提升風(fēng)電消納的熱電混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

李軍徽，張志云，馬冬梅，闞中鋒，郭 健，韓 冬

(1.現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室(東北電力大學(xué))，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132000)

在我國“三北”地區(qū)風(fēng)電迅速發(fā)展，但是風(fēng)電出力的隨機性與波動性使得棄風(fēng)現(xiàn)象突出，特別是在供暖期，由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”的約束，進一步降低了風(fēng)電接納空間，使得供暖期熱負荷高、電負荷低，電網(wǎng)調(diào)峰與供熱矛盾[1-3].儲熱式電鍋爐作為儲熱制熱裝置，可以使能量空間平移，從而實現(xiàn)熱電解耦，但是由于其機械特性，使得它不可以頻繁調(diào)節(jié)，所以如何在保證供熱以及電鍋爐使用壽命的前提下高效消納棄風(fēng)這一問題亟待解決.

為了促進風(fēng)電消納，提高風(fēng)電接納空間，目前在利用儲熱式電鍋爐技術(shù)方面有了不少研究，大致有兩種方法，其一是熱電聯(lián)產(chǎn)機組解耦技術(shù)，即在熱電廠加裝儲熱或電鍋爐釋放熱電機組調(diào)峰空間，增加風(fēng)電消納空間[4-5]；其二是風(fēng)電供熱技術(shù)，即通過在棄風(fēng)嚴重風(fēng)電場配置儲熱式電鍋爐，盡量使電鍋爐消納棄風(fēng)電量儲熱供熱[6].文獻[7]提出熱電廠加裝電鍋爐消納棄風(fēng)的方案.配置電鍋爐可以分擔(dān)部分熱電廠熱負荷，增加機組的調(diào)峰空間，也可在夜間低谷時段消納夜間過剩風(fēng)電電量.文獻[8]提出了在熱電廠建設(shè)儲熱式電鍋爐進行風(fēng)電供熱的方法，建立了可含熱泵的風(fēng)電供熱項目通用數(shù)學(xué)模型，電鍋爐協(xié)調(diào)運行方式下，不但減小了煤耗，還提高了棄風(fēng)消納效果；文獻[9]以熱電機組和儲熱罐供熱的收益為目標函數(shù)建立模型，當(dāng)熱電機組配置了儲熱裝置后，熱電-儲熱系統(tǒng)整體的消納棄風(fēng)能力提高.文獻[10]在熱電耦合系統(tǒng)中，引入儲熱式電鍋爐以及熱泵，在難以調(diào)峰期間提供輔助熱源，依靠外部熱源的參與，可以拓寬人工發(fā)電量變化區(qū)間，以接納更多的風(fēng)電.文獻[11-14]都建立了含儲熱熱電聯(lián)產(chǎn)與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱的棄風(fēng)消納調(diào)度模型，分析了配置電鍋爐前后熱電機組的運行特性和調(diào)峰能力變化，比較了熱電聯(lián)產(chǎn)機組在是否加裝儲熱裝置的情況下棄風(fēng)消納的效果跟經(jīng)濟性.綜上來看，目前利用儲熱式電鍋爐進行棄風(fēng)消納都沒有考慮到電鍋爐的電極調(diào)節(jié)能力，即儲熱式電鍋電極調(diào)節(jié)次數(shù)受電極機械部件制約，頻繁調(diào)節(jié)不利于裝置使用壽命.而在限制電鍋爐電極不頻繁改變的條件下，電池儲能調(diào)節(jié)能力靈活可以彌補電鍋爐棄風(fēng)消納的不足，對此，本文基于供暖期風(fēng)電特性提出一種熱電混合系統(tǒng)消納棄風(fēng)電量的優(yōu)化運行策略，建立了混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化模型以及棄風(fēng)消納量、系統(tǒng)經(jīng)濟性的目標函數(shù)，比較了電鍋爐追蹤棄風(fēng)方式、混合系統(tǒng)運行方式以及電鍋爐優(yōu)化后混合系統(tǒng)消納棄風(fēng)方式的效果，并分析了三種方式下系統(tǒng)運行經(jīng)濟性.

1 熱電聯(lián)合系統(tǒng)的構(gòu)成

熱電混合儲能系統(tǒng)由發(fā)電機組、電網(wǎng)、電池儲能系統(tǒng)、儲熱式電鍋爐、熱網(wǎng)、電/熱負荷組成，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示，當(dāng)風(fēng)電接納空間不足時，風(fēng)電場產(chǎn)生棄風(fēng)可以通過電池儲能儲存起來，作為電負荷高峰時的補充，也可以通過儲熱式電鍋爐將棄風(fēng)轉(zhuǎn)換為熱能供給熱負荷.

如圖1所示，負荷側(cè)配置儲熱式電鍋爐可增加用電負荷，通過提高供熱期低谷時段電負荷水平來消納棄風(fēng)；電池儲能通過“削峰填谷”方式提高系統(tǒng)整體的調(diào)峰能力，進而減少棄風(fēng)電量[14].通過對電鍋爐、電池進行控制，優(yōu)化系統(tǒng)運行情況，提高棄風(fēng)消納效率，同時多余的儲能電量可以在負荷高峰時段供給電負荷，提高儲能裝置的利用率與經(jīng)濟性.

圖1 熱電混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 含熱電混合儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)模型

含熱電混合儲能的電力系統(tǒng)模型由收益、成本以及相應(yīng)的約束條件構(gòu)成.

(1)成本模型

儲熱式電鍋爐與電池儲能的建設(shè)成本

Ceh=Ec，iuc+Eh，iuh+Pc，iupe+Ph，iuph，

(1)

公式中：Ec，i、Eh，i為電池儲能、儲熱式電鍋爐配置容量；uc、uh為單位電池儲能、單位儲熱式電鍋爐成本；Pc，i、Ph，i為為電池儲能、儲熱式電鍋爐配置功率；upe、uph為電池儲能、儲熱式電鍋爐單位功率成本.

熱電混合儲能系統(tǒng)運行維護成本由電儲能與儲熱式電鍋爐維護成本共同組成，即

Ctm=Ec，inemfe+Ec，inhmfh，

(2)

公式中：mfe、mfh為單位電儲能、儲熱式電鍋爐運維成本；ne、nh為電池儲能系統(tǒng)、儲熱式電鍋爐壽命期限.

傳輸損耗成本為系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換及傳輸過程中產(chǎn)生能量損耗而產(chǎn)生的費用

Ctra=(Pqhηh+Pqeηe)Cf+Ch，

(3)

公式中：ηe、ηh為電池儲能儲放電的效率和儲熱式電鍋爐熱轉(zhuǎn)化的效率；Pqe、Pqh為電池儲能、儲熱式電鍋爐消納的棄風(fēng)；Cf為與風(fēng)電場商議的風(fēng)電購入電價；Ch為輸配電成本.

電鍋爐向電網(wǎng)購電成本

Cg=PghCpe，

(4)

公式中：Pgh為電鍋爐向電網(wǎng)購電電量；Cpe為某時刻售電電價.

(2) 收益模型

環(huán)境收益

Rcom=Pqe×pen+Pqh×(Che+Kfb+Kfb)，

(5)

公式中：Pen為環(huán)境污染治理費用；Che為熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)生單位熱量所排放的廢氣治理成本(元/(MWh))；Kf為煤炭的價格(元/t)；b為電鍋爐煤耗率(t/(MWh))，c為純凝機組煤耗率(t/(MWh)).

熱電聯(lián)合系統(tǒng)在運行效益是通過峰谷差價以及售熱獲取的效益

Rrun=Pqe×(Cpe-Cf)+Pqh(KE-Cf)ηe，

(6)

公式中：Cf為與風(fēng)電場商議的風(fēng)電購入電價；KE為輸電企業(yè)外送單位熱量的價格(元/(MWh)).

調(diào)峰補償收益為熱電聯(lián)合系統(tǒng)通過調(diào)峰作用獲取的政府補貼收益

Rsub=(Pqe+Pqh)ps，

(7)

公式中：Rsub為調(diào)峰補償效益；ps為單位補償價格.

消納風(fēng)電供電/供熱的節(jié)煤收益，F(xiàn)c為混合儲能系統(tǒng)的節(jié)煤收益

Fc=(Pqhμcfu+Pqeμcu)pc，

(8)

公式中：Pqh為代替燃煤鍋爐供熱功率；Pqh為電池儲能消納棄風(fēng)代替純凝機組供電功率；μcfu為燃煤鍋爐的煤耗率；μcu為純凝機組的煤耗率；pc為煤價.

(3)約束條件

儲熱式電鍋爐運行功率約束為

0≤Peb(t)≤Peb，max，

(9)

(10)

公式中：Peb，max為電鍋爐運行功率最大值；PHS，out，max(t)PHS，out，max(t)、PHS，in，max(t)為儲熱裝置最大儲放熱功率.

電池儲能運行功率及荷電狀態(tài)約束為

(11)

Stmin≤St≤Stmax，

(12)

公式中：Pcha(t)、Pdis(t)為電池儲能在第t個時段的充電、放電功率；St為t時段電池儲能裝置SOC狀態(tài)；Stmin、Stmax為電池SOC狀態(tài)上、下限.

3 熱電混合系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

為了改善電鍋爐采用追蹤棄風(fēng)模式運行電極頻繁調(diào)節(jié)的弊端，本文從優(yōu)化電鍋爐電極檔位以及改善電鍋爐檔位調(diào)節(jié)情況出發(fā)，采用電池儲能和儲熱式電鍋爐協(xié)調(diào)運行的方式，從而提高系統(tǒng)風(fēng)電利用率、延長系統(tǒng)的使用壽命.

3.1 熱電單元優(yōu)化運行策略

由于棄風(fēng)功率的不確定性，當(dāng)其正好處于兩個擋位之間時，應(yīng)該如何選擇電鍋爐工作擋位是一個值得考慮的問題.根據(jù)遺傳算法選擇的思想，依據(jù)優(yōu)勝劣汰的選擇機制，將群體中適應(yīng)能力較強的個體選取出來并保留，而將適應(yīng)能力較差的個體淘汰掉.據(jù)此，本文提出根據(jù)電鍋爐儲熱罐的SOC狀態(tài)來選擇運行擋位，每個擋位被選中概率與儲熱罐SOC狀態(tài)強相關(guān)，即儲熱式電鍋爐運行首先要滿足供熱需求，而后根據(jù)優(yōu)化檔位概率選擇公式來選擇運行擋位，即儲熱罐SOC較大以及負荷高峰時，電鍋爐更大概率工作在低一點的擋位，反之如果儲熱罐的SOC狀態(tài)較小以及負荷低谷時，電鍋爐工作的功率更大概率運行在高一點的擋位，從而避免了儲熱罐因為儲熱過多或者過少而失去調(diào)節(jié)的靈活性，并且可以保證系統(tǒng)削峰填谷的能力.同時選擇也要考慮負荷處于高峰還是低谷狀態(tài)，擋位優(yōu)化選擇率公式為

F1(x)=0.5cosπx+0.2+θ(x)+α(x)+β(x)，F(xiàn)2(x)=1-F1(x)，

(13)

公式中：F1(x)為儲熱式電鍋爐工作在比棄風(fēng)高一個擋位的概率；F2(x)為儲熱式電鍋爐工作在比棄風(fēng)低一個擋位的概率；x為儲熱罐SOC狀態(tài).

(14)

(15)

(16)

(2)熱電混合系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行策略

在負荷低谷存在棄風(fēng)時，儲熱式電鍋爐與電池儲能誰具有動作優(yōu)先性取決于兩者動作的經(jīng)濟性，熱電混合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)峰的單位效益函數(shù)為

(17)

3.2 優(yōu)化目標函數(shù)

為實現(xiàn)儲熱式電鍋爐最大化消納棄風(fēng)，建立以棄風(fēng)消納最大為目標的優(yōu)化控制模型，控制其最大化跟蹤棄風(fēng)出力運行.以棄風(fēng)消納最大為目標的目標函數(shù)為

maxP=Pqh+Pqe.

(18)

在熱電混合儲能的系統(tǒng)中，兩者協(xié)調(diào)還要使得系統(tǒng)收益最大化，表示為

minF=Rcom+Rrun+Rsub+Fc-(Ceh+Ctm+Ctra+Cg).

(19)

3.3 優(yōu)化模型求解

針對上述模型在MATALB中通過YALMIP調(diào)用優(yōu)化軟件CPLEX進行求解，CPLEX能夠求解線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、二階錐規(guī)劃及相應(yīng)的混合整數(shù)規(guī)劃問題[15-16]，求解流程如圖2所示.

圖2 優(yōu)化求解流程圖

4 算例分析

以“三北”地區(qū)某風(fēng)電場為例，給定條件如下：

(1)與風(fēng)電場協(xié)商簽訂的風(fēng)電電價為112元/MWh；與供熱廠簽訂的售熱價格為173.69元/MWh.

(2)儲熱式電鍋爐壽命為25年，電鍋爐單位功率價格為50萬元/MW，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換率為95%，儲熱罐容量價格15萬元/MWh；電池儲能系統(tǒng)壽命為23年，效率為92%，容量價格為180萬元/MWh，功率價格為190萬元/MW；

(3)常規(guī)純凝火電機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)生單位電量所造成的環(huán)境污染治理費用pen=145元/MWh，熱電聯(lián)產(chǎn)機組產(chǎn)生單位熱量所排放的廢氣成本Cf=156元/MWh，煤炭的價格Kf=500元/t，供熱機組煤耗率b取0.154 t/MWh，純凝機組的煤耗率c取0.35 t/MWh；

(4)電鍋爐單位運維成本為10元/(MW/天)，儲熱罐單位熱儲能運維成本為8元/(MWh/天)，電池儲能單位運維成本為140元/(MWh/天)；政府的調(diào)峰補償價格為130元/MWh.

(5)選取容量及功率為150 MWh/30 MW儲熱式電鍋爐以及80 MWh/20 MW的電池，儲熱式電鍋爐分為11個檔位，每個檔位功率差值為3，即 0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30.

三種運行方式：方式①：儲熱式電鍋爐跟蹤棄風(fēng)的運行方式；方式②：熱電混合系統(tǒng)運行在上述雙目標模式下，但未對儲熱式電鍋爐電極進行優(yōu)化；方式③：本文熱電混合儲能優(yōu)化控制策略運行.

4.1 仿真結(jié)果分析

4.1.1 運行方式1、方式2結(jié)果分析

數(shù)據(jù)為典型日每15分鐘選取一點的96點的棄風(fēng)出力數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)采用運行方式1、方式2消納棄風(fēng)時，運行情況如圖3、圖4所示.

圖3 跟蹤棄風(fēng)運行方式下電鍋爐運行情況

圖4 電鍋爐電極優(yōu)化前熱電混合儲能系統(tǒng)運行情況

由圖3、圖4可以看出運行方式1，棄風(fēng)消納量情況還較為可觀，但電極調(diào)節(jié)次非常多，單日電極調(diào)節(jié)次數(shù)達到了33次，在運行方式2下，由于加入了人調(diào)節(jié)能力更為靈活的電池儲能系統(tǒng)，系統(tǒng)棄風(fēng)消納量進一步提升，但是這并未改善電鍋爐電極頻繁調(diào)節(jié)的弊端.

4.1.2 運行方式3結(jié)果分析

采用優(yōu)化運行方式3下的熱電混合系統(tǒng)運行情況如圖5、圖6、圖7所示.

圖5 熱電混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行功率圖

圖6 儲熱罐容量曲線圖

圖7 電池儲能SOC狀態(tài)圖

結(jié)合圖5～圖7可以看出0：00～5：00和22：00～24：00時間段的棄風(fēng)電量下儲熱式電鍋爐轉(zhuǎn)化效益較高，故儲熱式電鍋爐按照優(yōu)化電極方式先動作消納棄風(fēng)，但由于此時為用電低谷電價低且熱儲能受充放熱功率約束等，需要電儲能一起動作消納棄風(fēng)，儲熱量跟電量上升.7：00～11：00，18：00～22：00時間段為電熱負荷需求高的時段，且電售價高，此時儲熱罐動作供熱，電儲能動作放電，儲熱罐跟電儲能儲能量下降，采用此方式電鍋爐調(diào)節(jié)次數(shù)較方式1、方式2有顯著下降.

4.1.3 三種運行方式對比

對比三種不同方式下的棄風(fēng)消納情況及電極調(diào)節(jié)次數(shù)情況如表2所示.

表2 三種方式下棄風(fēng)消納及電極調(diào)節(jié)次數(shù)情況

由表1可以看出在采用本文所述熱電混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化運行策略，在檔位調(diào)節(jié)上較方式1，方式2均有明顯減少，這可以增加儲熱式電鍋爐的使用壽命，在消納棄風(fēng)量上較方式1，方式2也有一定的增加，這是因為提高了電池儲能的利用率，電池儲能的進一步參與使得電鍋爐調(diào)節(jié)次數(shù)有所下降，這樣也能保證系統(tǒng)較高的風(fēng)電消納率.

4.2 收益分析

熱電儲能單位時間轉(zhuǎn)化收益的關(guān)系曲線圖，如圖8所示.從圖8可知，當(dāng)棄風(fēng)非常小時，儲熱式電鍋爐與電儲能單位轉(zhuǎn)化收益均較低，但是隨著兩種裝置消納電量的增加，收益迅速增長而后呈現(xiàn)穩(wěn)步增長.

圖8 熱電儲能單位轉(zhuǎn)化收益

熱電聯(lián)合系統(tǒng)三種運行方式下的收益情況，如表2所示.

表2 熱電聯(lián)合儲能系統(tǒng)典型日收益

可以看出運行方式1雖然投資低，但是電鍋爐由于頻繁調(diào)節(jié)，壽命縮短，導(dǎo)致等效投資成本等效增加，日收益為三種運行方式中最少的.方式2較方式1在收益方面有了很大提高，這是因為電池儲能雖然投資高，但同時運行收益也高，電鍋爐與電池儲能配合也使得棄風(fēng)消納量進一步增大.方式3對電鍋爐電極進行了優(yōu)化，電極調(diào)節(jié)次數(shù)明顯變少，等效增加了使用壽命，日收益也進一步增加.

5 結(jié) 論

針對熱電混合系統(tǒng)消納棄風(fēng)，建立了混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化模型并對電鍋爐電極進行優(yōu)化.從仿真結(jié)果可以看出：

(1)儲熱式電鍋爐可以在一定程度上進行熱電聯(lián)產(chǎn)機組的解耦，而本文所提混合儲能運行方法比跟蹤棄風(fēng)方式在棄風(fēng)消納量上提高了7.26%；

(2)由于對電鍋爐進行了檔位優(yōu)化，混合系統(tǒng)運行方式下電極調(diào)節(jié)次數(shù)明顯降低，比跟蹤棄風(fēng)方式下減少15次，可以有效提高電鍋爐使用壽命；

(3)就儲熱式電鍋爐與電池儲能的配合而言，棄風(fēng)量較低時，由電鍋爐來消納比直接用電池儲能消納經(jīng)濟性要好，但是隨著棄風(fēng)量的增大，調(diào)節(jié)能力更為靈活的電池儲能參與進來可以使得棄風(fēng)更多地被利用.