大規(guī)模棄風(fēng)與儲(chǔ)熱協(xié)調(diào)調(diào)控評(píng)估方法

張?jiān)娿g，楚 帥，葛維春,3，李音璇，劉 闖

（1東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；3國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；4國(guó)網(wǎng)天津市營(yíng)銷服務(wù)中心（計(jì)量中心），天津 300120）

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)推動(dòng)下，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量逐年增加[1]。由于風(fēng)力發(fā)電具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)[2]，降低了風(fēng)電的利用率，導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生大量的棄風(fēng)電量[3]。在北方地區(qū)，電網(wǎng)可將棄風(fēng)電量用于儲(chǔ)熱供暖，實(shí)現(xiàn)棄風(fēng)消納[4]，不僅能降低儲(chǔ)熱成本，減少煤炭消耗，還能提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力[5]。

目前應(yīng)用儲(chǔ)熱技術(shù)提高棄風(fēng)消納的研究得到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[6]采用改進(jìn)粒子群算法，提出一種基于需求響應(yīng)的含儲(chǔ)熱裝置的優(yōu)化調(diào)度模型，將儲(chǔ)熱機(jī)組與負(fù)荷側(cè)響應(yīng)方法相結(jié)合，提高棄風(fēng)電量消納能力。文獻(xiàn)[7]研究了電儲(chǔ)熱消納棄風(fēng)電量與同等熱量下燃煤鍋爐的煤耗換算關(guān)系，建立了電、熱鍋爐聯(lián)合消納棄風(fēng)的綜合效益分析模型，大幅減少燃煤鍋爐煤耗，提升經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。文獻(xiàn)[8]針對(duì)風(fēng)電下調(diào)峰需求，對(duì)比分析了低壓缸切除、儲(chǔ)熱、電鍋爐方案的電熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行關(guān)系，低壓缸切除方案和儲(chǔ)熱方案的配合既可實(shí)現(xiàn)機(jī)組燃料的高效利用，亦可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的靈活運(yùn)行。文獻(xiàn)[9]針對(duì)西北地區(qū)棄風(fēng)限電問(wèn)題，構(gòu)建了含儲(chǔ)熱光熱電站與風(fēng)電系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型，優(yōu)化了系統(tǒng)風(fēng)電消納能力的同時(shí)降低旋轉(zhuǎn)備用成本。文獻(xiàn)[10]采用模塊化的系統(tǒng)集成思路，以復(fù)合相變儲(chǔ)熱材料為核心，將電加熱模塊、儲(chǔ)熱模塊、換熱模塊和控制模塊進(jìn)行有機(jī)組合，建立36 MW·h 級(jí)的工業(yè)示范系統(tǒng)，分析供暖期系統(tǒng)的儲(chǔ)熱性能和供暖運(yùn)行情況，為系統(tǒng)改良和應(yīng)用推廣建立基礎(chǔ)。

電儲(chǔ)熱作為一種靈活性資源，不僅能提高電力系統(tǒng)的靈活性與調(diào)峰能力[11-12]，還能夠?qū)崿F(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)能解決風(fēng)電導(dǎo)致的季節(jié)性電量不平衡問(wèn)題[13-14]。電儲(chǔ)熱在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的成本主要來(lái)自電費(fèi)成本，即使利用低谷電儲(chǔ)熱供暖，其成本也令開(kāi)發(fā)商難以接受，因此，利用價(jià)格低廉的棄風(fēng)電量進(jìn)行儲(chǔ)熱供暖擁有更廣闊的發(fā)展前景。本文深入研究了棄風(fēng)規(guī)律，建立了棄風(fēng)功率與儲(chǔ)熱容量匹配關(guān)系，分析了儲(chǔ)熱負(fù)荷運(yùn)行特性，提出了棄風(fēng)功率與儲(chǔ)熱功率協(xié)調(diào)調(diào)度方法以及棄風(fēng)與儲(chǔ)熱評(píng)估模型。

1 棄風(fēng)與儲(chǔ)熱匹配模型

電網(wǎng)儲(chǔ)熱裝置容量與棄風(fēng)電量的合理匹配關(guān)系是實(shí)現(xiàn)高效棄風(fēng)供暖的核心。儲(chǔ)熱裝置容量越大，能夠消納的棄風(fēng)電量就會(huì)越多，從而減少棄風(fēng)現(xiàn)象。當(dāng)儲(chǔ)熱裝置最大容量超過(guò)棄風(fēng)電量時(shí)，儲(chǔ)熱裝置就有能力全額消納棄風(fēng)電量。盡管擴(kuò)大儲(chǔ)熱裝置容量能夠提高棄風(fēng)消納量，但是考慮到以下3個(gè)方面的約束，儲(chǔ)熱裝置配置的容量不能無(wú)限擴(kuò)大。一是電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)熱容量的需求是有限度的；二是儲(chǔ)熱容量配置過(guò)大，儲(chǔ)熱利用效率就會(huì)下降，投資也過(guò)大；三是電網(wǎng)除采用棄風(fēng)供暖外同時(shí)還會(huì)采用其他調(diào)節(jié)手段消納棄風(fēng)[15-16]。因此，電網(wǎng)要合理配置儲(chǔ)熱容量，電網(wǎng)配置儲(chǔ)熱容量PC與年棄風(fēng)電量PNQW的大小、年最大棄風(fēng)功率PNQWM、最大日棄風(fēng)電量PRQWM有關(guān)。

1.1 全額消納棄風(fēng)電量?jī)?chǔ)熱與棄風(fēng)匹配模型

1.1.1 年最大棄風(fēng)功率與儲(chǔ)熱功率的匹配關(guān)系

首先，根據(jù)電網(wǎng)歷史棄風(fēng)數(shù)據(jù)，計(jì)算年最大棄風(fēng)功率PNQWM、年棄風(fēng)電量PNQW和最大日棄風(fēng)電量PRQWM。以一年歷史棄風(fēng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，則年棄風(fēng)最大功率PNQWM可用式(1)表達(dá)

式中，PQW(I，J)為第I天、第J小時(shí)的棄風(fēng)功率。

通過(guò)式(1)，對(duì)PQW(I，J)中的365×24 個(gè)棄風(fēng)功率選取最大值，即為年最大棄風(fēng)功率。只要儲(chǔ)熱配置功率大于等于棄風(fēng)最大功率，就具備全額消納棄風(fēng)的條件，如式(2)所示

式(2)并不能完全確定全額消納棄風(fēng)電量，還應(yīng)進(jìn)一步確定儲(chǔ)熱容量與棄風(fēng)電量的匹配關(guān)系。

1.1.2 年棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱容量的匹配關(guān)系

年棄風(fēng)電量PNQW可由式(3)表達(dá)

式中，M代表一天24小時(shí)；N代表一年365天。對(duì)PQW(I，J)中的365×24 個(gè)棄風(fēng)功率求和計(jì)算，即可計(jì)算出一年棄風(fēng)電量。

根據(jù)儲(chǔ)熱裝置容量PC計(jì)算一年的儲(chǔ)熱容量PNCQ，可由式(4)所示

式中，K代表供暖期天數(shù)；β代表儲(chǔ)熱裝置一天連續(xù)運(yùn)行小時(shí)數(shù)。不同地區(qū)，K值是不一樣的，有的210 天，也有120 天；β在儲(chǔ)熱裝置僅加熱不放熱時(shí)大約等于7，在加熱和放熱同時(shí)進(jìn)行時(shí)可以超過(guò)10。因此，儲(chǔ)熱容量與棄風(fēng)電量匹配關(guān)系如式(5)所示

式(5)表明，只要儲(chǔ)熱裝置年儲(chǔ)熱能力大于等于年棄風(fēng)電量，就有可能全額消納棄風(fēng)。

1.1.3 最大日棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱容量的匹配關(guān)系

一年中最大日棄風(fēng)電量PRQWM，如式(6)所示

式(6)表達(dá)的是在365個(gè)日棄風(fēng)電量中，選擇一個(gè)最大值。只有儲(chǔ)熱裝置容量在滿足日最大棄風(fēng)電量PRQWM的需求時(shí)，儲(chǔ)熱裝置容量才能與棄風(fēng)電量相匹配。

根據(jù)式(4)可以看出，儲(chǔ)熱裝置每日運(yùn)行容量是有約束的，通常最多能連續(xù)運(yùn)行10 h，當(dāng)然，如果儲(chǔ)熱裝置連續(xù)釋熱，運(yùn)行時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，但無(wú)論如何總是有限的。儲(chǔ)熱容量與棄風(fēng)電量的匹配關(guān)系又可由式(7)表達(dá)

式(2)、式(5)和式(7)從不同角度描述了電網(wǎng)為全額消納棄風(fēng)電量而需投入的儲(chǔ)熱功率和容量，最直接而有說(shuō)服力的指標(biāo)是式(7)所表達(dá)的滿足最大日棄風(fēng)電量要求，它隱含了對(duì)儲(chǔ)熱裝置的功率要求和連續(xù)運(yùn)行時(shí)間要求。然而，工程上不能全額消納棄風(fēng)的情況下，按照式(7)配置儲(chǔ)熱裝置可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)熱容量偏大，不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

1.2 部分消納棄風(fēng)電量?jī)?chǔ)熱與棄風(fēng)匹配模型

實(shí)際上，電網(wǎng)為了全額消納棄風(fēng)電量不會(huì)僅采用單一的儲(chǔ)熱技術(shù)措施，因此，為了提高儲(chǔ)熱裝置的利用效率，可以依據(jù)式(1)計(jì)算出的年棄風(fēng)最大功率PNQWM，給定一個(gè)比例系數(shù)L，來(lái)確定儲(chǔ)熱裝置配置的功率，如式(8)所示

按式(8)配置儲(chǔ)熱功率后，儲(chǔ)熱裝置就不能全額消納棄風(fēng)電量。那么，棄風(fēng)電量就包含兩個(gè)部分，一是棄風(fēng)功率低于儲(chǔ)熱功率部分，這部分棄風(fēng)能被全額消納；另一部分是棄風(fēng)功率高于儲(chǔ)熱功率部分，這部分棄風(fēng)電量的消納只能由其他措施完成。因此，當(dāng)棄風(fēng)功率低于儲(chǔ)熱功率時(shí)，被儲(chǔ)熱裝置消納的棄風(fēng)功率PXQW等于實(shí)際棄風(fēng)功率PQW；當(dāng)棄風(fēng)功率高于儲(chǔ)熱功率時(shí)，被儲(chǔ)熱裝置消納的棄風(fēng)功率PXQW等于儲(chǔ)熱裝置配置功率PC，如式(9)所示

根據(jù)式(8)確定的儲(chǔ)熱裝置配置容量，一年中實(shí)際消納的總棄風(fēng)電量等于每天每個(gè)小時(shí)消納掉的棄風(fēng)功率之和，如式(10)所示

當(dāng)棄風(fēng)電力高于儲(chǔ)熱裝置配置功率時(shí)，剩余電量只能被棄掉。未能消納的棄風(fēng)電量PQWQ可以由式(11)表示

儲(chǔ)熱按式(8)配置功率后，消納的棄風(fēng)電量占比?可用式(12)表示

可見(jiàn)，當(dāng)棄風(fēng)功率高于儲(chǔ)熱功率時(shí)，儲(chǔ)熱裝置配置比例系數(shù)L越大，消納的棄風(fēng)電量占比?也越大。

1.3 棄風(fēng)發(fā)生的時(shí)序分析模型

棄風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)序分析是儲(chǔ)熱裝置投入策略的依據(jù)，對(duì)于棄風(fēng)功率PQW(I，J)，只要大于等于臨界值ε，就記錄TQW(I，J)=1，否則，TQW(I，J)=0，如式(13)所示

式中，TQW(I，J)表達(dá)的就是棄風(fēng)發(fā)生的時(shí)序，為1 表示發(fā)生了棄風(fēng)，為0 就沒(méi)有發(fā)生棄風(fēng)。連續(xù)為1的個(gè)數(shù)，就是連續(xù)發(fā)生棄風(fēng)的小時(shí)數(shù)。

那么，總的棄風(fēng)小時(shí)數(shù)TNQW即可由式(14)表達(dá)

當(dāng)N為365、M為24 時(shí)，式(14)表達(dá)的就是一年棄風(fēng)小時(shí)數(shù)；如果N為一個(gè)月30天，M為24時(shí)，式(14)表達(dá)的就是一個(gè)月的棄風(fēng)小時(shí)數(shù)；如果N為一年一個(gè)取暖季的天數(shù)，例如150 天，M為每天24小時(shí)，式(14)表達(dá)的就是取暖季棄風(fēng)小時(shí)數(shù)；如果N為一年365 天，M為每天低谷時(shí)段的小時(shí)數(shù)，例如10小時(shí)，式(14)表達(dá)的就是低谷時(shí)段的棄風(fēng)小時(shí)數(shù)；如果N為一年一個(gè)取暖季的天數(shù)，例如150 天，M為每天低谷時(shí)段的小時(shí)數(shù)，例如10 小時(shí)，式(14)表達(dá)的就是取暖季低谷時(shí)段的棄風(fēng)小時(shí)數(shù)。

同樣地，還可以計(jì)算棄風(fēng)功率小于儲(chǔ)熱裝置配置功率PC的棄風(fēng)小時(shí)數(shù)。當(dāng)棄風(fēng)功率PQW(I，J)小于儲(chǔ)熱裝置容量PC時(shí)，記錄TXQW(I，J)=1，否則，TXQW(I，J)=0，如式(15)所示

那么，棄風(fēng)功率小于儲(chǔ)熱裝置容量PC的總小時(shí)數(shù)TNXQW即可由式(16)表達(dá)

當(dāng)棄風(fēng)功率超過(guò)儲(chǔ)熱裝置額定容量PC時(shí)，即使儲(chǔ)熱裝置滿負(fù)荷投入，也不能全額消納棄風(fēng)。從而，可計(jì)算出在儲(chǔ)熱裝置滿負(fù)荷PC投入使用的情況下，仍有棄風(fēng)不能被消納的總小時(shí)數(shù)TC，如式(17)所示

2 電儲(chǔ)熱運(yùn)行特性

實(shí)際電網(wǎng)中的電儲(chǔ)熱裝置可以當(dāng)做負(fù)荷，通常分為兩類，一類是分布式電儲(chǔ)熱負(fù)荷，為低谷運(yùn)行方式，每天低谷時(shí)段開(kāi)始投入，低谷結(jié)束退出，如式(18)所示

式中，PL表示電網(wǎng)負(fù)荷；PLC表示分布式儲(chǔ)熱投入功率；t1表示低谷起始時(shí)間；t2表示低谷結(jié)束時(shí)間；T表示運(yùn)行溫度；TM表示運(yùn)行溫度上限。式(18)表明電網(wǎng)運(yùn)行到低谷起始時(shí)間t1投入儲(chǔ)熱裝置，在低谷結(jié)束時(shí)間t2退出儲(chǔ)熱裝置；當(dāng)儲(chǔ)熱裝置運(yùn)行溫度T≥TM時(shí)，儲(chǔ)熱裝置也退出。

分布式電儲(chǔ)熱負(fù)荷只在電網(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行，電網(wǎng)低谷時(shí)段正是電網(wǎng)調(diào)峰最困難時(shí)段，如果此時(shí)段有大量風(fēng)力發(fā)電需求，電網(wǎng)就極易發(fā)生棄風(fēng)電現(xiàn)象，有了儲(chǔ)熱負(fù)荷，就會(huì)為風(fēng)力發(fā)電提供空間。因此，分布式電儲(chǔ)熱負(fù)荷消納的不全是棄風(fēng)電，但一定是低谷電。

集中式電儲(chǔ)熱方式，按電網(wǎng)調(diào)度指令運(yùn)行，當(dāng)電網(wǎng)即將或已經(jīng)出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象時(shí)投入，棄風(fēng)現(xiàn)象消失時(shí)退出，運(yùn)行模型如式(19)所示

式中，PG表示電網(wǎng)發(fā)電功率。PLC表示集中式儲(chǔ)熱投入功率。當(dāng)電網(wǎng)將要或已經(jīng)出現(xiàn)棄風(fēng)時(shí)，投入集中式儲(chǔ)熱裝置，當(dāng)運(yùn)行溫度T≥TM時(shí)裝置退出。

對(duì)于一個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠，儲(chǔ)熱裝置的投入相當(dāng)于減少發(fā)電廠的上網(wǎng)電力，提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰能力，調(diào)峰裕度PGF下限由原來(lái)的PGm進(jìn)一步降低，可由式(20)表示

如果一個(gè)熱電廠的儲(chǔ)熱功率按50%容量配置，則當(dāng)發(fā)電廠發(fā)電的負(fù)荷率降到50%時(shí)，上網(wǎng)電力就相當(dāng)于零。所以，發(fā)電廠配置50%儲(chǔ)熱，可以在電網(wǎng)低谷時(shí)段等同于停機(jī)。

綜上所述，不論是集中式電儲(chǔ)熱，還是分布式電儲(chǔ)熱，都是電網(wǎng)消納棄風(fēng)電的重要措施。分布式儲(chǔ)熱跟蹤負(fù)荷曲線，主要目標(biāo)為消納低谷電量，同時(shí)也會(huì)消納低谷期的部分棄風(fēng)電量；而集中式儲(chǔ)熱跟蹤棄風(fēng)現(xiàn)象，其目標(biāo)是消納棄風(fēng)電量。

3 電網(wǎng)棄風(fēng)儲(chǔ)熱協(xié)調(diào)評(píng)估方法

電網(wǎng)利用棄風(fēng)電量制熱儲(chǔ)熱，能夠?qū)⒋罅康臈夛L(fēng)電量變廢為寶。原本棄掉的風(fēng)電代替從電網(wǎng)購(gòu)電制熱儲(chǔ)熱，大幅降低了供暖成本、減少了煤炭消耗、提高了風(fēng)電接納能力。如果儲(chǔ)熱能夠跟隨棄風(fēng)運(yùn)行，必將大幅提高儲(chǔ)熱的利用效率和效果。

儲(chǔ)熱能否跟隨棄風(fēng)主要取決于兩者運(yùn)行時(shí)段是否一致。記錄棄風(fēng)時(shí)間序列TQW(I，J)、儲(chǔ)熱投入時(shí)間序列TC(I，J)，如式(21)和式(22)所示

式中，ε為實(shí)際發(fā)生棄風(fēng)閥值。

為評(píng)估棄風(fēng)出現(xiàn)后，儲(chǔ)熱跟隨棄風(fēng)能力，將棄風(fēng)時(shí)間序列TQW(I，J)和儲(chǔ)熱投入時(shí)間序列TC(I，J)進(jìn)行“與”運(yùn)算后，形成新的時(shí)間序列TWC(I，J)，如式(23)所示

TWC(I，J)為儲(chǔ)熱投入和棄風(fēng)時(shí)段重合的時(shí)間序列，即棄風(fēng)和儲(chǔ)熱同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)間序列。TWC(I，J)數(shù)值越接近儲(chǔ)熱TQW(I，J)，說(shuō)明儲(chǔ)熱跟隨棄風(fēng)投入效果越好，也更加能夠說(shuō)明儲(chǔ)熱對(duì)棄風(fēng)的調(diào)節(jié)作用效果越明顯。即有棄風(fēng)發(fā)生時(shí)，儲(chǔ)熱一定投入，反過(guò)來(lái)，儲(chǔ)熱投入不一定有棄風(fēng)電發(fā)生，TQW(I，J)、TC(I，J)和TWC(I，J)三者關(guān)系如式(24)所示

式(24)表明，儲(chǔ)熱投入時(shí)段遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于棄風(fēng)發(fā)生時(shí)段，其差值表明儲(chǔ)熱效果δ，如式(25)所示。δ越大，說(shuō)明儲(chǔ)熱效果越好。

4 數(shù)值分析

以某省電網(wǎng)近五年實(shí)際數(shù)據(jù)為例，表1給出近五年年棄風(fēng)電量、年最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量數(shù)據(jù)表。從表中數(shù)據(jù)可以看出，前4年最大棄風(fēng)功率逐年增加，最大日棄風(fēng)電量變化不大，第3年和第4 年年棄風(fēng)電量較多，第5 年各種數(shù)據(jù)均有下降。

表1 近5年年棄風(fēng)電量、年最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量數(shù)據(jù)Table 1 Data of wind abandoned power,maximum power of wind abandoned and maximum power of daily wind abandoned in the past five years 單位:萬(wàn)kW·h

表2給出根據(jù)年棄風(fēng)電量、年最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量配置的儲(chǔ)熱功率數(shù)據(jù)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，按年棄風(fēng)電量配置的儲(chǔ)熱功率在第1年和第2 年相近，第3 年至第4 年相近，第5 年略有下降；按年最大棄風(fēng)功率配置的儲(chǔ)熱裝置功率仍然是第1 年和第2 年相近，第3 年和第4 年相近，第5 年略有下降；按最大日電量配置的儲(chǔ)能容量基本相近，只是第5年略低。從三個(gè)維度計(jì)算配置儲(chǔ)熱容量表明，用年棄風(fēng)電量計(jì)算出的儲(chǔ)熱容量較符合實(shí)際，按最大日棄風(fēng)電量配置儲(chǔ)熱裝置的容量數(shù)值偏大。

表2 根據(jù)年棄風(fēng)電量、年最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量配置的儲(chǔ)熱功率數(shù)據(jù)Table 2 Data of thermal storage power based on annual abandoned wind power,annual abandoned wind maximum power and daily abandoned wind maximum power 單位:MW

表3給出按年最大棄風(fēng)功率的不同比例配置儲(chǔ)熱數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，按年最大棄風(fēng)功率的70%配置儲(chǔ)熱，仍能消納90%以上的棄風(fēng)電量，即使是按30%配置，也能消納2/3的棄風(fēng)電量，說(shuō)明用年最大棄風(fēng)功率配置儲(chǔ)熱是不夠經(jīng)濟(jì)的。

表3 按年最大棄風(fēng)功率的不同比例配置儲(chǔ)熱數(shù)據(jù)Table 3 Data of configuration thermal storage according to the annual maximum electric power percentage

表4給出年度棄風(fēng)、取暖季棄風(fēng)、取暖季低谷棄風(fēng)小時(shí)數(shù)及其占比數(shù)據(jù)，從表中數(shù)據(jù)可以看出，以棄風(fēng)小時(shí)數(shù)為基數(shù)，取暖季棄風(fēng)占比仍較大，在第3年內(nèi)超過(guò)95%，但是，低谷時(shí)段棄風(fēng)小時(shí)數(shù)占比都超過(guò)50%，只是沒(méi)有達(dá)到60%，說(shuō)明棄風(fēng)在電網(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行時(shí)不占優(yōu)勢(shì)。表4還表明，北方冬季供暖季，配置儲(chǔ)熱供暖裝置，對(duì)消納棄風(fēng)電作用明顯，只是應(yīng)該使儲(chǔ)熱裝置跟隨棄風(fēng)，而不是固定在低谷時(shí)段運(yùn)行，因?yàn)椋辉陔娋W(wǎng)低谷時(shí)段運(yùn)行，只能消納60%的棄風(fēng)電量，如果跟隨棄風(fēng)運(yùn)行，就會(huì)消納90%的棄風(fēng)。

表4 年度棄風(fēng)、取暖季棄風(fēng)、取暖季低谷棄風(fēng)小時(shí)數(shù)及其占比數(shù)據(jù)Table 4 Hours of annual abandonment wind,heating season abandonment wind,heating season low valley abandonment wind and their proportion

以第6 年第一個(gè)季度數(shù)據(jù)為例，圖1 給出棄風(fēng)電量、棄風(fēng)小時(shí)數(shù)與棄風(fēng)功率關(guān)系曲線，由曲線可以看出棄風(fēng)電量與棄風(fēng)功率關(guān)系曲線相當(dāng)于拋物線，棄風(fēng)小時(shí)數(shù)與棄風(fēng)電力相當(dāng)于一條單調(diào)下降的曲線，兩條曲線在最大棄風(fēng)功率達(dá)到2800 MW時(shí)停止，此時(shí)，棄風(fēng)電量為2781 MW·h，棄風(fēng)次數(shù)為1。當(dāng)棄風(fēng)功率為1600 MW 時(shí)，棄風(fēng)電量達(dá)到最大值，為15012 MW·h?？梢?jiàn)，如果儲(chǔ)熱容量達(dá)到2800 MW，即可全部消納棄風(fēng)電量，此時(shí)棄風(fēng)電量為2781 MW·h；如果儲(chǔ)熱容量為1600 MW，將有8 次2000 MW、5 次2600 MW 和1 次2800 MW棄風(fēng)功率達(dá)不到全額消納要求，但同樣能消納8×1600+5×1600+1600=22400 MW·h 棄風(fēng)電量，而3 個(gè)時(shí)段總的棄風(fēng)電量為28284 MW·h，實(shí)際棄風(fēng)電量為28284-22400=5884 MW·h，用5884 MW·h電量換取減少安裝1200 MW 儲(chǔ)熱裝置，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖1 棄風(fēng)電量、棄風(fēng)小時(shí)數(shù)與棄風(fēng)電力關(guān)系曲線Fig.1 The relationship between wind abandoning power capacity,hours of wind abandoning and wind abandoning power

圖2 基于第1 年至第5 年棄風(fēng)數(shù)據(jù)，給出儲(chǔ)熱配置功率與消納棄風(fēng)電量(億千瓦時(shí))及其棄風(fēng)占比曲線圖。從圖中曲線可以看出，儲(chǔ)熱配置功率太小，對(duì)消納棄風(fēng)電量起不到作用，在儲(chǔ)熱功率增加到500 MW 時(shí)，可以消納20%左右的棄風(fēng)電量，當(dāng)其達(dá)到1500 MW時(shí)，對(duì)于第1年和第2年就可以消納90%以上的棄風(fēng)電量，超過(guò)2000 MW 時(shí)，幾乎能消納100%的棄風(fēng)電量；但是相對(duì)第3 年和第4年，2000 MW儲(chǔ)熱可消納80%左右的棄風(fēng)電量?？梢?jiàn)，隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量的增長(zhǎng)，以及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組投入比例的增加，消納棄風(fēng)電量需要配置的儲(chǔ)熱功率也要增加。

圖2 儲(chǔ)熱功率與消納棄風(fēng)電量及其棄風(fēng)占比曲線圖Fig.2 Graph of thermal storage power,consumption of abandoned wind and abandonment wind ratio

以第6 年一季度數(shù)據(jù)為例，總的儲(chǔ)熱投入電量、棄風(fēng)電量與應(yīng)棄風(fēng)電量曲線圖如圖3所示。從圖中曲線可以看出，總儲(chǔ)熱投入電量遠(yuǎn)大于棄風(fēng)電量，總棄風(fēng)電量與儲(chǔ)熱電量之和如果定義為應(yīng)棄風(fēng)電量，則應(yīng)棄風(fēng)電量遠(yuǎn)大于實(shí)際棄風(fēng)電量。圖3中可以直觀地看出儲(chǔ)熱對(duì)棄風(fēng)的消納作用，也可以看出儲(chǔ)熱的投入符合棄風(fēng)規(guī)律，即低谷比例較大。實(shí)際上，圖中的儲(chǔ)熱為電網(wǎng)調(diào)度中心可直接調(diào)度的集中式儲(chǔ)熱，在21:00—23:00 之間很少投入，是因?yàn)樵谠摃r(shí)段有分布式儲(chǔ)熱裝置投入，占去了集中式儲(chǔ)熱投入空間。

圖3 儲(chǔ)能、棄風(fēng)電量與應(yīng)棄風(fēng)電量曲線圖Fig.3 The curve of energy storage,wind abandoning and deserting the wind

以第6 年一季度數(shù)據(jù)為例，總的儲(chǔ)熱投入時(shí)序、棄風(fēng)時(shí)序以及儲(chǔ)熱與棄風(fēng)同時(shí)發(fā)生時(shí)序曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出，棄風(fēng)小時(shí)數(shù)和儲(chǔ)熱與棄風(fēng)同時(shí)出現(xiàn)的小時(shí)數(shù)相近，說(shuō)明儲(chǔ)熱能夠較好地跟隨棄風(fēng)，只要有棄風(fēng)就有儲(chǔ)熱投入；然而，儲(chǔ)熱投入小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)高于棄風(fēng)小時(shí)數(shù)，說(shuō)明儲(chǔ)熱投入時(shí)，不一定有棄風(fēng)發(fā)生。此外，儲(chǔ)熱主要運(yùn)行于電網(wǎng)低谷時(shí)段，說(shuō)明儲(chǔ)熱裝置的投入使用能夠減少棄風(fēng)發(fā)生的小時(shí)數(shù)。

圖4 儲(chǔ)熱和棄風(fēng)運(yùn)行關(guān)系圖Fig.4 Diagram of energy storage and wind abandoning operation relationship

5 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究了如何應(yīng)用棄風(fēng)歷史數(shù)據(jù)分析儲(chǔ)熱功率配置方法，提出了基于年度棄風(fēng)電量、最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量配置儲(chǔ)熱容量的方法，建立了按功率不同比例配置儲(chǔ)熱裝置容量的模型，分析了分布式儲(chǔ)熱和集中式儲(chǔ)熱的分時(shí)運(yùn)行特性。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表明，儲(chǔ)熱是北方地區(qū)棄風(fēng)消納的最佳方式之一。儲(chǔ)熱消納棄風(fēng)電量的前提是要有足夠大的容量，同時(shí)，按照年棄風(fēng)電量和總需求的百分比配置儲(chǔ)熱裝置的容量，比按照最大棄風(fēng)功率和最大日棄風(fēng)電量配置儲(chǔ)熱容量，更能高效利用儲(chǔ)熱裝置。本文提出的方法可用于根據(jù)棄風(fēng)電量歷史數(shù)據(jù)配置儲(chǔ)熱裝置容量，從而更加有效地使用儲(chǔ)熱裝置降低電網(wǎng)棄風(fēng)率，為北方地區(qū)冬季供暖期“清潔供暖”的建設(shè)提供理論依據(jù)，下一步將繼續(xù)深入研究?jī)?chǔ)熱功率的最佳投入比例。