基于電蒸汽蓄熱鍋爐的新能源消納方法研究

袁俊球,柴婷逸,李 敏,談 誠,許一川

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司,江蘇 常州 213004)

0 引言

近年來能源危機(jī)日益嚴(yán)重,且環(huán)境污染情況也逐年加劇,在此背景下,尋求高效且環(huán)保的新能源成為近來研究的熱點(diǎn)[1-4]。目前,分布式光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用占比逐年增高[5]。然而新能源發(fā)電也存在種種弊端,如光伏發(fā)電受環(huán)境和天氣影響具有隨機(jī)性和波動性[6],這種波動給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大危害,嚴(yán)重影響電能質(zhì)量[7]。同樣的,對于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也由于風(fēng)力強(qiáng)弱存在隨機(jī)性,因而導(dǎo)致棄風(fēng)難以消納[8]。

為解決以上問題,國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了許多研究。文獻(xiàn)[9]提出一種將抽水蓄能電站與光伏聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化模型,結(jié)果表明抽水蓄能電站可有效提高光伏消納水平;文獻(xiàn)[10]在二級熱網(wǎng)配置調(diào)峰電鍋爐日調(diào)峰方案的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換啟動條件,應(yīng)用儲熱式電鍋爐進(jìn)一步消納棄風(fēng),取得較為明顯的效果;文獻(xiàn)[11]提出一種考慮高比例新能源消納的多能源園區(qū)日前低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型,綜合考慮儲能設(shè)備和熱電需求用戶,構(gòu)建了碳捕集和碳儲備設(shè)備模型,在顧及碳排放的基礎(chǔ)上,促進(jìn)了高比例新能源的消納;文獻(xiàn)[12]研究了利用儲熱消納棄風(fēng)的基本原理,建立了含儲熱的電力系統(tǒng)綜合調(diào)度模型,通過算法優(yōu)化,證明儲熱裝置可有效提高電網(wǎng)的新能源消納水平;文獻(xiàn)[13]提出了一種基于解耦的儲能參與系能源消納的優(yōu)化控制方法,利用枚舉優(yōu)化和迭代潮流計算結(jié)合的方法,建立了滿足提升新能源消納目標(biāo)和電網(wǎng)安全運(yùn)行約束的儲能運(yùn)行緊致約束條件,優(yōu)化控制方法提高了新能源和儲能綜合運(yùn)行效益。

綜合上述研究,本文提出一種基于電蒸汽蓄熱鍋爐的新能源消納方法。

1 基于電蒸汽蓄熱鍋爐的混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成

基于電蒸汽蓄熱鍋爐的混合儲能系統(tǒng)主要由電網(wǎng)、熱網(wǎng)、各新能源常規(guī)發(fā)電機(jī)組、電池儲能系統(tǒng)、電蒸汽蓄熱鍋爐系統(tǒng)、電負(fù)荷和熱負(fù)荷組成,其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)難以消納風(fēng)電時,棄風(fēng)電能儲存在蓄電池中,當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷高峰期將電池儲存能量釋放;同時也可以將棄風(fēng)通過電蒸汽鍋爐系統(tǒng),將電能轉(zhuǎn)化為熱能儲存,在熱負(fù)荷高峰時對熱負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)充。

圖1 基于電蒸汽蓄熱鍋爐的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,通過在負(fù)荷側(cè)配置電蒸汽蓄熱鍋爐,提高負(fù)荷側(cè)低谷時段的用電量,從而進(jìn)行棄風(fēng)消納;而電池儲能則是以電能形式進(jìn)行削峰填谷,以此來提高系統(tǒng)調(diào)峰能力。通過控制電蒸汽蓄熱鍋爐、蓄電池,優(yōu)化系統(tǒng)整體運(yùn)行情況,在提高棄風(fēng)消納量的同時,也將儲存的電能和熱能合理利用,提高了系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2 基于電蒸汽蓄熱鍋爐的混合儲能系統(tǒng)模型

基于電蒸汽蓄熱鍋爐的混合儲能系統(tǒng)模型主要包含成本模型、收益模型以及各設(shè)備約束條件。

2.1 成本模型

成本模型主要包含熱電儲能系統(tǒng)的建設(shè)成本、維護(hù)成本、能量傳輸損耗成本以及電蒸汽蓄熱鍋爐向電網(wǎng)購電成本。

熱電儲能系統(tǒng)建設(shè)成本模型為

Ceh=Ec,iuc+Eh,iuh+Pc,iupe+Ph,iuph

(1)

Eh,i、Ec,i分別為電蒸汽蓄熱鍋爐配置容量、電池儲能容量;uh、uc分別為單位電蒸汽蓄熱鍋爐成本、單位電池儲能成本;Ph,i、Pc,i分別為蓄熱式電鍋爐配置功率、電池儲能功率;uph、upe分別為蓄熱式電鍋爐單位功率成本、電池儲能單位功率成本。

熱電儲能系統(tǒng)維護(hù)成本模型為

Ctm=Ec,inemfe+Ec,inhmfh

(2)

mfh、mfe分別為電蒸汽蓄熱鍋爐、電池系統(tǒng)單位維護(hù)成本;nh、ne分別為電蒸汽蓄熱鍋爐和電池系統(tǒng)使用壽命。

能量傳輸損耗成本是指能量在系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化及輸送過程中產(chǎn)生的損耗成本,即

Ctra=(Pqhηh+Pqeηe)Cf+Ch

(3)

ηe、ηh分別為電池儲電效率和電蒸汽蓄熱鍋爐熱轉(zhuǎn)化的效率;Pqh、Pqe分別為電蒸汽蓄熱鍋爐和電池儲能消納風(fēng)電電能;Cf為風(fēng)電電價;Ch為輸配電成本。

電蒸汽蓄熱鍋爐購電成本為

Cg=PghCpe

(4)

Cpe為電網(wǎng)電價;Pgh為電蒸汽蓄熱鍋爐購電電量。

2.2 收益模型

收益模型主要包括環(huán)保收益、熱電聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行收益、調(diào)峰補(bǔ)償收益以及消納風(fēng)電供電供熱收益。

環(huán)保收益主要體現(xiàn)在電加熱蒸汽鍋爐系統(tǒng)供熱抵消傳統(tǒng)鍋爐燃煤廢氣治理成本和電池儲能供電抵消傳統(tǒng)火電機(jī)組生產(chǎn)對環(huán)境污染治理成本,其數(shù)學(xué)模型為

Rcom=Pqe×pen+Pqh×(Che+Kfb)

(5)

Pen為環(huán)保治理費(fèi)用;Che為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組單位產(chǎn)熱的廢氣治理成本;Kf為煤炭單價;b為機(jī)組煤耗率。

熱電聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行收益是指系統(tǒng)接納新能源售電及聯(lián)合系統(tǒng)售熱所得收益,具體數(shù)學(xué)模型為

Rrun=Pqe×(Cpe-Cf)+Pqh(KE-Cf)ηe

(6)

Cf為風(fēng)電購電電價;KE為系統(tǒng)向外供熱的價格。

熱電聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)峰補(bǔ)償收益是指系統(tǒng)發(fā)揮調(diào)峰作用所獲補(bǔ)貼的收益,具體模型為

Rsub=(Pqe+Pqh)ps

(7)

ps為單位補(bǔ)償價格;Rsub為調(diào)峰補(bǔ)貼效益。

消納風(fēng)電供電供熱收益體現(xiàn)在節(jié)約傳統(tǒng)火電以及傳統(tǒng)鍋爐的煤耗上,具體模型為

Fc=(Pqhμcfu+Pqeμcu)pc

(8)

Pqe為電池儲存棄風(fēng)電能供電功率替代傳統(tǒng)火電機(jī)組供電功率;Pqh為代替燃煤鍋爐供熱功率;μcfu為傳統(tǒng)鍋爐的煤耗率;μcu為傳統(tǒng)火電機(jī)組的煤耗率;pc為煤炭單價。

2.3 約束條件

約束條件為系統(tǒng)正常運(yùn)行所需滿足的條件,主要包括電蒸汽蓄熱鍋爐的運(yùn)行功率約束和電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)約束。

約束條件分為電加熱蒸汽鍋爐功率約束和蒸汽蓄熱器熱功率約束2部分,電蒸汽蓄熱鍋爐的運(yùn)行功率約束模型具體為:

0≤Peb(t)≤Peb,max

(9)

(10)

Peb,max為電蒸汽蓄熱鍋爐最大運(yùn)行功率;PHS,out,max(t)、PHS,in,max(t)分別為蒸汽蓄熱器最大放熱功率和最大儲熱功率。

約束條件分為電池充放電功率約束和電池容量約束,電池儲能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)約束模型具體為:

(11)

Stmin≤St≤Stmax

(12)

Pcha(t)、Pdis(t)分別為電池t時段的充電功率和放電功率;St為t時段電池荷電狀態(tài);Stmin、Stmax為電池荷電狀態(tài)的上、下限。

3 基于電蒸汽蓄熱鍋爐的混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

傳統(tǒng)利用電蒸汽蓄熱鍋爐消納棄風(fēng)等新能源一般采用鍋爐跟蹤棄風(fēng)模式[14],當(dāng)棄風(fēng)功率變化頻繁時,鍋爐擋位調(diào)節(jié)頻繁,極大影響了鍋爐正常使用壽命[15],為此,本文提出采用電蒸汽蓄熱鍋爐與電池儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行策略,同時優(yōu)化鍋爐擋位調(diào)節(jié),從而提高棄風(fēng)消納效率并延長設(shè)備使用壽命。

3.1 熱電單元優(yōu)化運(yùn)行策略

3.1.1 電蒸汽蓄熱鍋爐擋位優(yōu)化

棄風(fēng)功率具有隨機(jī)性且變動頻繁,當(dāng)棄風(fēng)功率恰好處在2個相鄰工作擋位之間時,怎樣選擇電鍋爐的工作擋位是解決問題的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的以鍋爐功率跟蹤棄風(fēng)功率的工作模式僅考慮了電鍋爐的運(yùn)行功率,忽略了蒸汽蓄熱器的儲熱狀態(tài)[16]。因此,本文借鑒種群算法思想[17],將蒸汽蓄熱器的儲熱狀態(tài)納入考慮范圍內(nèi)。根據(jù)優(yōu)勝劣汰的選擇機(jī)制[18],保留種群中適應(yīng)性強(qiáng)的個體而淘汰適應(yīng)性差的個體,將電鍋爐的工作擋位與蒸汽蓄熱器的儲熱狀態(tài)建立強(qiáng)相關(guān)關(guān)系,從而根據(jù)蒸汽蓄熱器的儲熱狀態(tài)選擇電鍋爐的工作擋位。

電蒸汽蓄熱鍋爐在滿足系統(tǒng)供熱需求的前提下,建立擋位優(yōu)化概率公式,根據(jù)實(shí)時計算的概率大小決定電鍋爐工作擋位,即當(dāng)蒸汽蓄熱器儲熱量越高時,電鍋爐工作在低一級擋位的概率越高;同理,當(dāng)蒸汽蓄熱器儲熱量越低時,電鍋爐則大概率工作在高一級的擋位。這種運(yùn)行模式大大降低了電鍋爐在消納棄風(fēng)時、追蹤棄風(fēng)功率時的擋位調(diào)節(jié)次數(shù),在保證最大化經(jīng)濟(jì)效益的同時,也提高了系統(tǒng)正常使用壽命。

擋位選擇概率不僅與蒸汽蓄熱器的儲熱狀態(tài)有關(guān),同時也受到負(fù)荷峰谷狀態(tài)的影響,在考慮時應(yīng)把負(fù)荷的影響考慮在內(nèi)。電鍋爐的擋位概率為

(13)

F1(x)為電鍋爐工作在較高擋位的概率;F2(x)為電鍋爐工作在較低擋位的概率;x為蒸汽蓄熱器的儲熱狀態(tài)。

式(13)中各變量具體數(shù)學(xué)公式為:

λ(x)=

(14)

(15)

(16)

3.1.2 混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行策略

當(dāng)系統(tǒng)吸納棄風(fēng)時,存在電蒸汽蓄熱鍋爐和電池系統(tǒng)參與動作,二者的動作優(yōu)先性取決于其單位效益,二者的單位效益函數(shù)為

Sh/e=

(17)

Eh/e為蒸汽蓄熱器和電池系統(tǒng)相應(yīng)儲能容量。實(shí)際運(yùn)行時,分別計算2種儲能系統(tǒng)的單位效益,單位效益高的系統(tǒng)優(yōu)先運(yùn)行。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

為了盡可能使電蒸汽蓄熱鍋爐最大化消納棄風(fēng),建立以棄風(fēng)功率消納最大為目標(biāo)的優(yōu)化控制模型,使其盡可能跟蹤棄風(fēng)功率。以棄風(fēng)功率消納最大為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為

maxP=Pqh+Pqe

(18)

在混合儲能系統(tǒng)中,還要考慮系統(tǒng)收益,以系統(tǒng)收益最大為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)為

maxF=Rcom+Rrun+Rsub+Fc-(Ceh+

Ctra+Ctm+Cg)

(19)

3.3 優(yōu)化求解平臺及算法

以上問題可以歸結(jié)為整數(shù)線性規(guī)劃尋優(yōu)問題。在MATLAB平臺上調(diào)用CPLEX軟件對上述模型進(jìn)行求解。CPLEX可以求解二次規(guī)劃、線性規(guī)劃等規(guī)劃問題,其具體流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化求解流程

在優(yōu)優(yōu)求解中,首先輸入初始數(shù)據(jù),包括棄風(fēng)、電熱負(fù)荷等,建立優(yōu)化運(yùn)行模型以及系統(tǒng)各約束條件,建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),通過算法進(jìn)行求解尋優(yōu),若所得結(jié)果不是最優(yōu)解或者未處于約束條件范圍內(nèi)則重復(fù)調(diào)用CPLEX求解,直到求得最優(yōu)解。

4 算例仿真分析

4.1 仿真條件

以某地區(qū)風(fēng)電廠為例,給出以下仿真條件:

a.風(fēng)電電價121元/(MW·h);售熱價格為147元/(MW·h)。

b.電蒸汽蓄熱鍋爐壽命20 a,單位功率價格為40萬元/MW,轉(zhuǎn)換效率為97%;蒸汽蓄熱器單位容量價格10萬元/(MW·h);電池壽命15 a,轉(zhuǎn)換效率為89%,單位功率價格為165萬元/MW,單位容量價格為151萬元/(MW·h)。

c.火電以及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的環(huán)保治理費(fèi)用為132元/(MW·h),煤炭價格為450元/t,機(jī)組煤耗率為0.143 t /(MW·h)。

d.電蒸汽蓄熱鍋爐維護(hù)成本為20元/( MW·d-1) ,蒸汽蓄熱器維護(hù)成本為16元/(MW·h·d-1),電池系統(tǒng)維護(hù)成本為155元/(MW·h·d-1);調(diào)峰補(bǔ)貼為130元/(MW·h·d-1)。

e.電蒸汽蓄熱鍋爐容量為140 MW·h,功率為24 MW,且電鍋爐工作在9個擋位,每個擋位功率差為3 MW;電池儲能系統(tǒng)容量為75 MW·h,功率為10 MW。

4.2 仿真結(jié)果

本文采用2種運(yùn)行方式進(jìn)行仿真:方式1為電蒸汽蓄熱鍋爐跟蹤棄風(fēng)功率運(yùn)行;方式2為本文提出的包含擋位優(yōu)化的混合儲能優(yōu)化控制策略。

方式1運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,采用電蒸汽蓄熱鍋爐功率跟蹤棄風(fēng)功率的運(yùn)行方式,棄風(fēng)功率消納情況較好,但仍有優(yōu)化空間。可以看到,該運(yùn)行方式下電鍋爐的擋位調(diào)節(jié)非常頻繁,一天內(nèi)達(dá)到了20次,這極大影響了鍋爐擋位調(diào)節(jié)裝置壽命,也降低了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

采用本文提出的包含擋位優(yōu)化的混合儲能優(yōu)化控制策略,其運(yùn)行仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 方式2運(yùn)行情況仿真結(jié)果

由圖4可知,在加入電池儲能系統(tǒng)后,在電蒸汽蓄熱鍋爐擋位調(diào)節(jié)間隙,可以由電池儲能系統(tǒng)消納部分棄風(fēng)功率,使得系統(tǒng)棄風(fēng)消納量進(jìn)一步提高,可以看到二者功率之和基本可以覆蓋棄風(fēng)功率,且電蒸汽蓄熱鍋爐的擋位調(diào)節(jié)次數(shù)較運(yùn)行方式1有顯著改善,該運(yùn)行狀態(tài)下的擋位調(diào)節(jié)次數(shù)僅有15次,可有效延長電蒸汽蓄熱鍋爐的使用壽命,同時由于加入了電池儲能系統(tǒng),增加了儲能動作選項,提高了系統(tǒng)靈活性。

蒸汽蓄熱器的容量狀態(tài)曲線和電池儲能系統(tǒng)的容量狀態(tài)曲線如圖5和圖6所示。

圖5 蒸汽蓄熱器容量曲線

圖6 電池儲能容量狀態(tài)曲線

由圖5和圖6可知,每日0—6:00和22:00—24:00時段電蒸汽蓄熱鍋爐消納棄風(fēng)功率的收益較高,電蒸汽蓄熱鍋爐系統(tǒng)和電池儲能系統(tǒng)的動作優(yōu)先性由式(17)決定。從直觀上來看,負(fù)荷低谷時段且棄風(fēng)功率較大,此時優(yōu)先動作設(shè)置容量更大的電蒸汽蓄熱鍋爐系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性更好,因此電蒸汽蓄熱鍋爐的動作優(yōu)先性較高,電鍋爐按照優(yōu)化擋位調(diào)節(jié)方式動作,蒸汽蓄熱器的儲熱量上升,但此時處于熱負(fù)荷低谷時段,僅由蒸汽蓄熱器儲熱而未向外供熱,此時很容易達(dá)到蓄熱器的儲熱極限,因此此時電池儲能系統(tǒng)同時動作消納棄風(fēng),由圖6可以看到電池電量同時上升。每日7:00—11:00以及18:00—22:00時段處于用電用熱高峰時段,此時蒸汽蓄熱器向外供熱且電池向外供電,蓄熱器容量和電池容量下降。在上述工作模式下,負(fù)荷高峰期可以更多售電和售熱,負(fù)荷低谷期可以盡可能消納棄風(fēng),從而使系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。

5 結(jié)束語

本文針對含有新能源的綜合能源系統(tǒng)的新能源消納問題,提出了基于電蒸汽蓄熱鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行策略。通過建立熱電混合儲能系統(tǒng)模型,結(jié)合電蒸汽蓄熱鍋爐擋位選擇優(yōu)化,在盡可能消納新能源的同時,保證了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。仿真結(jié)果表明:

a.電蒸汽蓄熱鍋爐可以一定程度上緩解棄風(fēng)功率問題,在系統(tǒng)加入電儲能系統(tǒng)后,提高了系統(tǒng)運(yùn)行靈活性,進(jìn)一步提高了棄風(fēng)消納量。

b.算法加入了針對電蒸汽蓄熱鍋爐的擋位選擇優(yōu)化,在所提出的優(yōu)化運(yùn)行方式下?lián)跷徽{(diào)節(jié)次數(shù)明顯降低,有效延長了電鍋爐的使用壽命。

c.優(yōu)化運(yùn)行策略兼顧了風(fēng)電消納和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,在有效提高棄風(fēng)消納量的同時使得系統(tǒng)的收益最大化。