李 虹， 王曉丹， 周曉潔， 郭世梟

(新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003)

0 引言

隨著環(huán)境污染的加劇，人類對(duì)能源需求不斷增長。雖然我國風(fēng)能資源豐富, 但用電負(fù)荷遠(yuǎn)離風(fēng)能富裕的北方地區(qū)，大規(guī)模高比例風(fēng)電并網(wǎng)大大增加了電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的壓力，很難實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的完全消納，因此產(chǎn)生了“棄風(fēng)”問題[1]。2016年我國全年棄風(fēng)電量497億kW·h，且大多集中在東北和西北地區(qū)，其中，內(nèi)蒙古棄風(fēng)124億kW·h，棄風(fēng)量占并網(wǎng)風(fēng)電總量的21%；新疆棄風(fēng)137億kW·h，棄風(fēng)率為38%；吉林棄風(fēng)29億kW·h，棄風(fēng)率為30%，風(fēng)電消納問題已成為制約我國風(fēng)電健康發(fā)展的最大障礙。

對(duì)于風(fēng)電消納，分析北方地區(qū)冬季供暖期熱電機(jī)組的出力特性，國內(nèi)外一些文獻(xiàn)相繼提出風(fēng)電消納與電力供暖相結(jié)合的電熱聯(lián)合調(diào)度模型[2-4]。一方面，解耦熱電機(jī)組“電熱耦合”特性，增加系統(tǒng)調(diào)峰能力；另一方面，通過增加負(fù)荷側(cè)用電負(fù)荷來消納多余風(fēng)電。在增加儲(chǔ)熱裝置方面，文獻(xiàn)[5]建立了含儲(chǔ)熱裝置、熱電機(jī)組、純凝式機(jī)組和風(fēng)電場的電熱綜合調(diào)度模型，分析了配置儲(chǔ)熱前后熱電機(jī)組的運(yùn)行特性和調(diào)峰能力變化；文獻(xiàn)[6]提出將儲(chǔ)熱裝置分別安裝在熱電機(jī)組側(cè)和電供熱系統(tǒng)處，比較了不同儲(chǔ)熱位置在運(yùn)行模式上的差異；文獻(xiàn)[7]基于寧夏電網(wǎng)實(shí)測數(shù)據(jù)，提出應(yīng)用大容量儲(chǔ)熱技術(shù)從源和荷兩方面擴(kuò)大風(fēng)電消納空間。在增大負(fù)荷側(cè)用電負(fù)荷方面，文獻(xiàn)[8-10]考慮加入電鍋爐裝置，以風(fēng)電、蓄熱式電鍋爐聯(lián)合構(gòu)成供熱系統(tǒng)，建立了含風(fēng)電、蓄熱式電鍋爐的聯(lián)合調(diào)度優(yōu)化模型；文獻(xiàn)[11-12]研究了基于水源熱泵技術(shù)的風(fēng)電消納模式，既提高了風(fēng)電消納能力，又減少了電能生產(chǎn)過程中的污染物排放。但是，以上研究大都只是單獨(dú)考慮儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐對(duì)于風(fēng)電消納的促進(jìn)作用，較少對(duì)儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱時(shí)的風(fēng)電消納效益進(jìn)行深入分析。文獻(xiàn)[13]則提出一種風(fēng)電、熱電機(jī)組和常規(guī)機(jī)組共存，儲(chǔ)熱熱電機(jī)組與電鍋爐協(xié)調(diào)供熱的棄風(fēng)消納模型，但僅考慮了系統(tǒng)總調(diào)度成本最小這一目標(biāo)函數(shù)，并沒有考慮風(fēng)電棄風(fēng)量與經(jīng)濟(jì)效益之間的相互影響。

基于以上研究，本文考慮增加抽汽式熱電機(jī)組電熱耦合約束、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電出力約束以及電鍋爐運(yùn)行條件約束，提出基于含儲(chǔ)熱熱電機(jī)組和電鍋爐的風(fēng)電消納模式，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本最小和棄風(fēng)量最少為目標(biāo)函數(shù)，建立了包含熱電機(jī)組、火電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)熱裝置以及電鍋爐在內(nèi)的多目標(biāo)風(fēng)電消納協(xié)調(diào)調(diào)度模型。比較了傳統(tǒng)方式、僅含儲(chǔ)熱裝置、僅含電鍋爐以及兩者協(xié)調(diào)調(diào)度4種方式下的風(fēng)電消納和各機(jī)組出力情況，并利用基于Pareto最優(yōu)解集的改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法對(duì)算例進(jìn)行了仿真。

1 含儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的風(fēng)電消納模式

1.1 含儲(chǔ)熱裝置的熱電機(jī)組模型

對(duì)于熱電機(jī)組，其發(fā)電出力和供熱出力存在一定的耦合關(guān)系，就是所謂的“電-熱特性”。在冬季供暖期，夜間風(fēng)電過剩時(shí)段熱電機(jī)組發(fā)出電力因供熱約束無法下調(diào)，會(huì)造成嚴(yán)重棄風(fēng)。而熱電廠通過加入儲(chǔ)熱裝置可以解耦熱電機(jī)組“以熱定電”特性，增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。圖1所示為加入儲(chǔ)熱裝裝置后抽汽式熱電機(jī)組電-熱特性的變化。

圖1 加入儲(chǔ)熱裝置后抽汽式熱電機(jī)組的電-熱特性

由圖1可知，加入儲(chǔ)熱裝置后，其電熱特性運(yùn)行區(qū)間發(fā)生了很大變化，圖中hc,max、hf,max分別表示儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)、放熱速率。對(duì)于B點(diǎn)，其汽輪機(jī)最大抽汽供熱功率為hb，通過儲(chǔ)熱裝置放熱，最大供熱功率范圍為[hb,hb+hf,max]，即相當(dāng)于AB段和BC段整體向右偏移了hf,max。 此外，在圖中CD段，存在最小供熱功率，加入儲(chǔ)熱裝置后，由于儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行儲(chǔ)熱，其最小供熱功率向左平移hc,max，則K點(diǎn)供熱功率為hc-hc,max，相當(dāng)于CD段整體向左平移hc,max，其電功率和熱功率的調(diào)節(jié)區(qū)間由原來的ABCDA變?yōu)閳D中的AGIJKLA所圍區(qū)間。當(dāng)某供熱功率同樣為h時(shí)，電功率調(diào)節(jié)區(qū)間則由圖中MN所示的調(diào)節(jié)范圍[PN, PM]變?yōu)镽S所示的調(diào)節(jié)范圍[PS, PR]，大大增加了熱電機(jī)組的電出力調(diào)節(jié)范圍。

1.2 儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐協(xié)調(diào)的風(fēng)電消納

由1.1節(jié)可知，含儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的風(fēng)電消納模式在一定程度上都能提高并網(wǎng)風(fēng)電的消納能力，但是有可能會(huì)存在儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱量不足或者電鍋爐蓄熱能力不夠的情況，從而產(chǎn)生一定量的棄風(fēng)。因此將儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐一起聯(lián)合調(diào)度，則會(huì)更大限度地實(shí)現(xiàn)風(fēng)電完全消納。其電熱綜合協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電熱綜合協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，儲(chǔ)熱裝置位于電源側(cè)，電鍋爐位于負(fù)荷側(cè)。負(fù)荷高峰期，電鍋爐儲(chǔ)存的熱量釋放，滿足部分熱負(fù)荷需求，其它熱負(fù)荷由熱電機(jī)組提供，同時(shí)儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱，用于負(fù)荷低谷使用；在負(fù)荷低谷時(shí)段，電鍋爐利用棄風(fēng)電量制熱，滿足一部分熱負(fù)荷，其余熱量用蓄熱罐儲(chǔ)存，同時(shí)儲(chǔ)熱裝置放熱。通過電鍋爐與儲(chǔ)熱裝置協(xié)調(diào)供熱，一方面使得熱電機(jī)組的電功率調(diào)節(jié)區(qū)間進(jìn)一步增大；另一方面，電鍋爐增加了電負(fù)荷，兩者同時(shí)作用使得電網(wǎng)消納棄風(fēng)的能力增強(qiáng)。

2 儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐協(xié)調(diào)消納風(fēng)電的調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本

對(duì)于系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本，主要考慮系統(tǒng)的煤耗成本，其它成本忽略不計(jì)。

對(duì)于常規(guī)火電機(jī)組，系統(tǒng)煤耗成本為發(fā)電功率的二次函數(shù)：

(1)

背壓式熱電機(jī)組，其煤耗成本與常規(guī)火電機(jī)組相同。而抽汽式熱電機(jī)組，考慮其電-熱特性，煤耗成本為:

(2)

綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)煤耗成本，以系統(tǒng)的煤耗成本最小為目標(biāo)函數(shù):

(3)

式中：ai、bi、ci為常規(guī)火電機(jī)組i的煤耗成本系數(shù)；Pi,t為第i臺(tái)常規(guī)火電機(jī)組t時(shí)刻的發(fā)電功率，MW；Pei,t和Pi,t分別為第i臺(tái)抽汽式熱電機(jī)組在t時(shí)刻凈發(fā)電功率和純凝工況下的發(fā)電功率，MW；hi,t為第i臺(tái)抽汽式熱電機(jī)組在t時(shí)刻的熱功率，MW；N1、N2為常規(guī)火電機(jī)組(包括背壓式熱電機(jī)組)、抽汽式熱電機(jī)組臺(tái)數(shù)；T為周期內(nèi)調(diào)度時(shí)段數(shù)，以1 d為一個(gè)調(diào)度周期，1 h為一個(gè)調(diào)度時(shí)段。

2.1.2 系統(tǒng)棄風(fēng)量最少

根據(jù)風(fēng)電消納機(jī)理，確保清潔能源優(yōu)先上網(wǎng)的要求，以系統(tǒng)棄風(fēng)量最小為目標(biāo)接納電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)符合并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)電電量，其目標(biāo)函數(shù)為:

(4)

2.2 約束條件

含儲(chǔ)熱熱電機(jī)組和電鍋爐協(xié)調(diào)調(diào)度模型的約束條件包括系統(tǒng)運(yùn)行約束條件和機(jī)組運(yùn)行約束條件，本文在原有基礎(chǔ)上增加了抽汽式熱電機(jī)組的電-熱耦合約束、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電出力約束、電鍋爐運(yùn)行約束等約束條件。

2.2.1 系統(tǒng)運(yùn)行約束條件

(5)

(6)

(7)

Vt≤Vmax

(8)

(9)

PEB,min≤PEB,t≤PEB,max

(10)

(11)

(12)

2.2.2 機(jī)組運(yùn)行約束

Pi,min≤Pi,t≤Pi,max

(13)

(14)

(15)

0≤hi,t≤hi,max

(16)

(17)

(18)

式(5)和(6)為系統(tǒng)電、熱功率平衡約束；式(7)(8)(9)分別為儲(chǔ)熱裝置運(yùn)行約束，包括儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)、放熱速率約束、儲(chǔ)熱裝置儲(chǔ)熱容量約束和儲(chǔ)熱裝置周期內(nèi)熱容量不變約束；式(10)和(11)分別為蓄熱式電鍋爐功率及其功率波動(dòng)約束；式(12)為風(fēng)電機(jī)組出力約束；式(13)為機(jī)組電出力上下限約束； 式(15)和(16)分別為抽汽式熱電機(jī)組凈發(fā)電出力和熱出力上、下限約束；式(14)和(17)分別為機(jī)組電、熱出力爬坡約束；式(18)為機(jī)組正負(fù)旋轉(zhuǎn)備用約束。

式中：Pi,max、Pi,min為機(jī)組i在純凝工況下的最大、最小電出力，MW；ΔPu,i、ΔPd,i為機(jī)組i最大上、下爬坡出力，MW/h；αi為機(jī)組i的電功率、熱功率彈性系數(shù)，可認(rèn)為是常數(shù)；βi為常數(shù)；γi為汽輪機(jī)進(jìn)汽量一定時(shí)，機(jī)組i多抽取單位供熱熱量時(shí)凈發(fā)電出力的減少量；hi,max為機(jī)組i的最大供熱功率，MW；Δhu,i、Δhd,i為抽汽式熱電機(jī)組單位時(shí)間內(nèi)熱功率的最大增加、減少量，MW/h；PSR為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用額度，一般取系統(tǒng)發(fā)電最高負(fù)荷的2%；USR、UDR為系統(tǒng)正、負(fù)旋轉(zhuǎn)備用，MW。

2.3 基于MOPSO算法的模型求解

考慮到所建立的多目標(biāo)協(xié)調(diào)調(diào)度模型是一個(gè)多階段、非線性復(fù)雜問題，傳統(tǒng)的優(yōu)化類算法難以求解。因此，本文在原有的多目標(biāo)粒子群算法的基礎(chǔ)上得到了改進(jìn)后的基于Pareto解集的多目標(biāo)優(yōu)化粒子群算法(MOPSO)[14,15]。改進(jìn)后的算法加入了Pareto解集占優(yōu)策略、擁擠距離排序方法和精英歸檔技術(shù)，得到了更加均勻準(zhǔn)確的Pareto解集；采用線性遞減權(quán)重的改進(jìn)方法，有效避免了粒子群算法(PSO)的早熟以及在最優(yōu)解附近振蕩的情況，進(jìn)一步提高了算法的收斂性；并且引入小概率變異機(jī)制，對(duì)粒子位置產(chǎn)生小范圍擾動(dòng)，增強(qiáng)了全局搜索能力。其改進(jìn)多目標(biāo)粒子群算法流程圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的多目標(biāo)粒子群算法流程圖

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

本文采用六機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中1#、2# 機(jī)組為背壓式熱電機(jī)組；3#、4# 機(jī)組為抽氣式熱電機(jī)組、5#、6# 機(jī)組為常規(guī)火電機(jī)組，系統(tǒng)中風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量為300 MW，各類電源的裝機(jī)比例以某地區(qū)實(shí)際裝機(jī)比例為準(zhǔn)。算例以一天24 h為一個(gè)調(diào)度周期，以1 h為一個(gè)調(diào)度時(shí)段，系統(tǒng)各時(shí)刻電負(fù)荷及相關(guān)風(fēng)電預(yù)測功率選取某日9:00到次日8:00的數(shù)據(jù)[16]，電負(fù)荷曲線如圖4所示。

設(shè)全天熱負(fù)荷為1 100 MW，各機(jī)組煤耗成本系數(shù)及各機(jī)組電熱輸出運(yùn)行參數(shù)參照文獻(xiàn)[16]；其它相關(guān)數(shù)據(jù)[17]設(shè)置如下：αi、βi、γi分別取0.75、0、0.15；儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)、放熱速率hc,max、hf,max均為50 MW，最大儲(chǔ)熱容量Vmax為2 000 MW·h，電鍋爐的最大儲(chǔ)、放熱速率hEBc, max、hEBf, max均為50 MW，最大裝置容量VEB, max為3 000 MW·h，粒子群個(gè)數(shù)設(shè)為50，迭代次數(shù)為10 000次，慣性權(quán)重Wmax為0.9、Wmin為0.4，學(xué)習(xí)因子C1、C2均為1.494。

3.2 算例分析

圖4 電負(fù)荷曲線和預(yù)測風(fēng)電曲線

采用了4種方式對(duì)同一算例進(jìn)行了相關(guān)仿真分析：方式一：不含儲(chǔ)熱裝置、不含電鍋爐； 方式二：只含儲(chǔ)熱裝置、不含電鍋爐；方式三：不含儲(chǔ)熱裝置、只含電鍋爐； 方式四：既含儲(chǔ)熱裝置、又含電鍋爐。上述4種方式利用改進(jìn)的MOPSO算法得到Pareto最優(yōu)解集如圖5所示。4種方式下的煤耗量最優(yōu)解、棄風(fēng)量最優(yōu)解以及其折衷解如表1所示。

表1 4種方式下的煤耗成本最優(yōu)解、棄風(fēng)量最優(yōu)解及其折衷解

4種方式方式一方式二方式三方式四煤耗量煤耗成本/×106元8.35268.27938.32748.2176棄風(fēng)量/MW674379.72289.8822.5棄風(fēng)量煤耗成本/×106元8.35858.29168.33448.2188棄風(fēng)量/MW673.65376.58289.7818.84折衷解煤耗成本/×106元8.35368.2828.32968.2282棄風(fēng)量/MW673.78377.48289.818.08

圖5 4種方式的Pareto最優(yōu)解集

對(duì)比4種方式下Pareto最優(yōu)解集及其各類解可知：煤耗量最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性最好，但棄風(fēng)量較大，這是因?yàn)樵摲绞絻?yōu)先考慮調(diào)度煤耗量較小的機(jī)組，并沒有考慮棄風(fēng)量大??；同樣，棄風(fēng)量最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的棄風(fēng)量最少，但經(jīng)濟(jì)性較差，這是因?yàn)樵谡{(diào)度過程中，優(yōu)先調(diào)度了棄風(fēng)量較少的機(jī)組，而沒有考慮經(jīng)濟(jì)性好壞。因此，通過對(duì)比可以看出折衷解是通過比較兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的重要程度，對(duì)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)設(shè)定了不同的權(quán)重，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和棄風(fēng)量。

由于4種調(diào)度方式下各機(jī)組出力不同，其經(jīng)濟(jì)性和棄風(fēng)量都有所差別。對(duì)比4種方式下的經(jīng)濟(jì)成本，傳統(tǒng)方式下經(jīng)濟(jì)性最差，儲(chǔ)熱裝置與電鍋爐協(xié)調(diào)調(diào)度方式下的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于其它3種方式，這是因?yàn)閮烧邊f(xié)調(diào)調(diào)度，更多的風(fēng)電替代了高成本的煤電機(jī)組出力，使得系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有所改善；對(duì)于棄風(fēng)量，4種方式則有明顯的差別。為了更好地說明儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐加入前后對(duì)風(fēng)電消納量的影響以及對(duì)熱電機(jī)組的電出力的調(diào)節(jié)作用，通過仿真，得到了4種方式下各時(shí)刻的風(fēng)電消納及其熱電機(jī)組電出力情況。

圖6 4種方式下各時(shí)刻風(fēng)電消納情況

由圖6、7可知：方式一由于既不含儲(chǔ)熱裝置，又不含電鍋爐，產(chǎn)生的棄風(fēng)量最多，約為673.78 MW，棄風(fēng)時(shí)刻熱電機(jī)組的電出力明顯高于其它方式；方式二、三，由于儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的加入，棄風(fēng)情況有所改善，棄風(fēng)量分別為377.48 MW和289.80 MW，占風(fēng)電消納總量的56%和43%，棄風(fēng)時(shí)刻熱電機(jī)組的電出力較方式一有所下降，使得風(fēng)電消納空間得以增大；方式四棄風(fēng)量僅為18.84 MW，基本實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電的完全消納，棄風(fēng)時(shí)刻熱電機(jī)組的電出力降到了最小值，大大增加了風(fēng)電消納量。這是因?yàn)闂夛L(fēng)時(shí)段，由于儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的加入，一方面解耦了熱電機(jī)組“以熱定電”特性，降低了熱電機(jī)組電出力；另一方面，電鍋爐增大了電負(fù)荷，從而使得棄風(fēng)情況得到很大的改善。

圖7 4種方式下熱電機(jī)組各時(shí)刻電出力情況

4 結(jié)論

針對(duì)北方地區(qū)冬季棄風(fēng)嚴(yán)重問題，提出了風(fēng)電消納與電力供暖相結(jié)合的解決方案,研究得出儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐對(duì)于風(fēng)電消納都有一定的促進(jìn)作用，對(duì)于風(fēng)電在電網(wǎng)調(diào)度過程中通過增加儲(chǔ)熱裝置和電鍋爐的方案來提高風(fēng)電消納能力提供了參考，為解決當(dāng)前中國北方地區(qū)在冬季供暖期面臨大量棄風(fēng)問題提供了新的解決途徑，使棄風(fēng)問題得到一定程度緩解。

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