風(fēng)電最大化消納的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合優(yōu)化控制

劉丁赫，馬 聰，王 勇

(1. 太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西省 太原市 030024；2.華電國(guó)際電力股份有限公司天津開(kāi)發(fā)區(qū)分公司，天津市 濱海新區(qū) 300270)

0 引言

提高清潔能源利用比例是我國(guó)重要的能源發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)家能源局提出到2050年非化石能源的利用比例超過(guò)50%，并預(yù)計(jì)在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。近年來(lái)我國(guó)的風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源利用比例逐年提高，但由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等具有隨機(jī)性、間歇性、出力變化快等特點(diǎn)，其大規(guī)模的集中并網(wǎng)增加了電網(wǎng)的調(diào)峰難度[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年上半年，全國(guó)風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)632萬(wàn) kW，其中陸上風(fēng)電新增裝機(jī)526萬(wàn) kW、海上風(fēng)電新增裝機(jī)106萬(wàn) kW。截止6月底，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.17億 kW，其中陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.1億 kW、海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)699萬(wàn) kW。雖然通過(guò)政府、電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的共同協(xié)調(diào)，棄風(fēng)問(wèn)題得到了一定程度的緩解，但在個(gè)別省份棄風(fēng)率超過(guò)10%[2]。風(fēng)電滲透率迅速增加，其消納已經(jīng)成為影響我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)出現(xiàn)的棄風(fēng)問(wèn)題主要原因包括兩個(gè)方面：一方面，電源結(jié)構(gòu)不合理，具備靈活調(diào)節(jié)能力的電源比例明顯不足，存在調(diào)峰困難，尤其在冬季供暖期，供熱機(jī)組總量大、比例高，“以熱定電”的運(yùn)行模式進(jìn)一步降低了調(diào)節(jié)能力，棄風(fēng)限電形勢(shì)嚴(yán)峻；另一方面，當(dāng)?shù)仉娯?fù)荷總量小，風(fēng)電遠(yuǎn)距離輸送受到阻礙，造成了較大的棄風(fēng)[3-5]。為了有效地消納風(fēng)電，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。目前主要通過(guò)積極推進(jìn)電儲(chǔ)能參與調(diào)峰[6]、供熱機(jī)組靈活性提升改造等方式[7]；采用風(fēng)電儲(chǔ)能混合系統(tǒng)改善風(fēng)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性[8-9]；同時(shí)也采用結(jié)合電鍋爐進(jìn)行供熱的解決措施[10]。

目前的研究大都單獨(dú)考慮了電儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐對(duì)于消納棄風(fēng)的作用，較少對(duì)三者聯(lián)合運(yùn)行的棄風(fēng)消納效果進(jìn)行分析討論[11]。本文針對(duì)于以上問(wèn)題，提出組合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、海上風(fēng)電、電鍋爐和儲(chǔ)熱的耦合系統(tǒng)，比較風(fēng)火耦合、結(jié)合電鍋爐以及結(jié)合儲(chǔ)熱的3種運(yùn)行模式下，系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行特性以及其對(duì)于風(fēng)電消納比例的影響。

1 風(fēng)電消納的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

通過(guò)在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組側(cè)配置儲(chǔ)熱裝置，能達(dá)到解耦熱電耦合特性的目的，提高電力系統(tǒng)優(yōu)化配置能力，增強(qiáng)電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力[12-14]。本文建立了基于最大化風(fēng)電消納的綜合協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。綜合系統(tǒng)中包含熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.1 燃煤純凝機(jī)組模型

燃煤純凝機(jī)組采用蒸汽朗肯循環(huán)的運(yùn)行模式，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中不對(duì)外供熱，因此描述燃煤純凝機(jī)組的模型直接采用輸出電功率來(lái)表示，其發(fā)電燃料成本以發(fā)電功率的二次式形式來(lái)表示，如式(1)所示：

(1)

式中：fG為發(fā)電成本；T為運(yùn)行總時(shí)段；N為運(yùn)行的機(jī)組數(shù)量；PG為機(jī)組的輸出電功率；ai,0、ai,1和ai,2為機(jī)組i的發(fā)電煤耗系數(shù)。

2.2 燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組包含背壓式機(jī)組和抽凝式機(jī)組，背壓式機(jī)組中汽輪機(jī)的排汽全部用于供熱，因此其運(yùn)行過(guò)程中發(fā)電量受到供熱量的限制。背壓機(jī)組的供熱量和發(fā)電量的關(guān)系可近似認(rèn)為是線性關(guān)系，如式(2)所示：

hH,i,t=kiPH,i,t+βi

(2)

式中：hH,i,t為背壓機(jī)組i在t時(shí)段的供熱功率；ki為背壓機(jī)組的熱電系數(shù)；PH,i,t為背壓機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電功率；βi為常數(shù)。

因此，同時(shí)考慮背壓機(jī)組的供熱量和發(fā)電量，其燃料成本為

(3)

式中：bi,0—bi,5為背壓機(jī)組i的煤耗系數(shù)。

對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中的抽凝式機(jī)組，鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，部分蒸汽從汽輪機(jī)中抽出用于供熱，剩余的蒸汽繼續(xù)做功，乏汽進(jìn)入凝汽器內(nèi)冷凝，機(jī)組的抽汽量在一定的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，因此抽凝機(jī)組的煤耗特性如式(4)所示：

(4)

式中：hCP,i,t為抽凝機(jī)組i在t時(shí)段的供熱功率；PCP,i,t為抽凝機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電功率；ci,0—ci,5為抽凝機(jī)組i的煤耗系數(shù)。

2.3 電鍋爐模型

電鍋爐是將電能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，使用本地系統(tǒng)內(nèi)的電能進(jìn)行供熱的補(bǔ)充，其增加了本地電負(fù)荷的使用，電鍋爐的模型為

hEB,t=PEB,tηEB

(5)

式中：hEB,t為電鍋爐在t時(shí)刻的制熱功率；PEB,t為電鍋爐在t時(shí)刻的耗電功率；ηEB為電鍋爐的熱效率。

帶有儲(chǔ)熱功能的電鍋爐具有極強(qiáng)供熱調(diào)節(jié)特性，使得機(jī)組的熱電供應(yīng)范圍更加寬泛，其運(yùn)行模式打破了傳統(tǒng)的“以熱定電”的運(yùn)行方式，通過(guò)儲(chǔ)熱裝置的吸放熱，提高了整個(gè)系統(tǒng)的熱調(diào)節(jié)能力。在系統(tǒng)中棄風(fēng)量較大時(shí)，提高電鍋爐的出力，同時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)熱；在無(wú)棄風(fēng)時(shí)，可以釋放儲(chǔ)存的熱量，保證供熱的同時(shí)提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電功率輸出。儲(chǔ)熱裝置的數(shù)學(xué)模型為

(6)

式中：SHS,t為t時(shí)段蓄熱容量；μ為散熱損失；hHS_in,t和hHS_out,t為t時(shí)段內(nèi)吸熱和放熱功率；λHS_in,t和λHS_out,t為t時(shí)段內(nèi)的吸熱和放熱效率。

2.4 風(fēng)電模型

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于沒(méi)有燃料的成本，因此考慮最小的棄風(fēng)率即為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)。風(fēng)電機(jī)組輸出的功率具有不確定性，其輸出功率與所在地區(qū)的風(fēng)速相關(guān)，具體風(fēng)電輸出功率可由式(7)描述：

(7)

式中：vi、v0和vn分別為風(fēng)電機(jī)組的切入、切出和額定風(fēng)速；Pwn為風(fēng)電機(jī)組的額定功率。

優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的目標(biāo)是減少棄風(fēng)率，因此定義風(fēng)電機(jī)組i在t時(shí)段內(nèi)棄風(fēng)發(fā)電功率與預(yù)測(cè)發(fā)電功率的比值為風(fēng)電機(jī)組的棄風(fēng)率ζi,t，可由式(8)進(jìn)行描述：

(8)

fw=αwζi,t

(9)

式中：αw為風(fēng)電機(jī)組棄風(fēng)的成本系數(shù)，其值根據(jù)當(dāng)?shù)氐南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)選取。

3 優(yōu)化模型及求解

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文的研究目的是優(yōu)化風(fēng)-火耦合系統(tǒng)供熱和供電的性能，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大熱電解耦能力，進(jìn)而協(xié)同熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的出力，降低棄風(fēng)率。因此，系統(tǒng)的總體目標(biāo)是最小的運(yùn)行成本，目標(biāo)函數(shù)以式(10)進(jìn)行描述：

f=min(fG+fH+fCP+fw)

(10)

式中f為系統(tǒng)的總運(yùn)行成本。

3.2 約束條件

風(fēng)-火耦合系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中需要滿足各種約束，主要包括電力、熱力平衡、各單元的運(yùn)行范圍限制等，具體的約束條件如下文所述。

1) 電負(fù)荷平衡約束：

(11)

式中PLD,t為電力系統(tǒng)在t時(shí)段的電負(fù)荷。

2) 熱平衡約束：

(12)

式中hLD,t為系統(tǒng)在t時(shí)段的熱負(fù)荷。

3) 燃煤機(jī)組的出力約束。

常規(guī)燃煤純凝機(jī)組僅輸出電功率，因此其出力的約束主要是電力輸出的能力，可以由式(13)表示：

PGmin,i,t≤PG,i,t≤PGmax,i,t

(13)

式中：PGmin,i,t和PGmax,i,t分別代表燃煤機(jī)組i在t時(shí)段內(nèi)最小電功率輸出和最大電功率輸出。

圖2 背壓機(jī)組熱電出力特性

背壓機(jī)組的電熱特性可以近似為直線，如圖2所示。由于背壓機(jī)組具有固定的熱電比，因此其最小出力和最大出力均為固定值。背壓機(jī)組的實(shí)際出力約束可由式(14)—(16)表示：

式中：hHmin,i,t和hHmax,i,t分別為背壓機(jī)組的最小供熱輸出和最大供熱輸出；PHmin,i,t和PHmax,i,t分別為背壓機(jī)組的最小供熱輸出和最大供電輸出。

抽凝式機(jī)組的供熱和供電可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)，一般可表示為如圖3所示的輸出圖形。

圖3 抽凝式機(jī)組電熱負(fù)荷出力特性

4) 燃煤機(jī)組的爬坡約束：

式中：Δhd,i和Δhu,i為機(jī)組在單位時(shí)段內(nèi)減小和增加熱負(fù)荷出力的爬坡能力；ΔPd,i和ΔPu,i為機(jī)組在單位時(shí)段內(nèi)減小和增加電負(fù)荷出力的爬坡能力。

5) 電鍋爐的電功率約束：

PEBmin,i,t≤PEB,i,t≤PEBmax,i,t

(19)

式中：PEBmin,i,t和PEBmax,i,t分別代表電鍋爐電功率的最小值和最大值，相應(yīng)的熱功率可按式(5)進(jìn)行計(jì)算。

6) 儲(chǔ)熱裝置的約束條件：

QHSmin,i,t≤QHS,i,t≤QHSmax,i,t

(20)

式中：QHSmin,i,t和QHSmax,i,t分別為儲(chǔ)熱設(shè)備的最小和最大熱功率輸出。

式中：SHS_c,i,t和SHS_f,i,t分別為儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量和放熱量；SHSmax,i,t為儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)熱量；κi,t為儲(chǔ)熱裝置i在t時(shí)段的儲(chǔ)熱比例。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 計(jì)算條件

本文以區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行風(fēng)-火耦合系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化計(jì)算，系統(tǒng)內(nèi)配置了2臺(tái)額定電功率為170 MW、額定供熱能力為610 MW的燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，18臺(tái)單機(jī)額定功率為5 MW的風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)虛擬考慮了2臺(tái)15 MW的電鍋爐以及總?cè)萘繛?00 MW的蓄熱裝置。按照每天的時(shí)段數(shù)量為24個(gè)，即每個(gè)時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)為60 min。

圖4為預(yù)測(cè)的某日內(nèi)風(fēng)電負(fù)荷曲線，圖5為預(yù)測(cè)的某日內(nèi)電負(fù)荷曲線，圖6為預(yù)測(cè)的某日內(nèi)熱負(fù)荷曲線。

圖4 預(yù)測(cè)的風(fēng)電負(fù)荷曲線

圖5 預(yù)測(cè)的電負(fù)荷曲線

圖6 預(yù)測(cè)的熱負(fù)荷曲線

模擬計(jì)算中考慮了3種運(yùn)行方式，分別為：

方式1：燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，僅僅由燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提供熱負(fù)荷輸出，系統(tǒng)中電鍋爐和儲(chǔ)熱不參與調(diào)節(jié)。

方式2：燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組和電鍋爐進(jìn)行聯(lián)合調(diào)控，由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和電鍋爐提供熱負(fù)荷輸出，系統(tǒng)中儲(chǔ)熱不參與調(diào)節(jié)。

方式3：燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置全部納入聯(lián)合調(diào)控中。

4.2 計(jì)算結(jié)果

圖7為3種運(yùn)行方式下熱電機(jī)組熱功率的對(duì)比圖，圖8為3種運(yùn)行模式下風(fēng)電消納效果和風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線的對(duì)比圖。風(fēng)電功率在20: 00～04: 00出力較大，在此期間風(fēng)速大，用電負(fù)荷小，熱負(fù)荷大，由此風(fēng)電機(jī)組在夜晚低電負(fù)荷時(shí)段產(chǎn)生大量棄風(fēng)。

圖7 不同運(yùn)行方式下燃煤機(jī)組熱功率輸出

圖8 不同運(yùn)行方式下風(fēng)電利用功率

圖8描述了3種運(yùn)行模式下的風(fēng)電消納率。經(jīng)過(guò)計(jì)算給出了3種運(yùn)行方式下的風(fēng)電利用率，分別為77.9%、92.8%和97.3%。運(yùn)行方式1是傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組結(jié)合風(fēng)電調(diào)節(jié)，此時(shí)的棄風(fēng)量最大。這主要由于，熱電機(jī)組的電熱調(diào)節(jié)能力差，熱功率較高，約束了風(fēng)電的上網(wǎng)率。運(yùn)行方式2中增加了電鍋爐調(diào)節(jié)，風(fēng)電的利用比例得到了大幅度的提高。運(yùn)行方式3，風(fēng)電的利用比例最高，與風(fēng)電預(yù)測(cè)值的誤差最小，消納了大部分的棄風(fēng)量，為風(fēng)電上網(wǎng)提供了空間，提高了熱電調(diào)節(jié)的靈活性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)我國(guó)風(fēng)電消納率不高以及存在的棄風(fēng)問(wèn)題，提出了結(jié)合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、電鍋爐和儲(chǔ)熱的綜合系統(tǒng)方案。通過(guò)建立綜合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)電消納及經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的目標(biāo)。分析了3種運(yùn)行方式對(duì)于風(fēng)電消納率的影響，從而優(yōu)化了系統(tǒng)的運(yùn)行方式。主要結(jié)論如下：

1) 采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置的綜合系統(tǒng)可大幅度地提高風(fēng)電的消納率；

2) 通過(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)節(jié)，對(duì)于風(fēng)電的消納能力為77.9%，采用結(jié)合電鍋爐的運(yùn)行模式可將風(fēng)電消納能力提升至92.8%，而采用電鍋爐配合儲(chǔ)熱裝置的運(yùn)行模式，風(fēng)電的消納能力達(dá)到了97.3%。

本文建立的模型很好地顯示了綜合系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電消納的能力，研究結(jié)果對(duì)于風(fēng)電的最大化消納提供了可行的技術(shù)方案。