基于電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱的棄風(fēng)消納調(diào)度模型研究

張敬軒，陳 潔，徐澤鵬

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引 言

傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電雖然促進了經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，但其造成的資源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴重。近年來，風(fēng)力發(fā)電因具有環(huán)保、經(jīng)濟和可持續(xù)性等優(yōu)勢得到快速發(fā)展，我國風(fēng)電裝機規(guī)模不斷擴大，但是風(fēng)電消納仍是影響風(fēng)電發(fā)展的主要問題。我國風(fēng)能資源豐富卻消費不足，同時受制于輸送能力，風(fēng)電外送十分困難，特別是在“三北地區(qū)”。此外，在熱負荷需求最高的冬季供暖期，熱電聯(lián)產(chǎn)機組受制于“熱電耦合”的運行特性，造成風(fēng)電上網(wǎng)空間擠壓問題。因此，改善機組運行特性，實現(xiàn)風(fēng)電就地消納對解決棄風(fēng)問題具有重要意義。

為改善機組特性，國內(nèi)外學(xué)者對儲熱裝置與電鍋爐參與供熱進行了大量研究。在儲熱裝置參與供熱時，文獻[6]在源側(cè)通過儲熱裝置改善“以熱定電”進行解耦分析，同時引入分時電價策略，在負荷側(cè)進行引導(dǎo)，從源荷兩側(cè)提高了風(fēng)電消納的能力。文獻[7]對儲熱裝置安裝在不同位置分別建立模型，在更大的空間對儲熱裝置消納風(fēng)電的效果進行了評估。文獻[8]對儲熱裝置與電鍋爐棄風(fēng)原理進行了對比分析，雖然都實現(xiàn)了對棄風(fēng)的消納，但在儲熱方式中，棄風(fēng)電量替代了原凝氣發(fā)電量，在電鍋爐方式中替代的是熱化發(fā)電量。在電鍋爐參與供熱時，文獻[9]建立了包括風(fēng)電、熱電聯(lián)產(chǎn)及電鍋爐的系統(tǒng)模型，并通過極值點線性表示法對電熱特性線性模型進行簡化，降低了計算量。文獻[10]從風(fēng)功率的預(yù)測出發(fā)，進行了對不確定空間的處理，建立電鍋爐供熱模型，使模型更貼合實際。文獻[11]考慮設(shè)備自身約束與使用壽命，從啟停電鍋爐出發(fā)，采用智能優(yōu)化算法，得到了經(jīng)濟性最優(yōu)的電鍋爐啟動功率。然而上述文獻只分析對比了儲熱裝置與電鍋爐分別提供熱負荷的情況，極少分析儲熱裝置與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱對于系統(tǒng)消納棄風(fēng)的作用。因此，本文在電負荷與熱負荷約束下，提出相對應(yīng)的控制策略，使協(xié)調(diào)供熱模型更為合理。

基于已有研究，本文通過計算熱電耦合下的機組最小電出力，并將儲熱裝置與電鍋爐在系統(tǒng)中的影響轉(zhuǎn)化為對棄風(fēng)消納空間的作用，建立電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱的棄風(fēng)消納調(diào)度模型，比較三種運行模式下的棄風(fēng)消納效果及運行成本，并對模型的有效性和經(jīng)濟性進行驗證，以期為改善風(fēng)電消納能力提供理論基礎(chǔ)。

1 協(xié)調(diào)供熱綜合系統(tǒng)原理

電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱可以改善熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行特性，使得機組的最低電出力降低，接納風(fēng)電的空間提高，降低了棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生。

1.1 傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機組工作原理

熱電機組的發(fā)電功率與供熱功率之間存在一定的耦合關(guān)系，即“電熱特性”。根據(jù)不同的電熱特性把熱電機組分為四類。目前我國的熱電機組通常為大容量抽氣式機組，因此，本文研究均以抽汽式機組為例。

如圖1所示，機組在純凝工況下的最大、最小有功出力分別為和，機組的整體運行區(qū)間為。以供熱功率為為例，可以看出，當(dāng)供熱功率為時，電功率的調(diào)節(jié)范圍為[P,P]，因此消納棄風(fēng)的能力十分有限。

圖1 抽氣式熱電機組工作特性

1.2 配置電鍋爐與儲熱后熱電聯(lián)產(chǎn)機組的工作原理

配置電鍋爐及儲熱裝置后的機組工作特性如圖2所示。對于發(fā)電功率P，其對應(yīng)的熱功率為，在配置儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱后，其最大的供熱功率會提高，變?yōu)?=P，此時其最大電功率不發(fā)生變化。因此相當(dāng)于圖中的段和段向右平移，此時整體運行區(qū)間變?yōu)?，同時在加入電鍋爐后，部分熱負荷由電鍋爐承擔(dān)。因此向左平移變?yōu)?，此時對于相同的供熱功率，電負荷的最大調(diào)節(jié)區(qū)間從[P,P]變?yōu)閇P,P]，消納棄風(fēng)功率的能力顯著提升。

圖2 配置電鍋爐與儲熱裝置的熱電機組工作特性

1.3 棄風(fēng)機理分析

風(fēng)電在負荷低谷期出力相對較大，在負荷高峰期出力則相對較小，表現(xiàn)出極為明顯的“反調(diào)峰特性”。同時熱電聯(lián)產(chǎn)機組在熱負荷需求的約束下，工作在“以熱定電”的運行方式下，導(dǎo)致機組的可調(diào)節(jié)能力變?nèi)酢Ｔ陲L(fēng)電高發(fā)時段，調(diào)峰能力不能滿足需求，因此產(chǎn)生大量棄風(fēng)。棄風(fēng)機理圖如圖3所示。

圖3 棄風(fēng)機理圖

2 協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略

配置儲熱裝置與電鍋爐后，能達到改善熱電耦合特性的目的，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力。本節(jié)建立了以風(fēng)電機組、火電機組、熱電聯(lián)產(chǎn)機組、儲熱裝置及電鍋爐作為主體的協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)，并提出對整個系統(tǒng)的控制策略。

2.1 協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中儲熱裝置在非棄風(fēng)時段蓄熱，在棄風(fēng)時段放熱降低機組的最低電出力，提高風(fēng)電消納空間。

圖4 協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電鍋爐一方面可以協(xié)調(diào)供熱進一步提高機組電出力的調(diào)節(jié)空間，同時作為可控電負荷提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。

2.2 協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)控制策略

對于風(fēng)電的消納主要通過提高風(fēng)電消納空間。在時段內(nèi)提高風(fēng)電消納空間P的方式主要有兩種：一是由電鍋爐提供的風(fēng)電消納空間，即P；另外一種就是通過儲熱裝置改善熱電聯(lián)產(chǎn)機組的特性來改變其電出力貢獻風(fēng)電消納空間，即P。其中：

考慮到對熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行調(diào)節(jié)的過程中需要滿足熱負荷的需求，因此在系統(tǒng)中采用“先熱后電”的模式。首先進行熱負荷的分配，由熱電聯(lián)產(chǎn)機組與協(xié)調(diào)供熱裝置提供，然后根據(jù)熱負荷的分配得到機組的最低電出力，再對所有機組進行電負荷的分配。計算公式為：

式中：H 與H 為熱電聯(lián)產(chǎn)機組和電鍋爐在時段的供熱功率，單位為MW；H 與H 為儲熱裝置的儲熱和放熱功率，單位為MW；H 為實時的熱負荷，單位為MW；P，P和P為熱電聯(lián)產(chǎn)機組、風(fēng)電機組和火電機組在時段的電功率，單位為MW；P為實時電負荷，單位為MW。

電鍋爐僅以棄風(fēng)作為熱源，因此電鍋爐的啟停取決于時段是否發(fā)生棄風(fēng)。定義電鍋爐的啟停標志ST為：

電鍋爐的熱輸出和功率消耗成正比關(guān)系，因此電鍋爐產(chǎn)生的風(fēng)電消納空間為：

式中為電鍋爐的熱電轉(zhuǎn)換效率。

儲熱裝置利用其能量時移的特性進行調(diào)峰，在非棄風(fēng)時段，增大汽輪機的抽汽功率進行儲熱；在棄風(fēng)時段，減少發(fā)電功率進行下調(diào)峰，同時由儲熱裝置供給部分熱負荷。儲熱裝置的動態(tài)熱儲量為：

式中為儲熱罐的初始熱儲量。

3 協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)調(diào)度模型

3.1 目標函數(shù)

消納棄風(fēng)的調(diào)度模型通常把發(fā)電成本最小作為系統(tǒng)的目標函數(shù)，這將導(dǎo)致嚴重的棄風(fēng)。因此，為了提高風(fēng)電消納量，加入考慮棄風(fēng)成本的懲罰函數(shù)。該目標函數(shù)在提高風(fēng)電消納的同時對保護環(huán)境具有重要意義。因此，目標函數(shù)為：

式中：(,)為常規(guī)火電機組的發(fā)電成本函數(shù)；(,)為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的發(fā)電成本函數(shù)；和為各種類型的單位數(shù)；為棄風(fēng)成本的懲罰因子；()為時刻的棄風(fēng)功率，單位為MW；為調(diào)度時間，單位為h。

1）常規(guī)火電機組的發(fā)電成本函數(shù)

風(fēng)電并網(wǎng)直接關(guān)系火電機組出力的大小，此外還會對于機組運行時的啟停調(diào)峰有很大影響。因此，火電機組的發(fā)電成本包括運行成本以及啟停成本。

式中：(P)為火電機組的運行成本；(u)為火電機組的啟停成本。，計算公式分別為：

式中：a，b和c為火電機組的發(fā)電成本系數(shù)；u為機組在時刻的啟停狀態(tài)。

2）熱電聯(lián)產(chǎn)機組的發(fā)電成本函數(shù)

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組有供熱約束，因此不會出現(xiàn)停機狀況，所以其發(fā)電成本只包括運行成本。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行特性，其在時刻的運行成本為電功率與熱功率進行折算數(shù)據(jù)之和，計算公式為：

式中：a，b和c為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的運行成本系數(shù)；P為機組在時刻的電功率，單位為MW；P為機組在時刻的熱功率，單位為MW。

3.2 約束條件

1）電平衡約束

式中：P為時刻的風(fēng)功率，單位為MW；P為時刻的電鍋爐功率，單位為MW；P為時刻的電負荷，單位為MW。

2）熱平衡約束

式中H 為時刻的熱負荷，單位為MW。

1）機組出力約束

式中：P和P為第臺火電機組最小和最大發(fā)電功率，單位為MW；P和P為第臺熱電機組最小和最大發(fā)電功率，單位為MW。

式中H 為機組的最大熱出力，單位為MW。

2）機組爬坡約束

式中：P和P為第臺火電機組供電向下和向上爬坡率。

式中：P和P為第臺熱電機組供電向下和向上爬坡率。

式中：H 和H 為第臺熱電機組供熱向下和向上爬坡率。

3）電鍋爐約束

式中：為電鍋爐額定最大電功率，單位為MW。

4）儲熱裝置約束

容量約束：

式中為儲熱裝置的最大儲熱量。

儲、放熱能力約束：

式中：和為儲熱裝置的最大儲、放熱功率，單位為MW；H 為時刻的儲熱量。

式（22）求和為0表示在一個周期內(nèi)儲熱裝置熱容量不變約束。

3.3 模型求解

采用CPLEX算法對上述聯(lián)合機組調(diào)度模型進行求解。CPLEX是IBM的軟件，該軟件具有運行效率高、實施策略快等優(yōu)點，能快速解決復(fù)雜機組組合問題，且所使用的CPLEX版本為12.7。

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為驗證所建立的協(xié)調(diào)供熱系統(tǒng)模型的有效性，對加入儲熱裝置及電鍋爐前后系統(tǒng)消納風(fēng)電情況及經(jīng)濟性的變化進行分析，簡化某地區(qū)的電源裝機結(jié)構(gòu)如表1所示。假設(shè)該區(qū)域熱負荷不變，取1 800 MW，并且區(qū)域電網(wǎng)與外部電網(wǎng)無能量交換，儲熱罐儲熱容量為600 MW·h，其最大蓄、放熱功率為50 MW。電鍋爐的最大功率為200 MW。

表1 電網(wǎng)裝機容量

各機組詳細數(shù)據(jù)參考文獻[10]，風(fēng)電發(fā)電量由歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)取得，調(diào)度時間為24 h，算例使用以下三種運行模式進行仿真比較：

模式1：僅通過熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行供熱，電鍋爐與儲熱裝置不參與供熱，極易出現(xiàn)棄風(fēng)情況。

模式2：儲熱裝置參與供熱，電鍋爐不參與供熱，儲熱裝置改善機組特性，增加了風(fēng)電上網(wǎng)空間，棄風(fēng)情況有所改善。

模式3：電鍋爐與儲熱裝置共同參與供熱，電鍋爐供熱進一步增加風(fēng)電消納空間，棄風(fēng)情況得到進一步改善。

4.2 算例結(jié)果及分析

三種運行模式下的風(fēng)電消納空間如圖5所示，實際風(fēng)電消納結(jié)果如圖6所示。可以看出，模式1的風(fēng)電消納空間有限，棄風(fēng)現(xiàn)象較為嚴重；模式2和模式3在儲熱裝置與電鍋爐的作用下提高了接納風(fēng)電的空間，降低了棄風(fēng)量。三種運行模式下的風(fēng)電消納情況表明，儲熱裝置與電鍋爐可以有效改善電熱耦合的特性，進而使得風(fēng)電消納空間增加，棄風(fēng)情況得到改善。

圖5 三種運行模式下的風(fēng)電消納空間

圖6 三種運行模式下的風(fēng)電消納結(jié)果對比

三種模式下的調(diào)度結(jié)果如圖7～圖9所示。可以看出模式1中，在負荷低谷時段，熱電機組受熱負荷限制，最小電出力始終保持在1 150 MW以上，從而產(chǎn)生大量棄風(fēng)。模式2中配置了儲熱裝置，相比于模式1，儲熱裝置在非棄風(fēng)時段進行蓄熱，并不會對此時的風(fēng)電上網(wǎng)產(chǎn)生影響；在棄風(fēng)時段放熱，降低熱電機組的熱負荷，進而降低其最小電出力，提高風(fēng)電消納空間，降低棄風(fēng)。模式3中電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱，在模式2的基礎(chǔ)上增加了電鍋爐進行供熱同時作為電負荷，進一步改善機組特性，可以消納大部分棄風(fēng)。

圖7 模式1下各機組電出力

圖9 模式3下各機組電出力

圖10為電鍋爐在一個周期內(nèi)的出力情況，在棄風(fēng)時段跟蹤棄風(fēng)功率運行，直接消納棄風(fēng)功率，同時提供部分熱負荷，降低了熱電機組的最小電出力約束，提高風(fēng)電上網(wǎng)的空間，在非棄風(fēng)時段，電鍋爐不工作。

圖8 模式2下各機組電出力

圖10 模式3下電鍋爐出力

三種運行模式經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果如表2所示。在儲熱裝置單獨運行時，棄風(fēng)情況雖然得到改善但仍有大量棄風(fēng)，此時加入電鍋爐提供額外熱功率，在電鍋爐跟蹤棄風(fēng)功率的運行模式下，棄風(fēng)接近完全消納，并且經(jīng)濟調(diào)度成本比傳統(tǒng)模式減少了15.13%，獲得最佳經(jīng)濟性。

表2 三種運行模式的經(jīng)濟性比較

5 結(jié) 論

對于供暖期風(fēng)電消納問題，分析了產(chǎn)生棄風(fēng)的主要原因，提出通過降低機組最小電出力來增加風(fēng)電消納空間。以系統(tǒng)運行成本最小為目標，建立電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱調(diào)度模型并提出控制策略，通過算例比較了三種運行模式下的棄風(fēng)消納情況及經(jīng)濟調(diào)度結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）電鍋爐與儲熱裝置協(xié)調(diào)供熱可以有效改善以熱定電的特性，減少棄風(fēng)，提高消納風(fēng)電能力，同時降低系統(tǒng)的調(diào)度成本，比傳統(tǒng)模式減少了15.13%。

2）加裝電鍋爐與儲熱裝置后，計算了其對棄風(fēng)消納空間的影響，可以有效地降低機組的最小電出力，增加風(fēng)電上網(wǎng)的空間。

3）儲熱裝置單獨參與供熱時，其經(jīng)濟調(diào)度成本比不加裝儲熱裝置時降低了4.18%。