王婉璐, 楊 莉, 王 蕾, 張 平, 黃晶晶, 王康元

(1. 浙江大學電氣工程學院, 浙江省杭州市 310027; 2. 國網浙江省電力有限公司, 浙江省杭州市 310020;3. 國網浙江海寧市供電有限公司, 浙江省海寧市 314400)

0 引言

目前,中國風電、光伏發(fā)電的裝機容量已位居世界第一,但橫亙在可再生能源發(fā)展面前的棄風、棄光等痼疾一直沒得到很好的解決[1-2]。國家能源局統(tǒng)計數據顯示,2016年全國棄風電量達49.7 TW·h,部分地區(qū)棄風率超過40%,西部地區(qū)是中國光伏電站發(fā)展的重要區(qū)域,其裝機容量仍在快速增長,但平均棄光率已達到20%。

棄風、棄光的原因主要與調峰能力不足、以熱定電、當地可再生能源裝機容量與用電需求不匹配、電源建設與電網建設不同步、外送輸電通道限制等因素有關[3-4]。以本文研究對象浙江省海寧市尖山地區(qū)為例,2016年該地區(qū)風電、光伏總裝機容量為223 MW,而其用電負荷水平在135 MW左右,是典型含高比例可再生能源系統(tǒng)。正常情況下該區(qū)域基本實現自平衡,但特殊情況下,譬如節(jié)假日,園區(qū)工業(yè)負荷劇減,無法實現就地消納,只能通過110 kV尖山變電站倒送功率至220 kV安江變電站,甚至通過220 kV安江變電站倒送功率至220 kV通道由主網消納。而特定時期(節(jié)假日負荷低,尤其單臺主變壓器運行)受尖山變電站主變壓器容量限制,以消納和送出能力分析,海寧市尖山電網無法滿足風電、光伏富余電量外送需要,受限容量達到63～143 MW,受限比例達到28.25%～64.12%。

在以火電為主要調節(jié)容量,大規(guī)模遠距離輸送模式下,受端系統(tǒng)最大可再生能源電量滲透率僅為15%,難以實現高比例可再生能源發(fā)電消納;而就地開發(fā)和消納情況下,通過源—網—荷—儲協(xié)調調度的多種措施,風光發(fā)電電量最大滲透比例可以達到60%以上[5]。然而一個地區(qū)可再生能源消納能力在沒有承接外來轉移產業(yè)的前提下,短期內難以有明顯變化,國家能源局提出應拓展能源終端消費,增加電能替代,充分挖掘可再生能源富集地區(qū)的電能消納潛力,例如利用冬季夜間風電替代燃煤鍋爐進行清潔供暖等[6]。

目前,綜合考慮用戶能源需求特性和熱網傳輸特性,協(xié)同供給側、傳輸側和需求側進行優(yōu)化運行的研究非常少。文獻[7]提出了熱網配置電鍋爐,通過解耦以熱定電耦合提高風電消納能力的調度方案;文獻[8-9]通過儲能提高系統(tǒng)的風電消納率,在風電激增時降低冷熱電聯(lián)供機組出力,利用儲能裝置滿足用戶冷、熱能需求以減少棄風;文獻[10]在分析了綜合能源系統(tǒng)中電能和熱能輸運規(guī)律的基礎上提出了整體能量流模型;文獻[11]研究了分散協(xié)調控制熱電機組、電制熱裝置以及儲能設備的電熱聯(lián)合調度策略,結果表明慣性時間常數較大的熱力系統(tǒng)可以吸收部分電能波動,有效抑制并網可再生能源出力波動性對電網造成的沖擊;文獻[12]針對電、熱負荷響應速度差異性提出多時間尺度的能量協(xié)調優(yōu)化方法,其中特別指出熱負荷平衡約束可以在一定范圍內松弛;文獻[13-14]建立了多區(qū)域冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化模型,通過熱網實現多區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的供需匹配,但所建立的熱網模型相對簡化,未考慮熱網傳輸延時特性。

本文考慮到很多工業(yè)園區(qū)供熱特性,在多篇文獻的基礎上,采用簡化的Node法建立了一個考慮了供熱管道水溫動態(tài)特性、傳輸延時、傳輸損耗等因素的實用供熱網模型;進而利用電力、熱力系統(tǒng)的互補特性,包括熱電聯(lián)產、電制熱造成的電—熱源的耦合關系,供電網的即時傳輸與供熱網的延時傳輸,用戶供熱需求的柔性以及供熱網的儲熱特性,建立了一種電—熱綜合能源系統(tǒng)的源—網—荷—儲協(xié)調調度模型。算例1以含風電的IEEE 39節(jié)點電網與26節(jié)點熱網的電—熱聯(lián)合系統(tǒng)研究了較大區(qū)域輸電網熱電聯(lián)供問題;算例2則針對海寧市尖山新區(qū)風電、光伏裝機容量與負荷不匹配的問題,實例分析了配電網以集中供熱拓展含高滲透率可再生能源系統(tǒng)終端消費空間的效果。

1 供熱網儲熱特性分析與動態(tài)建模

電—熱綜合能源系統(tǒng)的基本結構如圖1所示,主要包括常規(guī)機組、風機、光伏、熱電聯(lián)產機組、電制熱設備等單元,電力、熱力系統(tǒng)之間通過熱電聯(lián)產、電制熱等發(fā)生耦合。

圖1 電-熱綜合能源系統(tǒng)基本結構Fig.1 Basic structure of integrated electricity-heat energy system

典型的熱力系統(tǒng)包括熱源、熱網、熱交換站和熱負荷4個部分[15]。與電力系統(tǒng)類似,熱力系統(tǒng)可以分為傳輸系統(tǒng)(一次管網)和分配系統(tǒng)(二次管網),如圖2所示。一次管網和二次管網的物理網絡并不連通,而是通過熱交換站進行熱量交換。熱交換站在傳輸系統(tǒng)中為熱負荷,在分配系統(tǒng)中是熱源。本文主要考慮傳輸系統(tǒng)。傳輸系統(tǒng)中,傳熱介質經過供水管網將熱量從各個熱源輸送到各個熱交換站,再通過回水管網回到熱源,在熱網中不斷循環(huán)流動。

圖2 熱力系統(tǒng)基本結構Fig.2 Basic structure of a thermal system

熱力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)結構上存在一定相似性,因此可以將每一個熱源、熱交換站和管道連接點看作一個節(jié)點,每條管道作為一條支路,管道內水的流動方向定義為該支路方向,借鑒電力系統(tǒng)方法對熱力系統(tǒng)進行建模[16]。

1.1 熱源與熱交換站節(jié)點模型

熱力系統(tǒng)中的熱源節(jié)點包括熱電聯(lián)產機組以及熱泵、電鍋爐等電轉熱裝置,熱交換站作為負荷節(jié)點,其供應/吸收的熱量與水溫變換間的關系如圖3所示。

圖3 熱力系統(tǒng)熱源與負荷節(jié)點模型Fig.3 Heat source and load node model in thermal system

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:T′越大,說明可以在一個越大的時間尺度上調整供熱需求,T′=1即意味著嚴格按照用戶最理想需求供熱,本文假設T′=3。

供水溫度和回水溫度受管道溫度允許值限制，有

(5)

(6)

1.2 供熱管道模型

供熱管道的運行工況可通過節(jié)點質量流量連續(xù)性方程、節(jié)點溫度混合方程和供熱管道水溫動態(tài)特性方程描述[20-21]。

1)節(jié)點質量流量連續(xù)性,即每個節(jié)點熱水流入質量流量等于流出,具體表達式為:

(7)

2)節(jié)點溫度混合:不同溫度的熱水從不同管道流向相同節(jié)點后進行混合,混合后從同一節(jié)點流入不同管道的熱水溫度相同。理想混合溫度如下:

(8)

3)供熱管道水溫動態(tài)特性:指的是同一管道中熱水入口溫度與出口溫度及其時間的耦合關系,是描述供熱網絡儲熱特性的關鍵。在管道中,入口處水溫變化將緩慢擴展到出口,溫度傳輸時延與熱水流過管道的時間基本一致。此外,由于管道中熱水溫度與環(huán)境溫度存在差異,在流動期間將產生熱量損失導致水溫下降。供熱管道截面如附錄A圖A1所示,圖中Δt為調度時段長度。Node法可以較準確地描述供熱管道水溫動態(tài)特性[22-23],但是由于含有大量非線性項,求解困難。本文借鑒文獻[24]對供熱延時的處理方式對Node法進行簡化,分以下兩步計算時間延遲和熱損耗。

步驟1:假設管道j中熱水從入口到出口所需時間為τj,t,且中間沒有熱量損耗,則

(9)

(10)

步驟2:計算傳輸過程中熱損耗的影響,如式(11)所示。

(11)

上式可近似為:

(12)

式中:Ta,t為管道所處的環(huán)境溫度;λ為管道材料的導熱系數;Lj為管道j的長度。

2 考慮供熱網儲熱特性的電—熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度模型

電力、熱力系統(tǒng)具有很強的互補特性,例如電能易傳輸、難儲存,熱能易儲存、難傳輸,從熱源到用戶供熱的時延使得供熱網具備天然儲熱特性[4],電力系統(tǒng)功率需要實時平衡,而熱負荷由于用戶對室溫要求的模糊性,在一定范圍內波動的室溫并不會影響舒適度[18],因此熱負荷比電負荷更具柔性,幅值上具有可調特性,時間軸上具有一定平移特性等。

2.1 目標函數

風、光等可再生能源發(fā)電具有不確定性,場景分析法能明確描述不確定量的概率特征,并且優(yōu)化模型計算方便,因而得到廣泛的使用。假設風光出力場景S個,其中場景s的概率為ps,調度時段T個。模型以運行成本最低為優(yōu)化目標,為促進可再生能源發(fā)電的消納,將棄風、棄光成本加入系統(tǒng)運行總成本中,其目標函數如下:

(13)

a5,iPchp,i,tHchp,i,t

(14)

(15)

2.2 約束條件

電力系統(tǒng)與熱力系統(tǒng)之間通過熱電聯(lián)產機組與熱泵發(fā)生耦合。熱電聯(lián)產機組可處于多個工作狀態(tài),本文假設熱電聯(lián)產機組運行在定熱電比模式,其約束條件如下:

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

常規(guī)機組出力上下限約束和爬坡約束為:

(23)

電力系統(tǒng)功率平衡約束為:

(24)

式中:PL,t為時段t系統(tǒng)的電負荷。

電力系統(tǒng)潮流約束:

(25)

熱力系統(tǒng)約束詳見式(1)—式(12)。

3 算例分析

3.1 IEEE 39節(jié)點電網和26節(jié)點熱網聯(lián)合系統(tǒng)算例分析

算例采用IEEE 39節(jié)點電網和26節(jié)點熱網[25]聯(lián)合系統(tǒng),如附錄A圖A2所示,其中電熱耦合設備包括:位于電網節(jié)點34/熱網節(jié)點1的CHP1,位于電網節(jié)點36/熱網節(jié)點15的CHP2,以及位于電網節(jié)點32、節(jié)點35的2個200 MW熱泵。系統(tǒng)常規(guī)機組參數、負荷曲線、風電場預測出力等其他參數見附錄A表A1至表A3。

3.1.1系統(tǒng)運行工況分析

圖4為電—熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度結果,由圖可見,熱力系統(tǒng)的熱源供熱量和熱交換站熱負荷是不同步的。例如,20:00后系統(tǒng)電負荷下降、熱負荷上升,01:00—06:00為全天電負荷最低谷、熱負荷最高峰。而20:00后常規(guī)機組出力逐步下調,熱電聯(lián)產機組出力基本平穩(wěn),而富余的風電則通過熱泵轉化為熱能,存儲于熱網中,01:00—06:00期間,進入熱網的熱能明顯小于供熱需求,前期存儲在供熱網中的熱能彌補了該時段內的部分供熱需求,減少了熱力系統(tǒng)對熱電聯(lián)產機組的依賴,在此期間的少量棄風,是由于輸電線路容量限制與熱泵容量限制導致的;而07:00進入熱網的熱能多于供熱需求,多余的熱能被存儲于熱網,08:00后系統(tǒng)電負荷增加,除了常規(guī)機組出力開始爬坡外,更多風電用于供電,由前期存儲于熱管道的熱能彌補熱負荷供需間的差額。由于熱源產生的熱能經過不同長度熱網到達各個熱交換站,即時延不同,經過電—熱綜合能源系統(tǒng)的源、網、荷的協(xié)調,實現了富余風電的就地消納,避免了熱電聯(lián)產機組“以熱定電”。

圖4 電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度結果Fig.4 Optimal dispatch results of integrated electricity-heat energy system

此外,圖4(b)中熱源供熱總量與熱負荷總需求間存在差值,是熱網本身的熱損耗,本系統(tǒng)中約占熱負荷2.5%。

3.1.2風電消納情況分析

圖5為系統(tǒng)中兩個風電場消納情況對比。由圖可見,電網仍是消納風電的主要渠道,特別在09:00—16:00期間,系統(tǒng)電負荷水平較高、熱負荷較低,日間可用風電較少,因此電網可充分消納風電;20:00后,熱泵將富余風電轉換為熱能,提前存儲在熱網,用于夜間供熱。17:00熱泵電轉熱功率突然增多,分析基礎數據發(fā)現這是由于可用風電功率在該時段出現了一個尖峰,熱泵通過電轉熱,吸收了風電大部分波動量,避免了頻繁調度常規(guī)機組和熱電聯(lián)產機組偏離計劃出力導致的懲罰性成本。

由圖5(a)可見,風電場1并網電量比例大于風電場2,分析發(fā)現是由于風電場2受到輸電容量限制比風電場1嚴重,由圖5(b)可見,在相應時段,風電場2有更多電能通過熱泵轉換為熱能,顯然在風電場并網電量受到輸電容量限制時,熱網為能量輸送提供了另一通道。

圖5 兩個風電場消納情況對比Fig.5 Comparison of wind power accommodation between two wind farms

電力系統(tǒng)潮流約束、風電場接入位置和熱泵容量均會對風電消納情況造成影響,附錄A圖A3顯示了風電場配置熱泵容量對系統(tǒng)消納風電能力的影響。熱泵容量增加,系統(tǒng)消納風電能力不斷提高,但提高效果減緩,熱泵達到300 MW時,風電幾乎被完全消納,若考慮熱泵的初始投資成本,系統(tǒng)將存在一個最優(yōu)的熱泵配置容量。

3.2 海寧市尖山新區(qū)算例分析

尖山新區(qū)總面積42 km2,經人工圍墾而成,是一個正在崛起的工業(yè)新城區(qū),該新區(qū)正在致力于建成國際先進制造業(yè)中心,有海寧汽車新能源項目、萬向光伏產業(yè)園、晶科能源、桑樂太陽能、萬寶新能源等眾多大型企業(yè)。由于可再生能源發(fā)電補貼政策、當地光伏電板產能、示范區(qū)效應等眾多因素,尖山新區(qū)新能源發(fā)電裝機容量增長迅猛,截至2017年8月,尖山地區(qū)已并網光伏電站裝機總容量173 MW,風機總裝機容量50 MW,并將持續(xù)增長。高滲透率可再生能源發(fā)電增加了該區(qū)域配電網的運行壓力,可再生能源發(fā)電出力已面臨無法就地消納的問題,負荷低谷時出現向主網倒送功率的現象。以2017年1月28日該區(qū)域內日負荷曲線和光伏出力數據為基礎,對不同滲透率光伏接入后系統(tǒng)凈負荷變化的情況進行分析,如附錄A圖A4所示。由附錄A圖A4可見,光伏只有目前裝機容量80%時,系統(tǒng)就已出現凈負荷小于0的情況,即功率倒送。針對這種情況,目前尖山地區(qū)擬采取措施包括通過完善配電網網架聯(lián)絡向安江變電站轉移、建設柔性互聯(lián)技術應用示范工程和智能交直流混合微電網技術應用示范工程來改善電網結構和利用配電網轉移電源出力。這些措施一定程度上可以解決尖山地區(qū)可再生能源的消納問題。但為保證區(qū)域內電網安全穩(wěn)定運行,可再生能源發(fā)電就地消納水平仍亟需加強,2016年浙江省發(fā)展規(guī)劃研究院發(fā)布《海寧市集中供熱規(guī)劃》,建議在海寧市實行集中供熱。在此背景下,本文分析了尖山新區(qū)電—熱綜合能源系統(tǒng)源—網—荷—儲協(xié)調調度對拓展能源終端消費空間的效果。

系統(tǒng)拓撲結構如附錄A圖A5所示,區(qū)域內熱電廠裝機方案為一座20 MW熱電聯(lián)產機組。圖6為該區(qū)域優(yōu)化調度結果。

圖6 尖山新區(qū)電-熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度結果Fig.6 Optimal dispatch results of integrated electricity-heat energy system in Jianshan district

由于尖山地區(qū)以工業(yè)負荷為主,09:00—17:00時間段為熱負荷需求高峰期,與光伏出力曲線較為匹配,從圖6中可以看到,通過電—熱綜合能源系統(tǒng)協(xié)調調度,該時段大部分光伏出力轉化為熱能用于熱網供熱,有效降低了可再生能源發(fā)電功率倒送的風險,緩解了可再生能源發(fā)電滲透率不斷提高對電網運行帶來的壓力,同時充分利用可再生能源發(fā)電剩余出力供熱,還減少了熱電聯(lián)產機組容量需求和機組出力,有利于新區(qū)的節(jié)能減排。

4 結語

充分挖掘可再生能源富集地區(qū)的電能消納潛力是解決棄風、棄光問題,應對未來高比例可再生能源發(fā)電并網趨勢的關鍵。本文從電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的互補耦合特性出發(fā),利用電—熱綜合能源系統(tǒng)中電—熱源耦合、網互助、荷互補的特點,考慮了供熱管道水溫動態(tài)特性、傳輸延時、傳輸損耗等因素,以及用戶供熱需求的柔性,建立了考慮供熱網儲熱特性的電—熱綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調度模型。算例1結果表明該模型可以通過電—熱綜合能源系統(tǒng)中源、網、荷的相互協(xié)調,突破“以熱定電”運行模式限制,實現電、熱供需曲線的時間平移和優(yōu)化匹配,顯著提高可再生能源消納水平;算例2基于海寧市尖山新區(qū)實際情況,驗證了利用集中供熱拓展能源終端消費以緩解可再生能源發(fā)電滲透率不斷提高引起電網運行壓力的有效性,為解決大規(guī)模集中并網帶來的新能源消納問題提供了新方法,適合在可再生能源富集地區(qū)推廣。

本文模型可進一步在以下方面進行研究:①在考慮熱泵投資建設成本的基礎上獲得熱泵最佳選址和配置容量,用于電—熱綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設計;②目前本文模型沒有考慮冷熱電三聯(lián)供,這是因為目前區(qū)域供冷技術價格還比較高,絕大部分超過0.7元/(kW·h),且供冷最遠距離限制在1 km左右。但國內東部很多分布式可再生能源發(fā)電富集地區(qū)都在探索冷熱電聯(lián)供,因此下一步還可將冷熱電三聯(lián)供、電動汽車以及多類型負荷納入綜合能源系統(tǒng)的源—荷—網—儲協(xié)調規(guī)劃與調度。

附錄見本刊網絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。