要使用的是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，在運(yùn)行的過程中會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步下降，造成嚴(yán)重的棄風(fēng)問題。這些棄風(fēng)問題會(huì)導(dǎo)致風(fēng)能的大量浪費(fèi)，供熱機(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組往往處于滿負(fù)荷工作的狀態(tài)，通過以熱定電的方式進(jìn)行運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，無法保證足夠的調(diào)節(jié)能力，如果遇上風(fēng)電大發(fā)電，往往只能通過汽封等方式對(duì)電力需求進(jìn)行平衡。另外，風(fēng)力發(fā)電具有一定的季節(jié)性，在冬季往往出力較高，而且具有夜高晝低的反調(diào)峰特性，這就造成風(fēng)電消納時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重問題，導(dǎo)致棄風(fēng)問題出現(xiàn)。因此合理對(duì)風(fēng)電消納方案進(jìn)行研究，讓風(fēng)電消納的能力提高，顯得越來越重要。

2 ?儲(chǔ)熱融合儲(chǔ)能的風(fēng)電消納優(yōu)化控制

2.1 目標(biāo)函數(shù)

對(duì)蓄熱能和儲(chǔ)能的風(fēng)電消納優(yōu)化控制方案進(jìn)行分析，需要注意合理進(jìn)行儲(chǔ)熱、儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建，合理進(jìn)行風(fēng)電消納，并且重視約束條件的控制。約束條件主要包含了電鍋爐功率約束、合約約束、消納棄風(fēng)約束以及儲(chǔ)能儲(chǔ)熱裝置能量約束等。在本次研究過程中，蓄熱式電鍋爐融合儲(chǔ)能的優(yōu)化控制方案，主要是對(duì)季風(fēng)進(jìn)行消納和控制為主的，需要注意在各個(gè)時(shí)刻風(fēng)電廠向電網(wǎng)公司出售的棄風(fēng)發(fā)電量需要低于風(fēng)電場(chǎng)的總風(fēng)量，在優(yōu)化的過程中與實(shí)際情況相結(jié)合，依照不同合約的條件合理地對(duì)合約約束進(jìn)行選擇，保證蓄熱罐每一時(shí)間段的蓄熱量符合實(shí)際運(yùn)行需求。

2.2 改進(jìn)粒子群算法

粒子群算法主要使用群體個(gè)體自身經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)來對(duì)行為策略進(jìn)行修正，最終獲得最優(yōu)解粒子群算法。在運(yùn)行過程中容易進(jìn)行編程，而且原理簡(jiǎn)單。在實(shí)際操作時(shí)，可以進(jìn)行并行計(jì)算，應(yīng)用非常廣泛。早期使用時(shí)也會(huì)出現(xiàn)早熟、收斂的問題，因此需要注意在面對(duì)多極值優(yōu)化方面，合理進(jìn)行改進(jìn)。粒子群改進(jìn)算法是多年優(yōu)化后的結(jié)果，主要是一種具有全局收斂性的改進(jìn)算法，是一種全局改進(jìn)算法。在運(yùn)行過程中，可以隨機(jī)進(jìn)行理論分析，獲得最優(yōu)解。

3 ?仿真分析

3.1 風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

我國(guó)吉林地區(qū)的供熱器主要維持在174天，而東北地區(qū)在冬季供熱的時(shí)候棄風(fēng)的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。下面以吉林地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，將供熱期進(jìn)行分段，前一個(gè)月和后一個(gè)月設(shè)定為供熱期的初期和供熱期的末期，區(qū)域時(shí)間段設(shè)定為供熱期的中期，對(duì)供熱期的典型數(shù)值進(jìn)行評(píng)估，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)。在秋季的風(fēng)電平均出力可以達(dá)到71.31MW，而冬季時(shí)能夠達(dá)到80.9MW。在春季時(shí)為99.61MW。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)電出力的季節(jié)性非常明顯，對(duì)負(fù)荷功率進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)最高的負(fù)荷功率出現(xiàn)在早上7：00～10：00以及晚上的5：00～9：00之間，由此可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)電出力的反調(diào)峰性非常明顯。

3.2 算例分析

對(duì)供熱周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨機(jī)抽出一天的實(shí)測(cè)數(shù)值，通過蓄熱式電鍋爐消納風(fēng)電，在傳統(tǒng)方式運(yùn)行過程中，晚間的電鍋爐運(yùn)行較為穩(wěn)定，功率一般在30兆瓦上下，生成的熱量一部分用于進(jìn)行供熱，另一部分在儲(chǔ)熱罐當(dāng)中存儲(chǔ)。另外在上午5：00到晚間22：00時(shí)將其放空。每天消納的棄風(fēng)量為204.74MW·h，功率相對(duì)較低。蓄熱式電鍋爐融合儲(chǔ)能的聯(lián)合系統(tǒng)能夠有效地將風(fēng)電電量消納，供熱功率一般維持在16.68MW到33.36MW，通過蓄熱絨和儲(chǔ)熱方式進(jìn)行風(fēng)電的消納，在實(shí)際操作時(shí)運(yùn)行如圖1、圖2、圖3所示。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在凌晨0：00～2：00之間棄風(fēng)功率比直供上限高，鍋爐主要在供熱上限功率的狀態(tài)下運(yùn)行。蓄熱罐除了功率和電池充電功率均為正，蓄熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)和電池儲(chǔ)電量隨時(shí)間的增加而逐步上升，在凌晨3：00～4：00以及上午8：00～9：00這兩個(gè)時(shí)間段，系統(tǒng)主要以棄風(fēng)功率值供熱。在運(yùn)行過程中，儲(chǔ)熱系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量沒有較大變化，而對(duì)圖4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，9：00～11：00之間以及14：00～15：00之間的棄風(fēng)功率比直供功率下限低。在此過程中，儲(chǔ)熱罐和儲(chǔ)能電池處于釋放能量的狀態(tài)，電鍋爐以棄風(fēng)功率進(jìn)行運(yùn)行，而夜間19：00～21：00的時(shí)間段，除了系統(tǒng)當(dāng)中的儲(chǔ)熱量過低，為了確保系統(tǒng)供熱的可靠性，防止下一時(shí)間段出現(xiàn)供熱不足的問題。因此在滿足直供熱下限的條件下，來進(jìn)行儲(chǔ)油罐儲(chǔ)熱。

在運(yùn)行過程中，使用蓄熱式電鍋爐融合儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)優(yōu)化辦法，來對(duì)消納的風(fēng)電進(jìn)行控制，在使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行控制時(shí)，系統(tǒng)24小時(shí)的棄風(fēng)量能夠達(dá)到649.79MW·h，而使用新型混合系統(tǒng)之后，棄風(fēng)量大幅度減少只有24.71MW·h，能夠減少大量的棄風(fēng)電能，相比于傳統(tǒng)的運(yùn)行控制模式，該系統(tǒng)可以有效地對(duì)棄風(fēng)電能進(jìn)行消納。

3.3 收益分析

通過改進(jìn)粒子群算法來求解目標(biāo)函數(shù)，分析混合系統(tǒng)運(yùn)行過程中各時(shí)間段的收益情況，具體如圖5所示，由圖中數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，在多個(gè)時(shí)刻都出現(xiàn)了棄風(fēng)功率達(dá)到直供熱上限等情況，收益走勢(shì)和棄風(fēng)功率情況一致，與實(shí)際情況類似。由此可以發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)優(yōu)化的過程中，棄風(fēng)電量非常關(guān)鍵，是對(duì)混合系統(tǒng)實(shí)時(shí)收益產(chǎn)生影響的一個(gè)重要因素。

4 ?結(jié)束語

本文主要對(duì)棄風(fēng)問題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化控制方案，利用蓄熱式電鍋爐對(duì)風(fēng)電進(jìn)行消納的方式，相比于傳統(tǒng)消納風(fēng)電的方式，能夠大幅度提升效率，提高總收益，是未來電力系統(tǒng)發(fā)展過程中的一個(gè)重要方向。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：鄭瑜（1981-），男，山東聊城人，中級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮由虅?wù)。