蓄熱式電鍋爐的風(fēng)電消納研究

李丹東

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710065)

1 研究背景和意義

風(fēng)能以其清潔可再生的優(yōu)勢(shì)已成為世界新能源技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)。我國(guó)已探明可開發(fā)陸上風(fēng)能約為10億kW。至2020年底,我國(guó)預(yù)計(jì)風(fēng)電建設(shè)總投資將超過7 000億元。風(fēng)力發(fā)電的出力受限于風(fēng)速的波動(dòng),無法提前規(guī)劃,導(dǎo)致電網(wǎng)為了滿足調(diào)峰調(diào)頻要求和保證系統(tǒng)安全,只能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行棄風(fēng)限電。以火電和熱電為基礎(chǔ)的電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)制不能適應(yīng)風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)。我國(guó)的棄風(fēng)電量嚴(yán)重,僅以2016年為例,就達(dá)到497億kW·h,棄風(fēng)率高達(dá)20.6%,造成的經(jīng)濟(jì)損失占當(dāng)年風(fēng)力發(fā)電投資的14%。隨著國(guó)家對(duì)棄風(fēng)的日益重視,提出力爭(zhēng)在2020年將棄風(fēng)率控制在5%以下。因此,我國(guó)關(guān)于大規(guī)模的風(fēng)電消納的研究雖處于起步階段,但政府、電網(wǎng)和風(fēng)電企業(yè)都在探尋消納過剩風(fēng)能的有效方法。

由于我國(guó)的風(fēng)電跨區(qū)域輸送設(shè)施和輸送技術(shù)仍不完善,風(fēng)電消納只能以就地消納為主。風(fēng)電就地消納的方法分為以下幾種：蓄水儲(chǔ)能、棄風(fēng)輸送、棄風(fēng)儲(chǔ)能、風(fēng)電供熱。其中風(fēng)電供熱蓄熱在經(jīng)濟(jì)效益和消納不確定棄風(fēng)上具有更好的表現(xiàn)。2017年國(guó)家能源局下發(fā)《關(guān)于促進(jìn)可再生能源供熱的意見》,鼓勵(lì)和推進(jìn)北方地區(qū)冬季風(fēng)電供熱。

風(fēng)電供熱的方式包含以下幾種形式：離網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組獨(dú)立供暖、風(fēng)電互補(bǔ)供暖、風(fēng)光互補(bǔ)供暖、風(fēng)光電互補(bǔ)供暖、熱-電機(jī)組或風(fēng)-電機(jī)組或蓄熱式電鍋爐互補(bǔ)供暖,其中利用蓄熱式電鍋爐完成電熱能量在時(shí)間上的轉(zhuǎn)移,消納供暖期內(nèi)的棄風(fēng)電量,是目前就地解決棄風(fēng)現(xiàn)象的有效方案。

2 蓄熱式電鍋爐工作原理

蓄熱式電鍋爐的本質(zhì)為電熱轉(zhuǎn)換的電負(fù)荷,是一種高效、清潔的電加熱設(shè)備。在電力系統(tǒng)中,蓄熱式電鍋爐負(fù)荷低谷時(shí)通過風(fēng)電進(jìn)行制熱蓄熱,提高電網(wǎng)低谷時(shí)段的用電負(fù)荷,消納供暖期的電網(wǎng)無法利用的風(fēng)電出力,同時(shí)在負(fù)荷高峰時(shí)利用儲(chǔ)蓄的熱能進(jìn)行供熱,降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)能量的時(shí)段轉(zhuǎn)移,打破“以熱定電”的限制,穩(wěn)定電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

相對(duì)于傳統(tǒng)的煤炭鍋爐,在利用風(fēng)電場(chǎng)冬季采暖期棄風(fēng)供熱的同時(shí),把傳統(tǒng)的化石燃料和灰渣輸送變?yōu)殡娏斔?改變了我國(guó)北方地區(qū)傳統(tǒng)的熱電機(jī)組和燃煤鍋爐構(gòu)成的集中供熱模式,不僅有效降低了區(qū)域內(nèi)的環(huán)境污染,節(jié)約了投資成本和殘?jiān)奶幚沓杀?而且蓄熱式電鍋爐具有靈活可控性,不需要時(shí)刻保持運(yùn)行狀態(tài)。蓄熱式電鍋爐消納風(fēng)電供熱示意圖如圖1所示。

圖1 電-熱時(shí)移特性棄風(fēng)消納示意

從上述的分析可以看出,在一年中供暖需求高峰的冬季,以及一天中用電低谷的夜晚時(shí)段,風(fēng)能資源豐富,風(fēng)電機(jī)組出力高,但是電網(wǎng)中由于熱電機(jī)組占據(jù)了大量的消納空間,導(dǎo)致發(fā)出的風(fēng)電被迫要放棄?？紤]到這些時(shí)間段內(nèi)的熱需求高,棄風(fēng)大,結(jié)合蓄熱式電鍋爐的電熱時(shí)移特性,利用棄風(fēng)電力作為蓄熱電鍋爐的電源。蓄熱式電鍋爐工作產(chǎn)生的熱量一部分與現(xiàn)有熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的低溫?zé)峋W(wǎng)循環(huán)水加熱系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)需求側(cè)用戶供熱,一部分用于儲(chǔ)蓄,在負(fù)荷高峰進(jìn)行供暖,減輕熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的壓力,為風(fēng)電調(diào)度并網(wǎng)提供更多空間。

圖2 固體蓄熱式電鍋爐原理結(jié)構(gòu)示意圖

蓄熱式電鍋爐的供給源為風(fēng)電,運(yùn)行功率可以表示為：

式中Pbi—蓄熱式電鍋爐加熱時(shí)的功率；

Pw—風(fēng)電發(fā)電功率；

η—風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率；

α—制熱的損耗率。

需求側(cè)的供熱負(fù)荷決定了蓄熱式電鍋爐的供暖功率,供熱負(fù)荷受到多種因素的影響,包括溫度,濕度等氣象因素,以及管道、建筑的散熱效率等,其中溫度的變化是影響供暖需求最主要的原因。為了保持室內(nèi)供暖溫度的穩(wěn)定性以及降低能源損耗,供熱負(fù)荷需要對(duì)室內(nèi)與室外溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)：

式中Pbo—蓄熱式電鍋爐供暖時(shí)的功率；

J—熱電站供熱范圍內(nèi)的建筑數(shù)量；

qi—建筑j的單位面積散熱指標(biāo)；

Si—建筑j的面積；

Tji—建筑j的室內(nèi)溫度,一般為16～20℃；

Tjo—建筑j的室外溫度；

ΔPr—位傳輸過程中的熱損失。

蓄熱式電鍋爐實(shí)現(xiàn)了電-熱能量的轉(zhuǎn)化和時(shí)移,在夜晚風(fēng)電高發(fā)期利用原本的棄風(fēng)電量進(jìn)行制熱蓄熱,而在電負(fù)荷較高的白天時(shí)段利用儲(chǔ)存的熱能向用戶供熱,緩解了熱電機(jī)組的熱負(fù)荷,提高了系統(tǒng)調(diào)度的靈活性。從經(jīng)濟(jì)性上看,蓄熱式電鍋爐將過剩風(fēng)電加以利用,起到一定的削峰填谷功能,降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組出力,減少化石能源的使用,達(dá)到節(jié)能減排的目的,降低系統(tǒng)總體的運(yùn)行成本。

3 基于風(fēng)速預(yù)測(cè)與蓄熱式電鍋爐的風(fēng)電消納研究

風(fēng)力發(fā)電收到風(fēng)速變化波動(dòng)性與隨機(jī)性的限制,具有嚴(yán)重的不確定性,加上冬季供暖期內(nèi)的“風(fēng)熱沖突”依然是影響風(fēng)電消納的主要原因,蓄熱式電鍋爐一方面作為電網(wǎng)負(fù)荷,在風(fēng)電高發(fā)期利用風(fēng)電進(jìn)行制熱蓄熱,另一方面解耦熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行約束,實(shí)現(xiàn)了電熱的時(shí)移轉(zhuǎn)換,提高了系統(tǒng)的調(diào)峰能力。需要對(duì)蓄熱式電鍋爐的運(yùn)行策略的分析,建立優(yōu)化調(diào)度模型,從風(fēng)電消納和經(jīng)濟(jì)效益兩方面驗(yàn)證了基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的運(yùn)行策略的有效性。

3.1 基于蓄熱式電鍋爐的風(fēng)電消納控制策略

風(fēng)速的季節(jié)性變化較為明顯,風(fēng)速波動(dòng)范圍比較大,根據(jù)波峰風(fēng)速和谷底風(fēng)速對(duì)應(yīng)的時(shí)間,6月至9月平均風(fēng)速與平均風(fēng)功率密度較小,11月至次年2月(冬季)平均風(fēng)速與平均風(fēng)功率密度較大,風(fēng)速與風(fēng)功率密度的月變化趨勢(shì)基本一致,存在比較明顯的波動(dòng)性與間歇性。風(fēng)電高發(fā)期與我國(guó)的供熱期重疊程度較高,風(fēng)電消納量也明顯高于非供熱期,而此時(shí)由于熱電機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行狀態(tài),嚴(yán)重壓縮了電網(wǎng)中消納風(fēng)電的空間,雖然電網(wǎng)系統(tǒng)為了應(yīng)對(duì)風(fēng)電隨機(jī)波動(dòng)會(huì)預(yù)留一定調(diào)控容量。但是在供熱時(shí)段內(nèi)的負(fù)荷低谷期,調(diào)峰容量十分有限,造成大量風(fēng)電棄風(fēng)。

蓄熱式電鍋爐在高棄風(fēng)時(shí)段進(jìn)行工作,產(chǎn)生的熱量一部分與現(xiàn)有熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的低溫?zé)峋W(wǎng)循環(huán)水加熱系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)對(duì)需求側(cè)用戶供熱,一部分用于儲(chǔ)蓄,在負(fù)荷高峰進(jìn)行供暖,實(shí)現(xiàn)電熱的時(shí)移,減輕熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的壓力,為風(fēng)電調(diào)度并網(wǎng)提供更多空間。相比于傳統(tǒng)的鍋爐,蓄熱式電鍋爐利用風(fēng)電供熱不僅有效緩解化石能源造成的環(huán)境污染問題,同時(shí)可以大量利用優(yōu)質(zhì)風(fēng)資源,達(dá)到降低風(fēng)電棄風(fēng)的目的。

本文采用的蓄熱式電鍋爐消納風(fēng)電的運(yùn)行策略有兩種：

(1)基于分時(shí)電價(jià)的兩階段運(yùn)行方式

我國(guó)為了鼓勵(lì)風(fēng)電的就地消納,針對(duì)風(fēng)電供熱項(xiàng)目的用電執(zhí)行大工業(yè)用戶用電,每日根據(jù)不同的時(shí)間段,將用電分為“峰、谷、平”三個(gè)時(shí)段,具體時(shí)間段的劃分如下：

表1 不同用電時(shí)段劃分

在此基礎(chǔ)上,為了節(jié)約運(yùn)行成本,蓄熱式電鍋爐可以根據(jù)分時(shí)電價(jià)設(shè)置兩階段運(yùn)行方式：在每日的部分用電谷段以及部分用電平段,即每日21：00至次日7：00,由于該時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)力資源豐富,風(fēng)電出力較高,電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力較低,在該時(shí)間段內(nèi)蓄熱式電鍋爐以額定功率運(yùn)行,以較低的電價(jià)進(jìn)行蓄熱；在這段時(shí)間之外,電價(jià)恢復(fù)正常水平,蓄熱式電鍋爐停止運(yùn)行,僅向外進(jìn)行供暖,降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的負(fù)荷,為電力系統(tǒng)獲取更多接納風(fēng)電的空間。

(2)跟蹤風(fēng)電功率的運(yùn)行方式

將蓄熱式電鍋爐作為電網(wǎng)中的可調(diào)節(jié)負(fù)荷,對(duì)其運(yùn)行功率根據(jù)風(fēng)功率的預(yù)測(cè)出力進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是短時(shí)間內(nèi)過多的調(diào)節(jié)次數(shù)會(huì)嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命,為了降低跟蹤風(fēng)電功率運(yùn)行方式的調(diào)節(jié)次數(shù),根據(jù)蓄熱式電鍋爐的額定制熱功率將其運(yùn)行功率劃分為多個(gè)檔位,基于第三章建立的風(fēng)速預(yù)測(cè)模型獲得未來的一小時(shí)內(nèi)的風(fēng)速預(yù)測(cè)序列,根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的處理模型進(jìn)行風(fēng)功率預(yù)測(cè),將風(fēng)電功率和蓄熱式電鍋爐的剩余容量作為決策變量來控制運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行功率。

如圖3所示,依據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的剩余熱量容納空間,若風(fēng)電功率Pw(v)大于等于額定功率時(shí),并且直到下一次功率改變前產(chǎn)生的熱量小于剩余容量,則電鍋爐以額定功率運(yùn)行,否則將運(yùn)行功率下降一個(gè)檔位并重新判斷,直到選擇出合適的制熱功率；當(dāng)風(fēng)電功率Pw(v)大于0小于時(shí),并且在該功率下運(yùn)行直到下一次功率改變前產(chǎn)生的熱量小于剩余容量,電鍋爐以風(fēng)電功率Pw(v)所處檔位運(yùn)行,否則將運(yùn)行功率下降一個(gè)檔位并重新判斷,直到選擇出合適的制熱功率。在該策略中,蓄熱式電鍋爐能夠配合風(fēng)電出力盡可能消納風(fēng)電,同時(shí)避免在風(fēng)電出力較低的情況下,電鍋爐的運(yùn)行功率過大造成的經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 跟蹤風(fēng)電運(yùn)行策略流程圖

式中Pd—蓄熱式電鍋爐在檔位d下的運(yùn)行功率；

Qbr—剩余容量,Qdmax為額定功率下1小時(shí)儲(chǔ)蓄的熱量；

Qd—檔位d下1小時(shí)儲(chǔ)蓄的熱量。

3.2 基于蓄熱式電鍋爐的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

根據(jù)上述分析,建立包含蓄熱式電鍋爐的電力調(diào)度系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 引入蓄熱式電鍋爐的調(diào)度系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)中主要包含電能和熱能的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)與使用。兩種能量之間存在著較為復(fù)雜的耦合關(guān)系,因此首先將各個(gè)部分的模型從能量角度對(duì)主要構(gòu)成部分進(jìn)行詳細(xì)描述,忽略傳輸和損耗部分,以此簡(jiǎn)化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行劃分,系統(tǒng)中存在著能量供給部分,能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)部分以及能量輸出部分。

3.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)情景與參數(shù)

為了驗(yàn)證基于風(fēng)速預(yù)測(cè)出力的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠配合電網(wǎng)更有效地進(jìn)行風(fēng)電消納,針對(duì)以下三種情景根據(jù)上述的約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。三種情景分別為：

情景Ⅰ)實(shí)驗(yàn)僅包含火電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組,不考慮蓄熱式電鍋爐；

情景Ⅱ)在情景Ⅰ的基礎(chǔ)上,加入蓄熱式電鍋爐,同時(shí)蓄熱式電鍋爐采用兩段式運(yùn)行方式；

情景Ⅲ)在情景Ⅱ的基礎(chǔ)上,加入蓄熱式電鍋爐,同時(shí)蓄熱式電鍋爐采用跟蹤風(fēng)電預(yù)測(cè)功率的運(yùn)行方式,將蓄熱式電鍋爐的功率以每2 MW劃分為一個(gè)檔位,獲得[0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20]合計(jì)分成11個(gè)檔位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)上述情景分析,利用PSCAD仿真軟件,在IEEE3機(jī)9節(jié)點(diǎn)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),其中7,9節(jié)點(diǎn)分別接入火電機(jī)組和熱電機(jī)組,風(fēng)電機(jī)組和蓄熱式電鍋爐接入8節(jié)點(diǎn)。

調(diào)度模型中各機(jī)組、蓄熱式電鍋爐的仿真參數(shù)如表2、3、4所示,電負(fù)荷和熱負(fù)荷需求如圖5所示,風(fēng)電預(yù)測(cè)出力曲線如圖6所示。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)出力曲線

表2 火電機(jī)組和熱電機(jī)組的仿真參數(shù)

表3 蓄熱式電鍋爐仿真參數(shù)

表4 調(diào)度系統(tǒng)參數(shù)

圖5 電、熱負(fù)荷需求曲線

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合上述分析,表5給出了三種情景下的風(fēng)電消納量,棄風(fēng)電量和棄風(fēng)率,表6給出了三種情景下各機(jī)組的運(yùn)行成本、棄風(fēng)成本以及典型日內(nèi)的總體發(fā)電成本。

表5 各情景模式風(fēng)電消納數(shù)據(jù)對(duì)比

表6 各情景模式運(yùn)行成本對(duì)比 單位：元

可以看出情景Ⅱ在引入蓄熱式電鍋爐后,風(fēng)電消納量增加了93.74 MW,有效提高了系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電的利用率,同時(shí)棄風(fēng)成本下降了8 870.42元,并且由于解耦了熱電機(jī)組的運(yùn)行約束,降低其出力水平,系統(tǒng)總體運(yùn)行成本下降了10 344.2元。而情景Ⅲ利用短期風(fēng)速預(yù)測(cè)模型有效跟蹤風(fēng)功率水平,從而調(diào)節(jié)蓄熱式電鍋爐運(yùn)行功率,避免了在風(fēng)電出力較低的時(shí)段以額定功率運(yùn)行,提高了風(fēng)電消納能力,雖然熱電機(jī)組相較于情景Ⅱ出力變高,但是總體運(yùn)行成本下降了4 351.86元,總體來看,情景Ⅲ的風(fēng)電消納能力和運(yùn)行成本在三種運(yùn)行方式中最優(yōu)。若按情景Ⅲ的風(fēng)電消納情況進(jìn)行估計(jì),該系統(tǒng)利用電網(wǎng)谷段電力比例為89.16%,每年利用電網(wǎng)谷段電力約為11.6 GWh,假設(shè)這部分谷段電力全部來自風(fēng)電出力,所對(duì)應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)可以減少棄風(fēng)小時(shí)數(shù)約234.4 h,占風(fēng)資源等效利用小時(shí)數(shù)的9.3%,同時(shí)節(jié)約煤耗3 823 t。

3.4 結(jié)論

針對(duì)冬季供暖期內(nèi)影響風(fēng)電消納的“風(fēng)熱沖突”因素,在傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)中引入蓄熱式電鍋爐,建立了風(fēng)電消納的優(yōu)化調(diào)度模型,采用基于分時(shí)電價(jià)的兩段式運(yùn)行方式和短期風(fēng)速預(yù)測(cè)模型,跟蹤預(yù)測(cè)風(fēng)功率的運(yùn)行方式,以系統(tǒng)棄風(fēng)量最小和運(yùn)行成本最優(yōu)為目標(biāo)函數(shù),以及能量轉(zhuǎn)化平衡和各個(gè)模塊之間的運(yùn)行約束,對(duì)三種不同場(chǎng)景下的風(fēng)電消納能力與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明：蓄熱式電鍋爐能夠有效提高系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力,解耦熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行約束,取得較好的經(jīng)濟(jì)效益；在跟蹤風(fēng)電功率的運(yùn)行方式下,能提高系統(tǒng)的調(diào)峰能力,降低總成本。

4 研究工作總結(jié)

針對(duì)我國(guó)風(fēng)電快速發(fā)展下棄風(fēng)嚴(yán)重的問題,本文提出了一種跟蹤風(fēng)功率的蓄熱式電鍋爐運(yùn)行方式相結(jié)合的風(fēng)電消納方案。本文有待進(jìn)一步完善之處：

(1)本文雖對(duì)環(huán)境溫濕度、氣壓對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究,但風(fēng)速是一種多因素引起的自然現(xiàn)象,對(duì)降雨量、風(fēng)切變、氣壓等影響因素沒有考慮。

(2)僅對(duì)風(fēng)電消納進(jìn)行了研究,實(shí)際上分布式光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電的多能互補(bǔ)、儲(chǔ)能電池與抽水儲(chǔ)能模式組合,組成多源-荷-儲(chǔ)(熱-電)聯(lián)合系統(tǒng)更有意義。