蘇明昕，蘇　波，田志浩

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司調(diào)度控制中心 寧夏銀川　750001）

我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了近年來的高速發(fā)展后，已進(jìn)入了穩(wěn)步增長(zhǎng)階段，但是棄風(fēng)問題對(duì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制約也越來越明顯［1-2］。以我國(guó)三北地區(qū)為例，該地區(qū)是我國(guó)風(fēng)資源最為豐富的地區(qū)，但據(jù)負(fù)荷中心較遠(yuǎn)且本地消納能力有限，所以三北地區(qū)也是我國(guó)棄風(fēng)率最高的地區(qū)。三北地區(qū)都屬于我國(guó)的北方地區(qū)，在冬季供暖期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為滿足熱負(fù)荷需求將具有較高的強(qiáng)迫出力使得系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力進(jìn)一步下降，所以棄風(fēng)問題在冬季供暖期尤為突出，部分地區(qū)在該時(shí)期內(nèi)的棄風(fēng)率高達(dá)20%以上。棄風(fēng)率較高不僅會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)上的損失，且浪費(fèi)了大量的清潔能源。

在提升新能源消納能力的各種現(xiàn)有可行方案中，配置儲(chǔ)熱裝置的方案由于具有技術(shù)的成熟度較高，相對(duì)于其他方案來說經(jīng)濟(jì)性更好，適宜大規(guī)模推廣，具有良好的應(yīng)用前景，其中包含大容量?jī)?chǔ)熱的風(fēng)電供熱裝置一方面可以增加本地消納能力，減小外送壓力；另一方面可以從負(fù)荷側(cè)增強(qiáng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，從而增加系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力，可大幅減小系統(tǒng)限電棄風(fēng)。

由于風(fēng)資源本身所具有的間歇性和不穩(wěn)定性，風(fēng)電出力與穩(wěn)定的供暖需求之間不能完全匹配，需要加入儲(chǔ)熱裝置以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的生產(chǎn)和消納之間更好的匹配［3］。通過配置的儲(chǔ)熱裝置在風(fēng)電出力大的時(shí)段將多余的能量存儲(chǔ)起來，在風(fēng)電出力小的時(shí)段釋放能量保證供暖需求，因此需要在方案實(shí)施的規(guī)劃階段對(duì)所需的儲(chǔ)熱容量大小的確定方法進(jìn)行深入的研究；且風(fēng)電清潔供暖應(yīng)該盡量只利用棄風(fēng)電量，否則從能源利用的角度來看并不一定是最經(jīng)濟(jì)，而且在進(jìn)行風(fēng)電清潔供暖規(guī)劃時(shí)還要確定合適的供暖面積，盡量只利用棄風(fēng)電量。本文針對(duì)以上問題提出了一種如何根據(jù)某一區(qū)域的實(shí)際風(fēng)資源數(shù)據(jù)、風(fēng)電出力數(shù)據(jù)、熱負(fù)荷需求數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)該地區(qū)施行風(fēng)電清潔供暖方案是否具有可行性的方法，并定量計(jì)算可供暖面積以及所需要配置的儲(chǔ)熱裝置的容量大小。

1　風(fēng)電供暖的區(qū)域規(guī)劃方案

本文所提出的風(fēng)電區(qū)域供暖的規(guī)劃方案包括以下五個(gè)部分：

（1）獲取待規(guī)劃地區(qū)年時(shí)間尺度風(fēng)電出力極限曲線和風(fēng)電實(shí)際出力曲線，計(jì)算該地區(qū)數(shù)據(jù)年內(nèi)總棄風(fēng)電量；

（2）根據(jù)待規(guī)劃地區(qū)棄風(fēng)總量，評(píng)估該地區(qū)實(shí)施風(fēng)電清潔供暖方案的可行性；

（3）根據(jù)該地區(qū)在供熱期內(nèi)棄風(fēng)總量計(jì)算風(fēng)電清潔供暖方案的可供熱面積；

（4）對(duì)典型日風(fēng)電出力曲線和典型日熱負(fù)荷曲線進(jìn)行標(biāo)幺化，計(jì)算兩者的延時(shí)相關(guān)系數(shù)；

（5）根據(jù)延時(shí)相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果確定儲(chǔ)熱容量配置大小。

該方案綜合考慮了待規(guī)劃地區(qū)風(fēng)力資源特性、電力負(fù)荷特性以及熱力負(fù)荷特性，并通過典型日風(fēng)電出力曲線和典型日熱負(fù)荷曲線延時(shí)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算來確定系統(tǒng)中應(yīng)該配置的儲(chǔ)熱容量的大小。

1.1　待規(guī)劃地區(qū)數(shù)據(jù)年內(nèi)總棄風(fēng)電量的計(jì)算［4］

為計(jì)算待規(guī)劃區(qū)域一個(gè)供暖期內(nèi)的棄風(fēng)總量，首先需要獲取待規(guī)劃區(qū)域一個(gè)供暖期內(nèi)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)曲線（風(fēng)電出力極限）和風(fēng)電實(shí)際出力曲線PW(t),t=1,2,…,N，N為風(fēng)功率預(yù)測(cè)曲線和風(fēng)電實(shí)際出力曲線的采樣點(diǎn)總數(shù)。兩條曲線的采樣步長(zhǎng)Δt應(yīng)相同，則在同一時(shí)間尺度下采樣點(diǎn)的總數(shù)N相等。根據(jù)所獲取的風(fēng)功率預(yù)測(cè)曲線（風(fēng)電出力極限）和風(fēng)電實(shí)際出力曲線PW(t)計(jì)算供暖期內(nèi)該區(qū)域棄風(fēng)電量：

一年內(nèi)該區(qū)域的棄風(fēng)電量WcurtailW的計(jì)算方法為

上述計(jì)算過程中，年時(shí)間尺度的風(fēng)功率預(yù)測(cè)曲線指的是該區(qū)域內(nèi)一年內(nèi)總的風(fēng)電預(yù)測(cè)出力，也就是該區(qū)域內(nèi)所有風(fēng)場(chǎng)出力極限的總和，而風(fēng)電實(shí)際出力曲線指的是同一區(qū)域、同一時(shí)段內(nèi)所有風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際出力總和。

1.2　風(fēng)電清潔供暖實(shí)施可行性評(píng)估

根據(jù)計(jì)算所得到的供暖期內(nèi)待規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的總棄風(fēng)電量，對(duì)風(fēng)電清潔供暖在該區(qū)域?qū)嵤┑目尚行赃M(jìn)行評(píng)估。當(dāng)棄風(fēng)總量大于限值即：時(shí)認(rèn)為在該區(qū)域?qū)嵤╋L(fēng)電清潔供暖具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性。

1.3　風(fēng)電清潔供暖可供暖面積的計(jì)算

上述步驟中，供暖熱負(fù)荷指標(biāo)和供暖期天數(shù)由該區(qū)域供暖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定。

1.4　風(fēng)資源與熱負(fù)荷相關(guān)系數(shù)及延時(shí)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算

式中：tdelay—熱負(fù)荷需求延時(shí)的小時(shí)數(shù)。

上述步驟中，相關(guān)系數(shù)是用以反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，延時(shí)相關(guān)系數(shù)則反映的是在加入了一定的延時(shí)之后，兩個(gè)變量的關(guān)系密切程度。

1.5　待規(guī)劃區(qū)域儲(chǔ)熱容量的計(jì)算

根據(jù)延時(shí)相關(guān)系數(shù)的結(jié)果計(jì)算所需的儲(chǔ)熱容量［8-9］。取為使風(fēng)電出力曲線與熱負(fù)荷曲線的延時(shí)相關(guān)系數(shù)取得最大值rmax時(shí)的tdelay，即：

合適的儲(chǔ)熱容量將使風(fēng)資源與熱負(fù)荷更好地匹配，從而提高風(fēng)電清潔供暖方案的經(jīng)濟(jì)可行性。

2　可行性驗(yàn)證

寧夏回族自治區(qū)地處我國(guó)西北，該區(qū)一年四季風(fēng)能資源豐富，年平均有效風(fēng)能密度在131～241 W/m2。寧夏地區(qū)2013年的風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到了3.02 GW。

為計(jì)算全年棄風(fēng)電量，獲取寧夏地區(qū)2013年逐日風(fēng)電實(shí)際出力曲線如圖1所示。

圖1　寧夏地區(qū)2013年逐日風(fēng)電出力曲線

可以看出，由于風(fēng)電資源自身所具有的波動(dòng)性和隨意性，風(fēng)電實(shí)際出力的波動(dòng)范圍較大。再根據(jù)同一時(shí)段內(nèi)寧夏地區(qū)的風(fēng)電出力極限數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出，2013年寧夏地區(qū)的實(shí)際棄風(fēng)電量為39 GW·h時(shí)。

根據(jù)寧夏地區(qū)近年來的氣象數(shù)據(jù)和供暖需求數(shù)據(jù)，得出該地區(qū)在風(fēng)電棄風(fēng)率達(dá)到0.2 TW·h時(shí)，在該地區(qū)實(shí)施風(fēng)電清潔供暖方案，具有經(jīng)濟(jì)上的可行性。根據(jù)對(duì)寧夏地區(qū)棄風(fēng)總量的計(jì)算可得認(rèn)為該地區(qū)具有施行風(fēng)電清潔供暖的可行性。

由寧夏地區(qū)實(shí)際供暖要求及熱負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)，綜合選取該地區(qū)單位面積供暖熱負(fù)荷指標(biāo)q=46.94 W/m2，寧夏地區(qū)供熱期為11月1日至次年4月中旬，則認(rèn)為供熱期長(zhǎng)度約為M=168(d)。由此計(jì)算可得2013年度寧夏地區(qū)棄風(fēng)情節(jié)供暖方案實(shí)施后，理想狀態(tài)下，如果可使全額棄風(fēng)參與清潔供暖，則可供熱的面積約為

經(jīng)標(biāo)幺化處理后的寧夏地區(qū)2013年典型日的風(fēng)資源日特性和熱負(fù)荷日特性如圖2所示。

圖2　2012年寧夏地區(qū)風(fēng)電出力日曲線及供熱負(fù)荷日曲線

通過對(duì)標(biāo)幺化處理后風(fēng)資源日特性曲線和熱負(fù)荷日特性曲線的分析可以得出結(jié)論：寧夏地區(qū)風(fēng)資源波動(dòng)規(guī)律與熱負(fù)荷波動(dòng)規(guī)律有明顯的差異，風(fēng)資源富集時(shí)段與夜間熱負(fù)荷需求高峰不吻合。

為進(jìn)一步定量分析寧夏地區(qū)風(fēng)電出力日特性與熱負(fù)荷日特性之間的差異性和相似性，計(jì)算兩者的延時(shí)相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如圖3所示.

圖3　2013年12月寧夏地區(qū)風(fēng)電出力日曲線與供熱負(fù)荷日曲線延時(shí)相關(guān)系數(shù)

在沒有儲(chǔ)熱裝置加入，即熱負(fù)荷與風(fēng)資源特性曲線之間的延時(shí)為零的時(shí)候可以看到，兩者呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)性。而在延時(shí)為10 h時(shí)兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值，=10 h。

根據(jù)所獲取寧夏地區(qū)2013年熱負(fù)荷需求數(shù)據(jù)知，在供熱面積達(dá)到2.06×106m2時(shí)，供熱負(fù)荷約為=133.9 MW。則可知相應(yīng)的儲(chǔ)熱裝置容量配置應(yīng)達(dá)到：

即認(rèn)為如果在寧夏地區(qū)實(shí)施風(fēng)電清潔供暖方案，則需要配置月1339 MW?h的儲(chǔ)熱裝置，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)資源和熱負(fù)荷更好的匹配，使風(fēng)電清潔供暖方案的實(shí)施能最大程度消納寧夏地區(qū)的棄風(fēng)電量，并且具有更好的經(jīng)濟(jì)效果。

3　結(jié)論

本文所提出的風(fēng)電區(qū)域供暖的規(guī)劃方案能夠根據(jù)某一區(qū)域的實(shí)際風(fēng)資源數(shù)據(jù)、風(fēng)電出力數(shù)據(jù)、熱負(fù)荷需求數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)該地區(qū)施行風(fēng)電清潔供暖方案所具有的可行性，并能夠定量計(jì)算可供暖面積以及所需要配置的儲(chǔ)熱裝置的容量大小。通過對(duì)寧夏地區(qū)的實(shí)際算例驗(yàn)證了該風(fēng)電清潔供暖的區(qū)域規(guī)劃方法具有一定的科學(xué)性及可行性，為今后實(shí)施風(fēng)電區(qū)域供暖提供了有益參考。

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