(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011;2.新疆大學，新疆 烏魯木齊 834200； 3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

風電由于其可再生和無污染的特點，在減少大氣污染和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中起著重要的作用[]。但是由于近幾年新能源機組和負荷嚴重的不匹配增長[2]，是導致新疆地區(qū)“棄風”的主要原因。目前提高新能源消納的方法有柔性負荷主動參與調(diào)峰[3-4]、火電機組改造[5]、抽水蓄能電站建設[6]、特高壓外送通道建設[7]以及電能替代[8]等措施。

負荷主動參與到電力系統(tǒng)的調(diào)度中，可以減少電網(wǎng)或者電源的建設費用。文獻[9]提出了基于等舒適度損失原則的空調(diào)調(diào)溫策略。文獻[10]根據(jù)人體舒適度，建立不同的空調(diào)負荷控制模式。文獻[11]通過單條饋線上風速和電采暖負荷的分布，計算電采暖和風速分布的相關性。文獻[12]根據(jù)溫度預報的電采暖控制，挖掘了電采暖在電力系統(tǒng)的巨大潛力。文獻[13]通過對比不同供熱方式，驗證了新能源電采暖方式的環(huán)境和價格優(yōu)勢。文獻[14]提出了間歇供暖的方式，但是在嚴寒地區(qū)可能造成壁面結露，在新疆地區(qū)并不適應。文獻[15]分析了新疆某地區(qū)不同電采暖負荷的優(yōu)缺點。

但是上述文獻均是將某條線路上電源與負荷或者局部電源與負荷結合分析，沒有專門針對棄風或者棄光進行分析；而在電力市場研究中，采用構造極端數(shù)據(jù)而沒有具體結合到實際算例[16]進行研究。

下面將“棄風”電量和采暖負荷相結合，進行聯(lián)合調(diào)度，通過補償平衡各方利益，促進新能源的消納；提出了一種基于采暖負荷跟隨風電出力變化從而實現(xiàn)系統(tǒng)成本最低的調(diào)度方法。通過新疆某地區(qū)的實際算例，驗證了所提聯(lián)合調(diào)度方法在技術上的有效性，并在實際的補償方法中具有較高的效率指數(shù)，對實際電采暖負荷的推廣有指導意義。

1 采暖負荷模型、聯(lián)合調(diào)度方法及補償方法

1.1 采暖負荷建模

采暖負荷的建模僅考慮了熱的暫態(tài)過程實現(xiàn)熱的暫態(tài)平衡，沒有考慮熱的動態(tài)過程。首先根據(jù)等效房間計算出不同內(nèi)、外溫條件下所需的單位面積供熱功率，然后計算出當?shù)丶泄峥偯娣e下的供熱功率。

在構建等效的房間內(nèi)熱力學模型時，考慮了每天的散熱指標以及房間內(nèi)空氣參數(shù)、不同墻體之間導熱的差異性，構建了房間內(nèi)溫度和其他相關參數(shù)的狀態(tài)方程[16]。等效單位房間面積上單位時間內(nèi)等效用戶的采暖計算公式為

(1)

式中：Q為單位房間內(nèi)單位時間的傳輸熱量；A、S分別為用戶房間的總面積、外表面積;ξ為房間散熱指標;Tin(t)為室內(nèi)溫度;Tout(t)為室外溫度。

推導出簡化的熱力學參數(shù)方程[12]，描述電采暖的動態(tài)過程為

(2)

1.2 聯(lián)合調(diào)度方法

首先計算出該地區(qū)房間內(nèi)恒溫度所需的采暖負荷量；然后根據(jù)棄風量，在約束條件下采用不同的溫度調(diào)度方法；最后根據(jù)各方的電量信息，平衡各方收益來確定補償方法。聯(lián)合調(diào)度模型如圖1所示。

圖1 聯(lián)合調(diào)度模型

1.3 補償方法效率評價指數(shù)

風電企業(yè)將采暖用戶多付出的電費用補償后，在剩余的利潤中，通過不同的方案補償燃氣供熱機組并計算出其效率化指標。

當供熱全部由風力發(fā)電提供的情況下，效率是最高的，將其效益指標均一化為1，然后計算出其他模式下的效率化指數(shù)。

第1種方法是風電企業(yè)完全補償燃氣供熱機組的利潤；第2種方法是對燃氣供熱機組售價進行補償；第3種方法是燃氣供熱機組供熱按照電費售價進行補償。3種補償方式分別由S1、S2、S3表示。

1)計算出雙方不同溫度控制目標下不同補償模式收益的平均值

(3)

2)計算出不同溫度控制目標下不同補償模式的標準差δi。

(4)

3)計算出公平性指標f

f=δi/δe

(5)

式中：δe是風電完全供熱的收益；δi為3種補償模式下的標準差。

2 電采暖負荷跟隨風電出力的調(diào)度方法

2.1 目標函數(shù)

聯(lián)合調(diào)度目標是在不增加采暖用戶費用的基礎上，減少更多的棄風，同時平衡供熱機組與風電企業(yè)的利潤。

系統(tǒng)成本最小的調(diào)度目標函數(shù)為

(6)

供熱機組的供熱成本為

(7)

式中：CH為供熱負荷的成本；d、e、f為供熱機組的運行參數(shù)。

原調(diào)度方法的供熱機組的收益Rw1為

(8)

第2種補償方法中供熱機組參與聯(lián)合調(diào)度的收益Rw2為

(9)

第3種補償方法中供熱機組的收益Rw3為

(10)

式中，re為電采暖價格。

由于是棄風電量參與聯(lián)合調(diào)度，因此可以認為風電企業(yè)該部分的成本為0。

風電企業(yè)的收益為

(11)

式中：Rw為風電企業(yè)收益；rd為電網(wǎng)企業(yè)支付給風電企業(yè)的費用；rt為國家對風電企業(yè)的補貼費用。

電采暖負荷實施需求響應的補貼成本為

(12)

2.2 約束條件

1)熱功率平衡約束

(13)

2)供熱機組約束

出力約束：

(14)

爬坡約束：

ht/ht-1≤RAMPup

(15)

ht/ht-1≤RAMPdown

(16)

式中，RAMPup、RAMPdown分別為供熱機組功率最大上行和下行爬坡速率。

電采暖的響應時間非常短，沒有爬坡約束條件；電采暖的功率約束條件為

(17)

人體對溫度舒適度的約束如圖2所示。

圖2 人體溫度與舒適度隸屬度關系

3 算例仿真

3.1 地區(qū)情況分析

新疆某地區(qū)風電裝機容量1791 MW，由于其常規(guī)負荷較小，棄風率可達20%。其中算例當天風力實際發(fā)電為16 537.5 MWh，理論風力發(fā)電量為19 849.7 MWh，棄風電量為3 312.2 MWh；該地區(qū)集中供暖面積為6.65×106m2，其中供熱機組1臺，技術參數(shù)如表1所示[3]。供熱的價格為350元/MWh，供電的價格為400 元/MWh。

表1 供熱機組參數(shù)

圖3 溫度曲線

該地區(qū)2017—2018年采暖季節(jié)的最低溫度為13 ℃，選取該地區(qū)1月29日作為算例研究，該日的溫度變化曲線如圖3所示。該地區(qū)風力的實際發(fā)電量、理論發(fā)電量和棄風電量如圖4所示。

圖4 風力發(fā)電曲線

等效建筑物的建筑面積為120 m2，參數(shù)如表2所示。

表2 等效房間參數(shù)

按照式(2)計算出該地區(qū)隨氣溫變化下室內(nèi)溫度分別為20～24 ℃所需要的采暖負荷的功率如圖5所示。

圖5 采暖負荷的功率

3.2 調(diào)度與補償方法研究

采用系統(tǒng)成本最小的調(diào)度方法，棄風沒有任何價值，如果將棄風轉化為電采暖，系統(tǒng)的成本則會最小。聯(lián)合調(diào)度是線性混合規(guī)劃問題，采用lingo12進行計算，供熱機組功率如圖6所示。

電采暖負荷和棄風情況分別如圖7和圖8所示；不同溫度控制目標下的各補償情況如表3所示。

因為風電產(chǎn)生的效益更高，此時取風電全供暖情況，然后計算出3種補償方法的公平系數(shù)，不同補償方法的對比結果如表4所示。

圖6 供熱機組功率

圖7 電采暖負荷功率

圖8 棄風情況

由表4可知，第3種補償方法的公平性指標較其他補償模式均有較大的提高，在減少棄風的聯(lián)合計劃中，對減少棄風有較大的幫助。

4 結 語

采用棄風-熱采暖負荷聯(lián)合調(diào)度的方式可以大幅提高風電的消納率，減少棄風；同時可以減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，促進可持續(xù)發(fā)展。

在新的聯(lián)合調(diào)度補償方法中，將供熱機組供熱按照全電量補償方法，可以較大地提高交易中的效率指標，平衡各方利潤，促進棄風電量的消納。

在所提的聯(lián)合調(diào)度模型中，仍然有棄風的現(xiàn)象，需要配置儲能或儲熱裝置，或者增加其他的負荷參與調(diào)度，進而實現(xiàn)風電的零棄風。

表3 不同溫度控制目標下的各補償方法情況 單位：萬元

表4 不同補償方法效率指數(shù)對比