含電蓄熱裝置的離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)能量平衡模型研究

嚴(yán) 雄, 田莉莎，劉孝鑫

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 引 言

遠(yuǎn)離大電網(wǎng)覆蓋的島嶼、邊塞、山區(qū)、或既有供電系統(tǒng)薄弱地區(qū)，通常依靠當(dāng)?shù)氐馁Y源條件，采用風(fēng)電、光伏發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)及作為緊急備用電源的柴油發(fā)電機(jī)，構(gòu)成離網(wǎng)型局域網(wǎng)的供能電源。各電源裝機(jī)規(guī)模應(yīng)在區(qū)域負(fù)載類型、電量需求、風(fēng)/光資源條件既定的基礎(chǔ)上，采用“以耗定電”方式確定，計(jì)算過(guò)程實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)全年8 760 h內(nèi)逐小時(shí)的功率平衡仿真，其計(jì)算的準(zhǔn)確程度關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的初始投資、設(shè)備使用效率及系統(tǒng)供能的可靠性。

電蓄熱裝置的加入使離網(wǎng)型局域網(wǎng)的能量平衡數(shù)學(xué)模型更為復(fù)雜。目前，關(guān)于含電蓄熱裝置的離網(wǎng)型局域網(wǎng)工程能量平衡研究的文章鮮見，劉平[1]提出了基于能量面積法及基于隨機(jī)場(chǎng)景分解的獨(dú)立型微電網(wǎng)功率平衡方法，通過(guò)場(chǎng)景分析與能量平衡關(guān)系確定分布式可控電源與儲(chǔ)能系統(tǒng)能量容量的最小值；張彥等[2]建立了家庭能源局域網(wǎng)能量?jī)?yōu)化管理的混合整數(shù)二次規(guī)劃模型，并引入能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)理念與相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭能源局域網(wǎng)的在線優(yōu)化控制；蒲曉箱、王成山等[3-9]以多能源局域網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的成本或碳排放為目標(biāo)，構(gòu)建能源局域網(wǎng)網(wǎng)間的能量管理模型，并采用內(nèi)點(diǎn)法、混合整數(shù)規(guī)劃法、枚舉法等對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，但上述文章在規(guī)劃過(guò)程中均未對(duì)熱負(fù)荷，尤其是電蓄熱負(fù)荷進(jìn)行分析。具有代表性的規(guī)劃軟件，在應(yīng)用場(chǎng)景、負(fù)荷類型、元件模型等方面不能適用，可借鑒性不高。因此，開展含電蓄熱裝置的離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)能量平衡數(shù)學(xué)模型的研究具有實(shí)際工程意義。本文在系統(tǒng)功率平衡仿真過(guò)程中，引入電蓄熱體額定加熱功率、蓄熱體額定容量、蓄熱體剩余容量等邊界，并將電熱進(jìn)行解耦，解決了代表性軟件能量流計(jì)算與實(shí)際應(yīng)用不匹配的問(wèn)題，提高了電源側(cè)風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)容量配置的精確度，同時(shí)可以為離網(wǎng)型局域網(wǎng)能量管理系統(tǒng)控制策略提供依據(jù)。

1 既有軟件特性分析

目前，國(guó)內(nèi)外用于新能源系統(tǒng)規(guī)劃的代表性軟件主要有3種，分別為美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的可再生能源互補(bǔ)發(fā)電優(yōu)化建模軟件—HOMER、上海電氣集團(tuán)股份有限公司開發(fā)的分布式能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件—DES-PSO、天津大學(xué)開發(fā)的微網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件—PDMG，3種規(guī)劃軟件在應(yīng)用場(chǎng)景、負(fù)荷類型、元件模型、優(yōu)化目標(biāo)及方法等方面不盡相同，特性對(duì)比如表1所示[10]。

表1 既有軟件特性對(duì)比

HOMER及PDMG軟件中的元件模型不包含蓄熱元件，使用范圍與本文研究的工程類型不一致。DES-PSO軟件中的元件模型與含電蓄熱裝置的離網(wǎng)型工程最為接近，但在計(jì)算過(guò)程中，該軟件對(duì)電蓄熱裝置加熱器件功率的逐時(shí)限能作用考慮不充分，能量流的計(jì)算與實(shí)際工程存在誤差，可能會(huì)造成系統(tǒng)棄電量較少的假象。

2 能量平衡模型改進(jìn)

針對(duì)既有軟件存在的問(wèn)題，對(duì)局域網(wǎng)系統(tǒng)能量平衡模型加以改進(jìn)，在仿真計(jì)算過(guò)程中考慮電蓄熱裝置電功率及蓄熱體剩余容量大小，將電能輸入端與供暖輸出端進(jìn)行解耦，使蓄熱系統(tǒng)任一時(shí)間點(diǎn)均可存在純蓄熱、純放熱和邊蓄邊放3種模式的情況，完善系統(tǒng)能量平衡約束條件。

局域網(wǎng)能量流對(duì)負(fù)荷的保障等級(jí)依次為電氣負(fù)荷、電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)、采暖負(fù)荷。電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)不參與采暖負(fù)荷的電熱轉(zhuǎn)換過(guò)程，并作出如下定義：

① 風(fēng)機(jī)、光伏逐小時(shí)出力分別為PW,PP；② 逐時(shí)電負(fù)荷、熱負(fù)荷分別為PEL,PHL；③ 電蓄體熱額定加熱功率、蓄熱體額定容量、蓄熱體剩余容量分別為PB,CHA,CRHA；④ 電化學(xué)儲(chǔ)能PCS功率、電池額定容量、電池剩余容量分別為PPCS,CBA,CRBA；⑤ 電池最大充電深度、放電深度分別為SOC,DODE；⑥ 蓄熱體放熱深度為DODH；⑦ 電池轉(zhuǎn)換效率、電熱轉(zhuǎn)換效率分別為η1、η2；⑧ 系統(tǒng)“源-荷”實(shí)時(shí)能量差為ΔE=PW+PP-PEL-PHL。

3 局域網(wǎng)能量平衡模型

通過(guò)建模分析，對(duì)于含電蓄熱裝置的離網(wǎng)型局域網(wǎng)，系統(tǒng)能量平衡數(shù)學(xué)模型多達(dá)21種，包含了系統(tǒng)“源-荷”實(shí)時(shí)能量差在ΔE≥0與ΔE≤0工況下，以電蓄體熱額定加熱功率PB、蓄熱體額定容量CHA、儲(chǔ)能PCS功率PPCS、電池額定容量CBA、電池充電深度SOC及放電深度DODE為邊界條件的所有情形。由于篇幅有限，本文僅對(duì)光伏、風(fēng)電逐時(shí)出力在滿足實(shí)時(shí)負(fù)載能量消耗后，有多余能量進(jìn)行存儲(chǔ)(ΔE≥0)，且逐時(shí)多余能量小于儲(chǔ)能PCS功率與電蓄體熱額定加熱功率之和(ΔE≤PB+PPCS)的情形進(jìn)行分析。

3.1 能量平衡數(shù)學(xué)表達(dá)式

(1) 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的“源-荷”能量差為ΔE≤PPCS,ΔE≤(CBA×SOC-CRBA)/η1，此時(shí)，系統(tǒng)多余能量可以全部存入儲(chǔ)能電池中，儲(chǔ)能電池容量為CBAt2=CRBA+ΔE×η1，蓄熱體裝置容量無(wú)變化，系統(tǒng)無(wú)棄電。

(2) 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的“源-荷”能量差為ΔE≤PPCS,ΔE>(CBA×SOC-CRBA)/η1，此時(shí)，儲(chǔ)能電池容量為CBAt2=CBA×SOC，經(jīng)過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)后溢出的多余能量記為ΔE1=ΔE-(CBA×SOC-CRBA)/η1，該部分能量對(duì)電蓄熱裝置蓄熱體部分及系統(tǒng)的影響的判別條件如下:

① 若ΔE1≤PB,且ΔE1≤(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CRHA+ΔE1×η2,系統(tǒng)無(wú)棄電。

② 若ΔE1≤PB,且ΔE1>(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CHA,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE1-(CHA-CRHA)/η2。

③ 若ΔE1>PB,且ΔE1≤(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CRHA+PB×η2,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE1-PB。

④ 若ΔE1>PB,且ΔE1>(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CHA,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE1-(CHA-CRHA)/η2。

(3) 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的“源-荷”能量差為ΔE>PPCS,PPCS≤(CBA×SOC-CRBA)/η1，此時(shí)，儲(chǔ)能電池容量為CBAt2=CRBA+PPCS×η1，經(jīng)過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)后溢出的多余能量記為ΔE1=ΔE-PPCS，該部分能量對(duì)電蓄熱裝置蓄熱體部分及系統(tǒng)的影響的判別條件如下:

⑤ 若ΔE2>PB,且ΔE2>(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CRHA+ΔE1×η2,系統(tǒng)無(wú)棄電。

⑥ 若ΔE2>PB,且ΔE2>(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CHA,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE2-(CHA-CRHA)/η2。

(4) 離網(wǎng)型局域網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的“源-荷”能量差為ΔE>PPCS,PPCS>(CBA×SOC-CRBA)/η1，此時(shí)，儲(chǔ)能電池容量為CBAt2=CBA×SOC，經(jīng)過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)后溢出的多余能量記為ΔE3=ΔE-(CBA×SOC-CRBA)/η1，該部分能量對(duì)電蓄熱裝置蓄熱體部分及系統(tǒng)的影響的判別條件如下:

⑦ 若ΔE3≤PB,且ΔE3≤(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CRHA+ΔE3×η2,系統(tǒng)無(wú)棄電。

⑧ 若ΔE3≤PB,且ΔE3>(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CHA,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE3-(CHA-CRHA)/η2。

⑨ 若ΔE3>PB,且ΔE3≤(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CRHA+PB×η2,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE3-PB。

⑩ 若ΔE3>PB,且ΔE3>(CHA-CRHA)/η2,則CHAt2=CHA,系統(tǒng)無(wú)棄電ΔE3-(CHA-CRHA)/η2。

3.2 系統(tǒng)能量流向圖

判別條件①表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差 可以全部用來(lái)存儲(chǔ)，其中一部分能量將存入儲(chǔ)能電池，使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，剩下的全部存入蓄熱體，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)棄電，此時(shí)的能量流向如圖1所示。

判別條件②表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE包含3部分，其中一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，一部分使蓄熱體儲(chǔ)熱至額定容量；剩下的是由于蓄熱體容量的限制而棄掉的一部分，整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖2所示。

判別條件③表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE包含3部分，其中一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，一部分存入蓄熱體；剩下的一部分受蓄熱體加熱功率的限制而棄掉，整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖3所示。

判別條件④表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差 只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE中的一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量、使蓄熱體儲(chǔ)熱至額定容量，剩下的一部分受蓄熱體加熱功率及蓄熱體容量的雙重限制而棄掉，最終整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖4所示。

判別條件⑤表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE可全部用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE中的一部分能量將存入儲(chǔ)能電池，而受儲(chǔ)能系統(tǒng)功率限制溢出的能量將存入蓄熱體，整個(gè)統(tǒng)無(wú)棄電，此時(shí)的能量流向如圖5所示。

判別條件⑥表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)包含3部分，其中一部分能量存入儲(chǔ)能電池，一部分使蓄熱體儲(chǔ)熱至額定容量；剩下的一部分受蓄熱體容量的限制而棄掉，整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖6所示。

判別條件⑦表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE可全部用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE包含兩部分，其中一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，剩下的能量可全部存入蓄熱體，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)棄電，此時(shí)的能量流向如圖7所示。

判別條件⑧表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE包含3部分，其中一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，一部分使蓄熱體儲(chǔ)熱至額定容量；剩下一部分受蓄熱體容量的限制而棄掉，整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖8所示。

判別條件⑨表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE包含3部分，其中一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，一部分能量存入蓄熱體；剩下的一部分受蓄熱體加熱功率的限制而棄掉，整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖9所示。

判別條件⑩表示系統(tǒng)的“源-荷”能量差ΔE只有部分用來(lái)存儲(chǔ)。此時(shí)ΔE包含3部分，其中一部分能量使儲(chǔ)能電池充電至截止容量，一部分使蓄熱體儲(chǔ)熱至額定容量；剩下的一部分受蓄熱體容量的限制而棄掉，整個(gè)系統(tǒng)有棄電，此時(shí)的能量流向如圖10所示。

4 工程應(yīng)用

新疆某新型能源局域網(wǎng)項(xiàng)目供電系統(tǒng)是20 MWp光伏發(fā)電系統(tǒng)、16 W/28 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)、4×1.5 MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、2×1.3 MW 柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)成。負(fù)荷側(cè)常規(guī)電負(fù)荷為1.1 MW, 電蓄熱裝置規(guī)模為10.5 MW/120 MWh。

項(xiàng)目柴油發(fā)電機(jī)作為緊急備用電源，不參與能量平衡計(jì)算?；谏鲜鰲l件，分別在不考慮電蓄熱裝置加熱功率與考慮電蓄熱裝置加熱功率2種情況下，利用EXCEL匯編公式，對(duì)系統(tǒng)能量平衡建模仿真計(jì)算，采暖季局域網(wǎng)棄電率與供暖保障率結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)供能特性對(duì)比

由表2可知，考慮電蓄熱裝置加熱功率時(shí)，系統(tǒng)棄電率較高，供暖保障率及常規(guī)負(fù)荷供電保障率較低，這是因?yàn)樵诜抡孢^(guò)程中出現(xiàn)了圖3或圖4所示的由于加熱功率受限而導(dǎo)致棄電量增加的現(xiàn)象，可存儲(chǔ)電量減少，進(jìn)而供暖保障率、供電保障率降低。

5 結(jié) 論

(1) 電蓄熱系統(tǒng)能量流在傳輸、存儲(chǔ)過(guò)程中熱電是解耦的，對(duì)于負(fù)荷中存在電蓄熱裝置的離網(wǎng)型局域網(wǎng)，在能量平衡仿真計(jì)算過(guò)程中，把電蓄熱裝置當(dāng)成簡(jiǎn)單的電負(fù)荷，而不考慮蓄熱體的儲(chǔ)能作用，會(huì)使得電源裝機(jī)容量加大，系統(tǒng)棄電量上升，工程初期投資加大，實(shí)際運(yùn)行設(shè)備使用率低。

(2) 不考慮電蓄熱裝置加熱功率的大小，則會(huì)造成系統(tǒng)棄電率降低，供電與供暖保障率較高的假象，工程實(shí)際運(yùn)行供能可靠性也會(huì)降低。

(3) 對(duì)于離網(wǎng)型局域網(wǎng)，考慮系統(tǒng)內(nèi)電蓄熱體額定加熱功率、電化學(xué)儲(chǔ)能PCS功率、電池額定容量等邊界條件的源荷匹配仿真，是一個(gè)基于系統(tǒng)穩(wěn)定，從宏觀的、能量平衡的角度對(duì)源端電源裝機(jī)容量定量分析的過(guò)程，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還應(yīng)充分考慮系統(tǒng)一定時(shí)間尺度內(nèi)的功率平衡因數(shù)，即電蓄體熱額定加熱功率變化，源端電源出力變化、儲(chǔ)能PCS投退、異步電機(jī)啟動(dòng)及變壓器勵(lì)磁涌流對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。儲(chǔ)能PCS功率的選擇應(yīng)在仿真工作開始前，通過(guò)系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真分析予以確定。本文在系統(tǒng)能量平衡模型的搭建過(guò)程中，引入了電蓄熱體額定加熱功率、蓄熱體額定容量、蓄熱體剩余容量等邊界條件，豐富了仿真計(jì)算模型種類；同時(shí)引入了電池充放電深度、蓄熱體放熱深度、電池轉(zhuǎn)換效率、電熱轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)，提高了計(jì)算精度，對(duì)減少項(xiàng)目初期投資、提高設(shè)備使用率及供能可靠性有很大幫助。