基于新能源供熱的風(fēng)電消納優(yōu)化研究

劉景霞 李安萍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010）

中國“三北”地區(qū)是棄風(fēng)量最大的地區(qū)，同時(shí)也是我們研究攻克的難點(diǎn)，其中內(nèi)蒙古地區(qū)具有豐富的風(fēng)力資源，但是目前內(nèi)蒙古地區(qū)以熱電機(jī)組為主，并且在冬季供暖期，熱電機(jī)組存在“以熱定電”的局限性，會大幅增加風(fēng)電并網(wǎng)的可調(diào)性，風(fēng)力發(fā)電本身具有季節(jié)性和不確定性這些因素，使得風(fēng)電消納的問題存在。如果風(fēng)電大發(fā)為了維護(hù)電網(wǎng)的平衡就只能采用棄風(fēng)的手段。為了解決這些問題政府出了很多政策，鼓勵用新能源電力供熱取代傳統(tǒng)的供熱，并且采用蓄能技術(shù)儲蓄棄風(fēng)降低棄風(fēng)率。文獻(xiàn)[1]提出以風(fēng)電、蓄熱式電鍋爐聯(lián)合構(gòu)成供熱系統(tǒng)并且結(jié)合熱負(fù)荷用戶的需求建立優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[2]加入蓄熱式電鍋爐進(jìn)行供熱，調(diào)節(jié)電網(wǎng)降低棄風(fēng)率。文獻(xiàn)[3]提出把蓄能裝置加入含有風(fēng)電的電網(wǎng)中提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和風(fēng)電的消納能力。結(jié)合上述材料本文以蓄熱式電鍋爐為基礎(chǔ)的風(fēng)電場就地消納。

本文以提高棄風(fēng)利用率和降低經(jīng)濟(jì)成本為評估條件，建立以最小運(yùn)行成本最大消納功率為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對比傳統(tǒng)模式進(jìn)行仿真求解。

1 蓄熱式電鍋爐加入新能源供暖

蓄熱式電鍋爐目前分為固體蓄熱式電鍋爐和水箱蓄熱式電鍋爐，其工作的原理分別是以水能蓄熱和蓄熱磚蓄熱。相比起水箱蓄熱式電鍋爐固體蓄熱式電鍋爐具有占地面積小、蓄熱更穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，本文采用固體蓄熱式電鍋爐。由電能轉(zhuǎn)換為熱能儲存在蓄熱磚中，在熱負(fù)荷用戶需求時(shí)把儲存的熱能釋放，具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2 蓄熱式電鍋爐優(yōu)化模型

本文以實(shí)現(xiàn)最低運(yùn)行成本消納最大棄風(fēng)量為最終目的，綜合考慮各種約束條件建立優(yōu)化模型。

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

圖1 蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)圖

先建立最大消納棄風(fēng)的目標(biāo)函數(shù)

其中T 為調(diào)度周期，定為1 天。調(diào)度時(shí)長為1h，即T=24h，t為調(diào)度時(shí)段，Pa，t為t 時(shí)段蓄熱式電鍋爐所消納的棄風(fēng)功率，目標(biāo)函數(shù)的定義在于實(shí)現(xiàn)

其中P預(yù)（t）是在t 時(shí)刻預(yù)計(jì)消納的棄風(fēng)功率，P實(shí)（t）在t 時(shí)刻實(shí)際產(chǎn)生的棄風(fēng)功率。

在建立最小運(yùn)行成本的目標(biāo)函數(shù)

minC=Qa(Ca+Cn)+QbCt

蓄熱式電鍋爐消納的棄風(fēng)電量為Qa，MWh；蓄熱式電鍋爐消納的非棄風(fēng)電量Qb，MWh

Ca與風(fēng)電場簽訂的協(xié)定電價(jià)，0.2617￥/kWh，

Cn電網(wǎng)公司輸配電成本，0.11￥/kWh

Ct分時(shí)電價(jià)

在內(nèi)蒙古某地，國家為了鼓勵新能源供暖發(fā)布的分時(shí)電價(jià)政策，其中0:00-5:00 為谷段，0.33￥/kWh；8:00-12:00、14：00-21:00 為用電高峰段，0.80￥/kWh；其他時(shí)間為平段，0.55￥/kWh。

2.2 建立約束條件

2.2.1 棄風(fēng)約束

研究消納棄風(fēng)，所以t 時(shí)刻所消納的棄風(fēng)功率要小于所產(chǎn)生的棄風(fēng)功率

Pa，t＜＜Pw，t

2.2.2 功率平衡約束

功率平衡包括蓄熱式電鍋爐熱功率平衡和電功率平衡

Qc，t=Qc，t-1+Hio，t·h

Peh，t=Pa，t+Pn，t

其中Qc，t表示在t 時(shí)刻蓄熱式電鍋爐所儲存的熱量；Qc，t-1表示在t-1 時(shí)刻蓄熱式電鍋爐所儲存的熱量；Qc，t-1

表示蓄熱式電鍋爐在t 時(shí)刻釋放出來的熱量；Peh，t表示蓄熱式電鍋爐在t 時(shí)刻所產(chǎn)生的電功率；Pa，t表示蓄熱式電鍋爐在t時(shí)刻所消納的棄風(fēng)功率；Pn，t表示蓄熱式電鍋爐在t 時(shí)刻所消納的電網(wǎng)功率。

2.2.3 電鍋爐功率約束

0＜＜Pt＜＜Pmax

其中Pt為電鍋爐在t 時(shí)刻所產(chǎn)生的功率滿足大于0 小于最大額定功率。

2.2.4 蓄熱罐約束

Qmin＜＜Qt＜＜Qmax

其中Qt為蓄熱罐在t 時(shí)刻所儲存的熱量，滿足大于最小蓄熱量小于最大蓄熱量。

2.2.5 供熱約束

Qh，t＞＞Qh，min

其中Qh，t為蓄熱式電鍋爐在t 時(shí)刻所釋放的熱量，它滿足大于等于熱負(fù)荷在t 時(shí)刻最小需求的熱量。

2.3 基于粒子群算法的優(yōu)化算法

本文采用粒子群算法為多目標(biāo)優(yōu)化的算法，它的流程圖如圖2 所示。

圖2 粒子群算法流程圖

3 仿真分析

本文以電腦模擬以一天為周期24 小時(shí)棄風(fēng)量，通過與未進(jìn)行優(yōu)化的傳統(tǒng)模型進(jìn)行對比分析，并且通過仿真求解對仿真波形圖進(jìn)行講解。

3.1 日供熱對比

圖3 優(yōu)化前后供熱對比

從圖3 中我們可以清楚的看到相比優(yōu)化前的深色線，優(yōu)化后的淺色線更加的平穩(wěn)、穩(wěn)定，這樣既保證了熱負(fù)荷用戶的供熱需求、提高了用戶的舒適度，同時(shí)也避免了熱量溢出導(dǎo)致的浪費(fèi)。

圖4 優(yōu)化前后蓄熱罐能量的變化

3.2 蓄熱罐能量的變化

從圖4 中我們可以觀察到優(yōu)化后蓄熱罐對熱量的蓄量明顯比優(yōu)化前更加充裕，同時(shí)也意味著對能量的利用率也得到了提高。

3.3 電鍋爐加熱功率的變化

圖5 優(yōu)化前后鍋爐加熱功率對比

從圖5 中我們可以看出優(yōu)化后相比優(yōu)化前在用電的高峰期加熱功率明顯下降，這樣一方面錯(cuò)開用電高峰期的高電價(jià)節(jié)約了成本，另一方面風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)提供了更多的可調(diào)性。

圖6 優(yōu)化前后非棄風(fēng)功率的對比

3.4 非棄風(fēng)功率的變化

從本文中可以理解所謂非棄風(fēng)功率實(shí)際上就是從電網(wǎng)直接購電的部分，因?yàn)閲艺叩陌l(fā)行在用電高峰期越少的購電則越節(jié)約成本。從圖6 中我們可以明顯的看到優(yōu)化后相比優(yōu)化前在用電高峰期減少了購電在用電的低谷期則增加了購電這從一定程度上節(jié)約了大量的成本，進(jìn)一步保障了以最小成本為目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3.5 棄風(fēng)功率的變化

圖7 優(yōu)化前后棄風(fēng)功率應(yīng)用對比

通過圖7 我們可以發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化后的曲線更加接近風(fēng)電場在該時(shí)刻所產(chǎn)生的棄風(fēng)資源，這樣極大程度上保證了我們第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3.6 最終數(shù)據(jù)的對比

圖8

優(yōu)化前所消納的棄風(fēng)約為134MW，所需要的成本為194688 元，優(yōu)化后所消納的棄風(fēng)約為145MW，所需要的成本為180154 元，滿足了多目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文通過對蓄熱式電鍋爐目前的局限性以及現(xiàn)有棄風(fēng)消納所存在的問題進(jìn)行分析并解決，利用粒子群算法對傳統(tǒng)模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化并通過仿真得出優(yōu)化結(jié)果。通過對比分析本次優(yōu)化取得了較為理想的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了最大消納棄風(fēng)和最小成本的目標(biāo)函數(shù)。