基于風(fēng)電消納的熱電系統(tǒng)儲熱模型仿真

李福 沈陽恒久安泰環(huán)保與節(jié)能科技有限公司

要想有效解決電熱聯(lián)合系統(tǒng)棄風(fēng)嚴(yán)重、煤耗量較高的問題，基于風(fēng)電消納的熱電系統(tǒng)儲熱模型。融合不同的系統(tǒng)組建電熱聯(lián)合系統(tǒng)，以熱電聯(lián)產(chǎn)機組最小煤耗及最低成本為目標(biāo)，通過風(fēng)電消納需求提升系統(tǒng)中用戶需求的靈活性，同時挖掘用戶的需求響應(yīng)側(cè)潛力，組建基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲熱模型。采用粒子群算法對電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲熱模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)儲熱方案。最后進(jìn)行仿真測試，實驗結(jié)果表明，所設(shè)計模型能夠有效降低運行成本，采用該模型后電熱聯(lián)合系統(tǒng)的棄風(fēng)率和煤耗率大幅下降，有效提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

一、現(xiàn)狀

在冬季進(jìn)行供暖的時候，由于熱電機出力較大，且熱電機組出力和風(fēng)力出力的時間重合，導(dǎo)致系統(tǒng)巔峰困難，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。為了更好地解決上述問題，相關(guān)學(xué)者給出了一些較好的研究成果，例如電熱聯(lián)合優(yōu)化等，這些方案雖然能夠提升電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)電消納率，但是會導(dǎo)致仿真結(jié)果和實際結(jié)果之間存在較大的偏差。我國北部地區(qū)主要是通過電熱廠進(jìn)行集中供熱，但是這種供熱方式給生態(tài)環(huán)境帶來了十分嚴(yán)重的危害。

在供暖期間，為了確保系統(tǒng)供暖正常，系統(tǒng)調(diào)峰主要利用純凝火電機組進(jìn)行發(fā)電，但是這種方案操作并不是十分方便。尤其是在夜晚出現(xiàn)供電高峰期，熱電機組強迫出力會導(dǎo)致空間被進(jìn)一步壓縮，同時系統(tǒng)調(diào)峰也變得困難。相比傳統(tǒng)的鍋爐供熱，現(xiàn)階段熱電聯(lián)合具有明顯的優(yōu)勢，同時也得到了國家相關(guān)部門的大力支持，熱電聯(lián)合還能夠有效減少環(huán)境污染。目前，我國北方地區(qū)的火電機組大部分都為熱電機組，但是該地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)儲熱存在較強的熱電耦合性，導(dǎo)致供暖期間熱電聯(lián)合系統(tǒng)儲熱變得十分困難。由于受到地域因素的影響，除了使用火力發(fā)熱以來，還有部分地區(qū)使用風(fēng)力風(fēng)電。在供暖期間，為了確保系統(tǒng)供暖正常，系統(tǒng)調(diào)峰主要利用純凝火電機組進(jìn)行發(fā)電，但是這種方案操作并不是十分方便。尤其是在夜晚出現(xiàn)供電高峰期，熱電機組強迫出力會導(dǎo)致空間被進(jìn)一步壓縮，同時系統(tǒng)調(diào)峰也變得困難。

二、電源、熱源、儲能設(shè)備控制方式

（一）CHP機組控制方式

熱電聯(lián)產(chǎn)機組同時擔(dān)當(dāng)電網(wǎng)的電源和熱網(wǎng)的熱源，按照“以熱定電”政策要求，對CHP機組輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時需以保證供熱穩(wěn)定為前提。因此，在電力谷荷時段，降低CHP機組的電輸出功率需要附加熱源和熱網(wǎng)的配合。所示。

（二）儲熱罐控制方式

儲熱罐在每個調(diào)度周期前，需要根據(jù)電熱負(fù)荷的預(yù)測信息設(shè)置本調(diào)度周期內(nèi)各調(diào)度時段的儲放策略。一般來說，儲熱成本要低于電供暖成本，因此，當(dāng)出現(xiàn)棄風(fēng)時，應(yīng)先利用儲熱罐內(nèi)的熱能促進(jìn)風(fēng)電消納。當(dāng)網(wǎng)上棄風(fēng)需要進(jìn)一步利用電鍋爐來進(jìn)行消納時，可根據(jù)儲熱罐剩余熱量狀態(tài)，確定儲熱罐吸收熱能功率。

（三）電鍋爐控制方式

電鍋爐具有調(diào)節(jié)速度快且可實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的特點。因此，電鍋爐有較強的凈負(fù)荷跟蹤能力。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)棄風(fēng)時，根據(jù)棄風(fēng)功率來調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)所有電鍋爐工作總負(fù)荷功率。電鍋爐的工作負(fù)荷應(yīng)依據(jù)對應(yīng)的儲熱罐能荷狀態(tài)及CHP機組此時的運行成本來確定，并根據(jù)儲熱罐能荷狀態(tài)和棄風(fēng)消納情況來確定其所產(chǎn)生熱能的輸出去向。

三、基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化建模

（一）電熱聯(lián)合系統(tǒng)

在我國北方地區(qū)進(jìn)行供熱的期間內(nèi)，由于受到剛性條件的約束，導(dǎo)致系統(tǒng)無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時還有十分嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。在熱電聯(lián)合機組的位置添加儲熱裝置之后，打破了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的電熱耦合特性，同時有效增強電熱聯(lián)合機組的調(diào)節(jié)能力。上述方案為最佳的節(jié)煤方案，并且該方案也能夠有效解決在供熱期間出現(xiàn)的棄風(fēng)問題。相關(guān)專家認(rèn)為在熱電廠中安裝儲熱裝置能夠有效緩解棄風(fēng)現(xiàn)象，但是研究結(jié)果表明，這種方法并不適用。

系統(tǒng)在運行的過程中，由于風(fēng)電的反調(diào)特性，在夜晚用電量持續(xù)增加的情況，棄風(fēng)電量會持續(xù)增加，導(dǎo)致本地負(fù)荷也持續(xù)增加，與此同時，熱電聯(lián)合機組的供熱任務(wù)降低，電熱聯(lián)合系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力得到進(jìn)一步提升。電熱聯(lián)合系統(tǒng)能夠有效取代傳統(tǒng)的供熱方式，且該種供熱方式具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益。電熱聯(lián)合系統(tǒng)全面利用兩個系統(tǒng)之間的優(yōu)勢，促使兩種能源能夠得到更加廣泛的應(yīng)用，同時配置也能夠得到優(yōu)化。由于用戶用電量以及供熱需求持續(xù)增加，為了滿足用戶的需求，需要將兩個不同的系統(tǒng)進(jìn)行融合，組建電熱聯(lián)合系統(tǒng)。

（二）儲熱模型的組建

設(shè)定系統(tǒng)的最小儲熱目標(biāo)為運行成本，在整個系統(tǒng)在運行的過程中，運行成本通常情況下只考慮以下幾方面：

1.電機組以及熱電聯(lián)產(chǎn)機組的煤耗成本；

2.燃煤鍋爐的煤耗成本；

3.蓄熱電鍋爐的耗電成本。

（1）常規(guī)火電機組i在設(shè)定時間段內(nèi)所耗費的煤成本計算式為：

（2）熱電聯(lián)產(chǎn)機組煤耗成本：背壓式供熱機組中煤耗成本計算式和常規(guī)火電機組相同。抽汽式供熱機組需要將電出力以及熱出力轉(zhuǎn)換為電功率，將其代入到式（1）中，則能夠得到對應(yīng)的煤耗成本，具體的計算式為：

（3）在設(shè)定時間段內(nèi)燃煤鍋的煤耗成本計算式為：

（4）蓄熱電鍋爐耗電成本計算式能夠表示為以下的形式：

四、結(jié)語

針對傳統(tǒng)的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲熱模型存在的一系列問題，本文設(shè)計并提出基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲熱模型。仿真結(jié)果表明，所提儲熱模型能夠有效降低煤炭量以及棄風(fēng)率，同時還能夠有效減少運行成本，得到最佳儲熱方案。