郝 玲，徐 飛，魏名山，姜 拓，康慧芳，閔 勇，劉育明，陳令特

(1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2. 清華大學 電機系，電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084；3. 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401123)

0 引 言

在西南地區(qū)水電資源最為豐富，每年6～10月存在大量富余的省際水電無法完全消納[1]，同時，每年6～10月的豐水期與夏季空調(diào)供應時段相重合，一方面是豐水期水資源過剩造成的水電資源白白流失，而另一方面是空調(diào)供應是拉動夏季電量增長的主要因素，這就造成了一種窘境：白天用電高峰期，空調(diào)用電負荷極大地增加了用電高峰電網(wǎng)容量，而夜間用電低谷期，豐水期充沛的水電被白白浪費.

電力系統(tǒng)的學者多從電力需求側(cè)管理的角度對分散式冰蓄冷消納低谷富余電量的效果進行研究[2]. 通過將冰蓄冷技術(shù)應用到區(qū)域供冷系統(tǒng)，并通過實時低谷電價機制，引導用戶在低谷時期將電能轉(zhuǎn)換為冷量儲存在固態(tài)冰中，將白天高峰時期的大量冷負荷平移至低谷時段，實現(xiàn)削峰填谷、促進低谷可再生能源消納的目的[3-5]. 徐永鋒[6]提出利用戶式獨立的光伏蓄電池驅(qū)動冰蓄冷，以促進分布式光伏利用的方案. 然而分散式冰蓄冷空調(diào)難以對冷負荷聚合，對大規(guī)模消納可再生能源的作用十分有限[7-8]. 且水電僅可被城市電力調(diào)度系統(tǒng)調(diào)控，單純的需求側(cè)管理難以實現(xiàn)對電力供應主體的優(yōu)化分配[9-10]. 若要實現(xiàn)儲冷與風電、光伏等的互動，必須將儲冷作為新的約束納入城市電力調(diào)度系統(tǒng)，并建立儲冷裝置與調(diào)度系統(tǒng)的通訊渠道，使其可接收來自調(diào)度系統(tǒng)的實時指令，從供給側(cè)管理的角度大規(guī)模消納電網(wǎng)可再生能源.

本文對與之相關(guān)的研究進行回顧，初步提出利用管網(wǎng)熱慣性及冰蓄冷單獨或協(xié)同促進夏季可再生能源消納的研究框架. 在空調(diào)系統(tǒng)與電網(wǎng)的電-熱綜合能源系統(tǒng)的統(tǒng)一模型基礎(chǔ)上，建立聯(lián)合冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)、區(qū)域供冷系統(tǒng)的電力系統(tǒng)調(diào)度模型，研究在保證用戶電、冷需求滿足要求的前提下，將空調(diào)系統(tǒng)的熱力模型耦合入現(xiàn)有電力系統(tǒng)調(diào)度模型中，實現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)化.

1 熱電聯(lián)合調(diào)度模型的提出

為實現(xiàn)供給側(cè)與需求側(cè)的良性匹配，本文研究將儲冷應用于區(qū)域供冷系統(tǒng)中，儲冷直接參與電力系統(tǒng)調(diào)度，再通過對冰蓄冷、區(qū)域供冷系統(tǒng)的精細化運行控制，提升可再生能源消納的技術(shù)方案.

具體思路為在夏季水電富集區(qū)域利用大型冰蓄冷系統(tǒng)與區(qū)域性供冷系統(tǒng)，提高電網(wǎng)低谷水電利用率. 將儲冷模塊納入城市電力調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)冷負荷、儲冷與水電的互動. 對于大型冰蓄冷系統(tǒng)，在低谷水電富余時，通過電熱綜合調(diào)度調(diào)動多余低谷水電，并利用該部分水電進行儲冰，既滿足供冷需求，又拉動低谷水電出力增長； 在次日的非谷電時段，通過融冰釋冷補充供冷，故該時段的制冷用電減少. 對于區(qū)域性供冷系統(tǒng)，利用供冷系統(tǒng)管網(wǎng)中水的熱慣性，在低谷水電富余時，通過電熱綜合調(diào)度調(diào)動多余低谷水電，并利用該部分水電為集中供冷系統(tǒng)進行蓄冷，而由于供冷系統(tǒng)管網(wǎng)熱慣性導致的溫度降低延遲，次日的非谷電時段冷水送達用戶，為冷用戶提供冷量，降低非谷電時段制冷用電. 由于通過調(diào)度提高了水電出力，而降低相應時段的火電出力，可減少標準煤耗量及碳排放量等，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)境效益的雙贏. 大型冰蓄冷系統(tǒng)提高電網(wǎng)低谷水電利用率的電熱調(diào)度綜合方案的整體示意圖如圖1 所示.

圖1 利用冰蓄冷系統(tǒng)提高電網(wǎng)低谷水電利用率的電熱調(diào)度綜合方案Fig.1 The scheme of combined power and thermal dispatching to improve the hydropower accommodation during off-peak periods based ice storage system

2 考慮冰蓄冷系統(tǒng)熱力學特性的電熱調(diào)度

為實現(xiàn)儲冰與水電的聯(lián)動，通過調(diào)度系統(tǒng)調(diào)動低谷水電進行儲冰，需將冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的冷源模型、管網(wǎng)模型融入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng). 建立考慮冰蓄冷冷源運行特性及管網(wǎng)被動儲能特性的電熱綜合調(diào)度模型，研究增加冰蓄冷及供冷管網(wǎng)調(diào)節(jié)對水電消納的影響. 在保證電力系統(tǒng)安全運行約束、在發(fā)電廠安全運行約束、電網(wǎng)容量等約束下，實現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)的獨立優(yōu)化.

建立考慮冰蓄冷外特性的電熱綜合調(diào)度模型，通過調(diào)度系統(tǒng)調(diào)動低谷水電進行儲冰，使得低谷水電出力的增量為儲冰用電量，使非谷電時段火電出力下調(diào)值為該時段的冷負荷降低值，從而達到削減非谷電時段的火電，提升低谷時段水電的目的. 蓄冷量決定了水電廠出力、火電廠出力、節(jié)煤量、用戶側(cè)運行費用減少值，通過電熱調(diào)度系統(tǒng)控制蓄冷量可直接影響低谷水電提升及環(huán)境保護的實施效果. 在發(fā)電廠安全運行約束、電網(wǎng)容量約束下，實現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)化.

目標函數(shù)的選取上，以電力系統(tǒng)中水電廠最小化棄水作為一級優(yōu)化目標，以電力系統(tǒng)中火電廠最小化煤耗作為二級優(yōu)化目標，構(gòu)建棄水消納的統(tǒng)一目標函數(shù). 考慮的約束包括：電力系統(tǒng)運行約束函數(shù)、電力系統(tǒng)機組特性約束函數(shù)，以及冰蓄冷系統(tǒng)運行約束函數(shù)等.

基于電力系統(tǒng)中水電廠個數(shù)、每個水電廠的最大發(fā)電泄水量及水電廠在調(diào)度周期內(nèi)各個時段的泄水流量，以水電廠最小化棄水作為一級優(yōu)化目標，構(gòu)建一級優(yōu)化目標函數(shù)

(1)

基于電力系統(tǒng)中火電廠個數(shù)、每個火電廠的煤耗因子及火電廠在調(diào)度周期內(nèi)各個時段的出力. 以最小化煤耗作為二級優(yōu)化目標，構(gòu)建二級優(yōu)化目標函數(shù)

(2)

式中：Nthm為火電廠個數(shù)；Nhy為第i個火電廠的煤耗因子；γi為第i個火電廠在調(diào)度周期內(nèi)第t個時段的出力. 在本實施例中，火電廠煤耗同電出力間滿足二次方關(guān)系.

統(tǒng)一目標函數(shù)為

(3)

式中：ε為一、二級優(yōu)化目標的耦合因子.ε通常取值較小，例如10-6. 當存在棄水時，由于很小，則優(yōu)化問題主要滿足一級優(yōu)化目標，二級優(yōu)化目標幾乎不起作用. 而當不存在棄水時，則目標函數(shù)中第一項為0，則優(yōu)化目標轉(zhuǎn)變?yōu)槎墐?yōu)化目標.

2.1 電力系統(tǒng)約束

2.1.1 功率平衡約束

由于電力系統(tǒng)需要滿足實時的功率平衡，從發(fā)電角度包括火電廠、水電廠的出力，從用電角度包括常規(guī)電負荷一級冰蓄冷電負荷，因此，在本實施例中，電力系統(tǒng)功率平衡約束為

(4)

2.1.2 線路容量約束

(5)

2.1.3 火電機組出力約束

由于火電機組的出力調(diào)節(jié)速率有限，且火電存在固定容量，火電機組出力介于最小機組出力與最大機組出力之間，因此，火電機組運行特性約束為

(6)

2.1.4 爬坡約束

(7)

2.1.5 水電機組運行約束

水電機組的出力主要取決于水頭高度，同時水頭高度的下降同泄水流量程成正比，則水電機組運行特性約束為

(8)

2.2 熱力系統(tǒng)約束

2.2.1 供冷平衡約束

增加儲冰裝置后，全天各時刻的冷負荷由制冷機組及融冰釋冷供冷，即制冷量的增量為儲冰用電量與融冰所致節(jié)省電量之差.

(9)

式中：Pice,t,Pmelt,t,Pcdmd,t分別表示冰蓄冷空調(diào)在時刻t的儲冰量與融冰量.

功率平衡約束可改寫為

(10)

2.2.2 儲融冰平衡約束

儲冰周期為1 d，則夜間谷電時段的儲冰量理論上應與次日非谷電時段的融冰量相等，可寫為

(11)

2.2.3 儲冷損失約束

若考慮儲冰過程的漏熱損失，漏熱系數(shù)的變化范圍通常在0.05～0.08之間，在此取值0.06，則全天儲冰量與次日可用于釋冷的融冰量滿足約束

(12)

2.2.4 最大儲冰量約束

儲冰量不大于儲冰單元最大儲冷容量Pice,max.

Pice,t≤Pice,max.

(13)

2.2.5 最大融冰量約束

儲冰模式分為全量蓄冰、半量蓄冰兩種，全天融冰量之和應當小于非谷電時段的總冷負荷

(14)

2.2.6 管網(wǎng)熱量輸運約束

對于管道中的熱量輸運過程，應用能量守恒定律可得

(15)

式中：ρ,cp和λ分別為密度、定壓比熱容和水的熱導率；T為溫度；U為水速度矢量；τ為時間. 如式(14)所示，由于流體運動和熱傳導，焓的增加等于凈入流熱通量.

假設(shè)同一橫截面上的流體溫度相同,只考慮水溫隨著縱向方向x和時間τ的變化，將式(14)簡化為一維形式

(16)

式中：A和D分別為截面面積和直徑；U為水平速度；k為水與周圍土壤的傳熱系數(shù)；Ts為土壤溫度. 如式(14)所示，左邊的第一項表示水所儲存的焓變，第二項表示由于傳導而產(chǎn)生的凈熱流，第三項是流體流動伴隨的凈熱流，第四項是對周圍土壤的熱損失.

3 實施效果分析

為驗證該調(diào)度模型的有效性，選取3個火電廠、1個水電廠為調(diào)度對象，火電廠的機組參數(shù)特性如表 1 所示. 水電廠的最大發(fā)電量數(shù)據(jù)如表 2 所示.

表 1 火電廠的機組參數(shù)特性

表 2 水電廠的最大發(fā)電量數(shù)據(jù)

對某地區(qū)用電負荷進行調(diào)研，假設(shè)該地區(qū)可改造為冰蓄冷的制冷用電量占總制冷用電量的比例為10%，設(shè)中央空調(diào)平均能效比為5.0，據(jù)此得到某地區(qū)典型日可調(diào)節(jié)逐時制冷量，如圖2 所示. 該區(qū)域的全天逐時用電負荷如表 3 所示.

圖2 某地區(qū)典型日全天逐時可調(diào)節(jié)冷量曲線Fig.2 Hourly adjustable cooling load curve of the whole typical summer day

時刻1:002:003:004:005:006:007:008:00水電出力1 1361 0741 031997970951903967時刻9:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:00水電出力1 1641 2851 3841 4521 4621 4501 4421 426時刻17:0018:0019:0020:0021:0022:0023:000:00水電出力1 3651 2941 3251 4141 4221 3571 2831 197

在供冷管網(wǎng)傳輸環(huán)節(jié)，以長3.3 km、內(nèi)徑0.5 m、外徑0.529 m的管道為研究對象，管壁為鋼材質(zhì)，鋼的導熱系數(shù)100 W/(m2·K). 絕緣層采用聚氨酯的熱導率0.023 W/(m2·K)和外直徑0.655 m. 水流速度為1 m/s. 土壤溫度、初始溫度和入口水溫度分別為20 ℃, 30 ℃和7 ℃. 時間步長Δτ和空間步長Δx分別設(shè)定在1 s和5 m. 采用等效熱電比擬方法新三角變換方法求解供冷管道出口溫度隨時間的變化曲線，如圖3 所示. 由圖3 可得，管道中的冷凍水輸運延遲時間約為3 600 s，即1 h，沿途溫度升高0.04 ℃.

根據(jù)第2節(jié)提出的優(yōu)化調(diào)度模型，對以上案例進行計算. 為研究儲冰特性、管網(wǎng)特性對電力調(diào)度的影響，分別建立不增加儲冰裝置的調(diào)度、僅考慮儲冰特性的電熱調(diào)度、同時考慮儲冰與管網(wǎng)特性的電熱調(diào)度三種情景下的電力調(diào)度模型，并對調(diào)度結(jié)果進行對比分析. 電出力曲線及儲融冰規(guī)律如圖4～圖11 所示.

圖3 供冷管道出口溫度隨時間的變化曲線Fig.3 Variation of the outlet temperature with the time

圖4 含儲冰時的火電廠1電出力對比圖Fig.4 Comparisons of the electrical output for the thermal power plant 1

圖5 含儲冰時的火電廠2電出力對比圖Fig.5 Comparisons of the electrical output for the thermal power plant 2

圖4～圖6 為將儲冰納入電力調(diào)度后與不將儲冰納入電力調(diào)度時的各火電廠出力曲線對比圖，圖7 為將儲冰納入電力調(diào)度后與不將儲冰納入電力調(diào)度時的火電廠出力總和曲線對比圖，結(jié)果表明，非谷電時段的火電出力下降明顯，這是由于前一天夜間儲存的冰在次日非谷電時段融冰釋冷，用戶制冷用電負荷明顯降低.

圖6 含儲冰時的火電廠3電出力對比圖Fig.6 Comparisons of the electrical output for the thermal power plant 3

圖7 含儲冰時的火電廠出力總和Fig.7 Comparisons of the electrical output for all three thermal power plants

在水電消納量最大的調(diào)度原則下，低谷水電出力的增量為儲冰用電量，非谷電時段火電出力下調(diào)值為融冰釋冷節(jié)省的電量. 實現(xiàn)削減非谷電時段的火電，提升低谷時段水電的目的.

圖8 為將儲冰納入電力調(diào)度后的全天逐時儲冷量及融冰釋冷量調(diào)度結(jié)果.

圖8 8月典型日儲冷量/融冰釋冷量逐時變化曲線Fig.8 The hourly storage and released cooling capacity curves on the typical day in August

結(jié)果表明，儲冷僅發(fā)生在夜間低谷時段，而融冰釋冷僅發(fā)生在白天峰電及平電時段. 表明該調(diào)度模型可根據(jù)水電來源特性實現(xiàn)對冰蓄冷控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié).

圖9 和圖10 分別為同時將冰蓄冷與管網(wǎng)運行特性納入電力調(diào)度后的全天逐時儲冷量及融冰釋冷量調(diào)度結(jié)果. 結(jié)果表明，與僅考慮冰蓄冷運行特性的調(diào)度結(jié)果類似地，此時儲冷僅發(fā)生在夜間低谷時段，而融冰釋冷僅發(fā)生在白天峰電及平電時段. 二者的不同之處在于，加入管網(wǎng)延遲后，儲冰量與融冰量隨之延遲，這是由于管網(wǎng)的熱慣性導致冷量從冷源到熱用戶具有延遲作用. 本文選用的管網(wǎng)僅為3.3 km，在實際區(qū)域供冷系統(tǒng)中，管道傳輸距離更長，在調(diào)度中考慮管網(wǎng)熱量輸運特性顯得十分必要，該調(diào)度模型的提出對未來實際應用具有指導意義.

圖9 8月典型日儲冷量對比曲線Fig.9 The hourly storage cooling capacity curve on the typical day in August

圖10 8月典型日融冰釋冷量對比曲線Fig.10 The hourly released cooling capacity curve on the typical day in August

圖11 表示水電出力限額與不同調(diào)度情景下的水電出力結(jié)果，三種情景分別為不增加儲冰裝置的調(diào)度、僅考慮儲冰特性的電熱調(diào)度、同時考慮儲冰與管網(wǎng)特性的電熱調(diào)度. 可以看出，當電力調(diào)度中不考慮大型冰蓄冷裝置特性時，即現(xiàn)有調(diào)度模型下，夜間水電棄水嚴重，如圖中虛線所示. 而在調(diào)度中考慮儲冰特性后，無論是否考慮管網(wǎng)特性，夜間水電出力都呈現(xiàn)增大趨勢，由現(xiàn)在的夜間棄水改善為零棄水，實現(xiàn)低谷水電的完全消納. 在城市電力調(diào)度中考慮儲冰與管網(wǎng)特性后的水電出力曲線與水電限額曲線重合. 因此，增加大型冰蓄冷裝置并將其納入電力調(diào)度系統(tǒng)在促進夜間水電消納、提升低谷電力市場開發(fā)方面具有顯著作用.

4 結(jié) 論

為實現(xiàn)儲冰與水電的聯(lián)動，通過調(diào)度系統(tǒng)調(diào)動低谷水電進行儲冰，需將冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)中的冷源模型、管網(wǎng)模型融入電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng). 在保證電力系統(tǒng)安全運行約束、在發(fā)電廠安全運行約束、電網(wǎng)容量等約束下，實現(xiàn)水電、火電與大型冰蓄冷的協(xié)調(diào)優(yōu)化，使電力、熱力系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性最優(yōu)，而非僅僅電力、熱力系統(tǒng)的獨立優(yōu)化.

分別建立三種情景下的電力調(diào)度模型，并對調(diào)度結(jié)果進行對比分析. 三種情景分別為不增加儲冰裝置的調(diào)度、僅考慮儲冰特性的電熱調(diào)度、同時考慮儲冰與管網(wǎng)特性的電熱調(diào)度. 結(jié)果表明，增加大型冰蓄冷裝置并將其納入電力調(diào)度系統(tǒng)可實現(xiàn)夜間低谷水電零棄水，其在促進夜間水電消納、提升低谷電力市場開發(fā)方面具有顯著作用.