王 羽

(水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京100120)

0 引言

隨著能源系統(tǒng)革命，能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化，風(fēng)電等可再生能源比例逐年提高，尤其是在我國三北地區(qū)[1-2]。然而，風(fēng)電等可再生能源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，降低了系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電并網(wǎng)消納問題突出[3-6]。同時(shí)，我國三北地區(qū)電網(wǎng)中存在著高比例的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組用于滿足冬季巨大的采暖需求，運(yùn)行在“以熱定電”模式下[7]，靈活調(diào)節(jié)能力極其有限，進(jìn)一步加劇了棄風(fēng)問題，采暖季棄風(fēng)率高達(dá)30%以上。大規(guī)模風(fēng)電和高比例熱電聯(lián)產(chǎn)的并存，造成了嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，給電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來諸多困難[8]。根據(jù)現(xiàn)有研究，引入分布式熱泵、電鍋爐和儲(chǔ)熱裝置，可以提高熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行靈活性，實(shí)現(xiàn)平抑風(fēng)電波動(dòng)的目的[9-12]。

在中國北方地區(qū)，區(qū)域供暖系統(tǒng)很早就開始用于冬季采暖，而空調(diào)等分布式熱泵很少被用于冬季采暖。另外，學(xué)者對(duì)分布式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配合儲(chǔ)熱裝置進(jìn)行了研究[13-15]，但是針對(duì)大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配置儲(chǔ)熱裝置的研究還相對(duì)較少。進(jìn)一步地，利用建筑物熱慣性和人體熱舒適性提高熱負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)能力已成為電力系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[16-18]。但是，如何將現(xiàn)有空調(diào)熱泵引入?yún)^(qū)域供暖，并利用多種儲(chǔ)熱技術(shù)提高電力系統(tǒng)靈活性，還缺乏相應(yīng)的研究。由此，文中基于區(qū)域能源系統(tǒng)框架，提出了一種聯(lián)合大型儲(chǔ)熱裝置和建筑物儲(chǔ)熱的熱力系統(tǒng)儲(chǔ)熱控制方法，用于促進(jìn)風(fēng)電消納。

1 原理概述

區(qū)域能源系統(tǒng)(如圖1所示)以大型燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為核心，并配有大型熱水儲(chǔ)熱裝置和分布式熱泵。其中，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和分布式熱泵作為熱源向用戶提供熱能，滿足其采暖需求。進(jìn)一步，通過優(yōu)化控制熱水儲(chǔ)熱裝置，并利用建筑物儲(chǔ)熱特性和用戶熱舒適需求特性，提高整個(gè)區(qū)域能源系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性，由此在日前優(yōu)化調(diào)度中向電網(wǎng)提供調(diào)峰容量，促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電消納。

圖1 區(qū)域能源系統(tǒng)基本框架Fig.1 District energy system

首先，大型熱水儲(chǔ)熱裝置具有成本低的特點(diǎn)，可以充分地匹配大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱容量，并通過優(yōu)化控制其蓄、放熱，實(shí)現(xiàn)在熱負(fù)荷低谷蓄熱，在熱負(fù)荷高峰放熱的運(yùn)行方式，滿足了采暖負(fù)荷的需求。根據(jù)圖2的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行工況，隨著熱出力的逐漸增加，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的功率調(diào)節(jié)范圍在逐漸減小，機(jī)組調(diào)峰能力逐漸減弱，通過儲(chǔ)熱裝置放熱，減小熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱出力，進(jìn)而提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電出力調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的向上調(diào)峰，用于補(bǔ)償風(fēng)電功率的不足。

圖2 CN300/200-16.7 型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行工況Fig.2 P-Q chart of CN300/200-16.7 extraction condensing turbine CHP

其次，空調(diào)等分布式熱泵在中國城市里普及度較高，但一般僅用于滿足夏季制冷需求。如果充分利用分布式熱泵的供熱能力，代替熱電聯(lián)產(chǎn)的部分采暖負(fù)荷，既可以利用過剩的風(fēng)電滿足采暖需求，也可以提高熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行靈活性，滿足電網(wǎng)中的風(fēng)電調(diào)峰需求。

最后，北方地區(qū)建筑物具有巨大的蓄熱能力。當(dāng)供暖量大于采暖負(fù)荷時(shí)，熱量儲(chǔ)存在建筑物中時(shí)，室內(nèi)溫度升高；當(dāng)供暖量小于采暖負(fù)荷時(shí)，熱量從建筑物中釋放，室內(nèi)溫度下降。進(jìn)一步，考慮到人體熱舒適性，室內(nèi)溫度可在一定的舒適溫度范圍內(nèi)波動(dòng)，而通過優(yōu)化控制熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和分布式熱泵的供暖功率，改變建筑物的熱平衡狀態(tài)，使建筑物不斷的蓄、放熱，從而為電網(wǎng)提供更大的調(diào)峰能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的追蹤。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差和波動(dòng)率的增加。因此，文中以等效負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)差最小作為目標(biāo)函數(shù)，如式(1)所示：

(1)

Peq(t)=Pl(t)-Pw(t)-PCHP(t)+PEHPs(t)

(2)

式中：Pl(t) 為電力負(fù)荷；Pw(t) 為可利用風(fēng)電功率；PCHP(t)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電出力；PEHPs(t) 為分布式熱泵的耗電功率。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行約束

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電出力受到其上、下限約束和爬坡約束，如式(3)和(4)所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.3 蓄熱控制約束

(8)

(9)

(10)

2.4 熱負(fù)荷控制約束

用戶總耗熱功率Pend(t) ，由熱電聯(lián)產(chǎn)的熱出力Pwater(t)和分布式熱泵的熱功率Ph,EHPs(t)共同承擔(dān)，如式(11)所示：

Pend(t)=Pwater(t)+Ph,EHPs(t)

(11)

式中：熱電聯(lián)產(chǎn)的熱出力Pwater(t)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的出力和儲(chǔ)熱裝置的蓄放熱功率的疊加，見式(12)：

Pwater(t)=Phot(t)+PTES.out(t)-PTES.in(t)

(12)

同時(shí)，分布式熱泵的熱功率受到其額定容量PCAP和性能系數(shù)C的約束，如式(13) 和 (14)所示：

0≤Ph,EHPs(t)≤PCAP

(13)

Ph,EHPs(t)=C·PEHPs(t)

(14)

2.5 建筑物儲(chǔ)熱和人體熱舒適約束

由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，建筑物可以被認(rèn)為是一個(gè)儲(chǔ)熱裝置。根據(jù)能量守恒定律，其儲(chǔ)熱特性可以由式(15)表示：

(15)

最后，考慮到人體熱舒適性，室內(nèi)溫度可以在上限溫度Tup和下限溫度Tdown范圍內(nèi)波動(dòng)：

Tdown≤T(t)≤Tup

(16)

3 算例仿真

本文設(shè)計(jì)了3個(gè)對(duì)比算例，其中，算例Ⅰ為熱電聯(lián)產(chǎn)“以熱定電”的原始控制方法，算例Ⅱ?yàn)椴豢紤]儲(chǔ)熱的控制方法，算例Ⅲ為本文所提儲(chǔ)熱控制方法，具體如表1所示。模型為典型的非線性規(guī)劃(NLP)問題，利用GAMS/MOSEK求解器進(jìn)行求解。

表1 對(duì)比算例Tab.1 Comparison cases

(1) 風(fēng)電數(shù)據(jù)。基于天氣數(shù)值預(yù)報(bào)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電預(yù)測系統(tǒng)早已應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)度中心[19]。根據(jù)風(fēng)電預(yù)測規(guī)范，本文選用了分辨率為15 min，時(shí)長為24 h的冬季風(fēng)電預(yù)測功率曲線作為算例仿真對(duì)象，如圖3所示。

圖3 預(yù)測風(fēng)電功率Fig.3 Prediction wind power curve

(2) 電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。預(yù)測電力負(fù)荷曲線如圖4所示。

圖4 電力負(fù)荷曲線Fig.4 Electricity load

(3) 采暖負(fù)荷。早晚溫差的變化導(dǎo)致了采暖負(fù)荷需求的波動(dòng)，而室外溫度的日峰谷差是溫度變化的典型指標(biāo)之一。由此，本文根據(jù)室外溫度日峰谷差的不同，選擇了3條峰谷差不同的采暖熱負(fù)荷曲線作為對(duì)比算例，如圖5所示。

圖5 典型采暖熱負(fù)荷曲線Fig.5 Space heating load

(4) 區(qū)域供暖系統(tǒng)參數(shù)。區(qū)域能源系統(tǒng)包含一臺(tái)CN300/200-16.7型號(hào)的抽凝機(jī)組，其熱電耦合特性如圖2所示：熱出力為0 MW時(shí)，其最大發(fā)電出力為330 MW，最小出力為165 MW；最大熱出力445 MW時(shí)，發(fā)電出力固定在250 MW，熱出力拐點(diǎn)為300 MW。另外，熱電機(jī)組的最大爬坡速度設(shè)為3.3 MW/min。一臺(tái)容量為2000 MW·h的大型熱水蓄熱罐和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組配合使用，其最大熱輸出和蓄熱功率設(shè)為500 MW。建筑物的平均導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W·m-2·℃-1，空氣比熱容為1.007 kJ·kg-1·℃-1，空氣密度為1.2 kg·m-3。熱舒適溫度上、下限分別設(shè)為18 ℃ 和 22 ℃。

4 結(jié)果與分析

4.1 電力負(fù)荷優(yōu)化控制結(jié)果

圖6展示了不同算例下的分布式熱泵耗電功率和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力時(shí)序曲線。利用本文所提儲(chǔ)熱控制方法(算例Ⅲ)，一方面引入了分布式熱泵耗電功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)等效負(fù)荷(如圖7)的跟蹤，可以提供的額外調(diào)峰容量達(dá)到150 MW；另一方面，這也改善了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電出力靈活性，使其最大出力顯著提高(算例Ⅲ中20:00時(shí))，最大調(diào)峰容量提高了30 MW。進(jìn)一步，算例Ⅱ并未考慮熱力系統(tǒng)的聯(lián)合儲(chǔ)熱控制，雖然熱泵依然能提供很好的調(diào)峰能力，但是熱電機(jī)組的調(diào)峰能力相比算例Ⅰ并未有改善，因?yàn)檎{(diào)整后的等效負(fù)荷在峰谷時(shí)間段平滑效果較差(如圖7)，可見聯(lián)合儲(chǔ)熱對(duì)提高熱電機(jī)組的調(diào)峰能力(算例Ⅲ)方面具有重要作用。由此，分布式熱泵代替部分供暖，可以提供巨大的調(diào)峰潛力，而考慮儲(chǔ)熱裝置和建筑物熱慣性的聯(lián)合儲(chǔ)熱控制是提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力的關(guān)鍵。

圖6 熱電機(jī)組和分布式熱泵的電力負(fù)荷分配Fig.6 The Electricity dispatch for CHP and EHPs

圖7 調(diào)整后的等效負(fù)荷曲線Fig.7 The adjusted equivalent load

圖7給出了待調(diào)整的等效負(fù)荷和算例Ⅰ、算例Ⅱ、算例Ⅲ中調(diào)整后的等效負(fù)荷。等效負(fù)荷就是電力負(fù)荷和風(fēng)電功率之差，由于風(fēng)電的逆調(diào)峰特性，等效負(fù)荷的峰谷差和波動(dòng)率要明顯大于原始電力負(fù)荷。算例Ⅱ和算例Ⅲ中調(diào)整后的等效負(fù)荷要明顯比算例Ⅰ中的更平滑，特別是算例Ⅲ幾乎為一條直線，而算例Ⅰ和原始等效負(fù)荷的峰谷差為281 MW和188 MW?？梢?，本文所提儲(chǔ)熱控制方法，能夠有效地利用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和分布式熱泵跟蹤等效負(fù)荷，從而減小等效負(fù)荷的波動(dòng)。

4.2 熱負(fù)荷和儲(chǔ)熱優(yōu)化結(jié)果

圖8展示了儲(chǔ)熱控制后的熱負(fù)荷分配結(jié)果?？梢?，熱負(fù)荷由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和分布式熱泵共同承擔(dān)，且由于考慮了建筑物儲(chǔ)熱特性，供熱功率和熱負(fù)荷需求并不是實(shí)時(shí)平衡的。當(dāng)總供熱功率大于熱負(fù)荷時(shí)，建筑物儲(chǔ)熱，室內(nèi)溫度升高；當(dāng)總的供熱功率小于熱負(fù)荷時(shí)，建筑物放熱，室內(nèi)溫度降低。圖9展示了室內(nèi)溫度的變化情況。一方面分布式熱泵可以通過分擔(dān)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的采暖負(fù)荷，來提高機(jī)組的運(yùn)行靈活性。另一方面，利用建筑物儲(chǔ)熱特性，分布式熱泵可以更好地跟蹤風(fēng)電或者是等效負(fù)荷的波動(dòng)，這也可以用來解釋室內(nèi)溫度波動(dòng)的規(guī)律。

圖8 熱電機(jī)組和分布式熱泵的熱負(fù)荷分配Fig.8 The heating load dispatch for CHP and EHPs

圖9 室內(nèi)溫度曲線Fig.9 The variation of indoor temperature

圖10展示了儲(chǔ)熱裝置的蓄、放熱功率?？梢?，儲(chǔ)熱裝置在熱負(fù)荷低谷進(jìn)行蓄熱，而在熱負(fù)荷的高峰放熱，用來補(bǔ)償熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱水出力，達(dá)到提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力靈活性的目的。這樣，儲(chǔ)熱裝置的蓄、放熱功率也能夠很好的匹配熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱水出力。

圖10 儲(chǔ)熱裝置的蓄放熱功率Fig.10 The heat input and output of TES

進(jìn)一步地，分布式熱泵的供熱功率和儲(chǔ)熱裝置的蓄放熱功率能夠很好地相互配合。例如，從12：00—14：00，分布式熱泵供暖可以有效地降低熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱水出力，使得更多的熱水出力可以用來滿足儲(chǔ)熱裝置蓄熱需求。然后，在等效負(fù)荷高峰的時(shí)候，存儲(chǔ)在儲(chǔ)熱裝置中的熱水能夠補(bǔ)充熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱水出力，提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的靈活性，來跟蹤等效負(fù)荷的波動(dòng)。

4.3 熱負(fù)荷類型的影響分析

圖11展示了3種典型熱負(fù)荷下調(diào)整后的等效負(fù)荷。可見，隨著熱負(fù)荷水平的提高，調(diào)整后的等效負(fù)荷逐漸降低，尤其是在等效負(fù)荷低谷時(shí)段(12：00—16：00)，等效負(fù)荷最小值分別為954 MW、931 MW和870 MW。這主要是因?yàn)檩^低的熱負(fù)荷需求限制了分布式熱泵的使用，無法充分地利用分布式熱泵的耗電功率去補(bǔ)償?shù)凸离娏ω?fù)荷。

圖11 不同類型熱負(fù)荷下的等效負(fù)荷調(diào)整效果Fig.11 The adjusted equivalent load for three typical space heating load

由此，如表2所示，由于采暖熱負(fù)荷需求的限制，分布式熱泵總的耗電量隨著熱負(fù)荷水平的降低而減少，其值分別為1564 MW，1266 MW，731 MW。另外，隨著分布式熱泵耗電量的減少，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力的峰谷差明顯增加(從126 MW增加到155 MW)，用來補(bǔ)償分布式熱泵調(diào)峰能力的不足，而熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力的增加，可以歸因于儲(chǔ)熱裝置熱輸出的增加(如表2，從868 MW·h增加到1056 MW·h)。綜上，由于熱負(fù)荷的不同，導(dǎo)致了熱泵調(diào)峰能力、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)峰能力，甚至是儲(chǔ)熱裝置熱輸出的變化，而三者的變化趨勢則存在著此消彼長的關(guān)系。一方面，在總熱負(fù)荷有限的情況下，總的調(diào)節(jié)效果受到熱泵調(diào)峰能力的影響較大；另一方面，熱泵獲得巨大調(diào)峰能力是以犧牲熱電機(jī)組的調(diào)節(jié)能力為代價(jià)的。在電力市場環(huán)境下，這是值得進(jìn)一步考慮的一個(gè)因素。

表2 不同類型熱負(fù)荷下的結(jié)果比較Tab.2 The different results for space heating load

4.4 棄風(fēng)電量分析

圖12 展示了不同調(diào)峰容量和熱負(fù)荷類型下的棄風(fēng)情況。文中調(diào)峰容量指的是除熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組外，所有機(jī)組的最小出力。顯然，在相同的調(diào)峰容量下，由于采用了儲(chǔ)熱調(diào)度方法，算例Ⅲ的棄風(fēng)電量更少，某些情況下甚至為0。另外，采用儲(chǔ)熱調(diào)度后，棄風(fēng)電量會(huì)受到熱負(fù)荷類型的影響，隨著熱負(fù)荷水平的逐漸降低而增加，如算例Ⅲ中調(diào)峰容量為900 MW時(shí)，當(dāng)熱負(fù)荷水平下降到最大熱負(fù)荷的75%時(shí)，其棄風(fēng)電量略微增加到了30 MW·h。由此可見，較低的熱負(fù)荷水平能夠增加熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行靈活性，但是不利于分布式熱泵用于調(diào)峰，尤其是在風(fēng)電過剩的時(shí)候。

圖12 棄風(fēng)電量Fig.12 The abandoned wind power

5 結(jié)論

本文提出了一種熱力系統(tǒng)儲(chǔ)熱控制方法，用來促進(jìn)電力系統(tǒng)大規(guī)模風(fēng)電的消納。該方法以包含大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的區(qū)域能源系統(tǒng)為基本框架，引入大型儲(chǔ)熱裝置、分布式熱泵，考慮建筑物儲(chǔ)熱特性和人體熱舒適需求特性，從而滿足電力系統(tǒng)日前風(fēng)電調(diào)峰的需求。最后，通過對(duì)比算例的分析，獲得以下結(jié)論：

(1) 本文熱力系統(tǒng)儲(chǔ)熱控制方法能夠增加熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力的靈活性，同時(shí)由于分布式熱泵的快速跟蹤作用，降低了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力的波動(dòng)率。

(2) 考慮建筑物儲(chǔ)熱特性和人體熱舒適需求特性，分布式熱泵的耗電功率能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)等效負(fù)荷(電力負(fù)荷與風(fēng)電功率之差)的有效跟蹤，同時(shí)也帶來了室內(nèi)溫度的變化。

(3) 分布式熱泵的控制和儲(chǔ)熱裝置的控制能夠很好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配。分布式熱泵的運(yùn)行能夠促進(jìn)儲(chǔ)熱裝置的蓄熱作用，這有利于提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱、電出力靈活性。

(4) 分布式熱泵的耗電功率受到熱負(fù)荷水平的限制，較低的熱負(fù)荷會(huì)不利于其跟蹤較高的電力負(fù)荷或較低的風(fēng)電功率。

(5) 在電力系統(tǒng)調(diào)峰容量不足時(shí)，儲(chǔ)熱控制方法對(duì)減少系統(tǒng)棄風(fēng)具有很好的效果。