陳曉光, 榮 爽，關萬琳，郝文波，徐明宇

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

中國北方富風區(qū)與供暖區(qū)高度重疊，由于電熱負荷矛盾，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力在供暖季谷荷時段尤顯緊張[1-2]。然而，隨著風電大規(guī)模接入電網(wǎng)，其反調(diào)峰特性會增加電網(wǎng)對電源參與調(diào)峰能力的需求。此外，“以熱定電”的CHP(combined heat and power)機組規(guī)劃與運行政策限制了其調(diào)節(jié)能力，激化了供暖期風電場限電率居高不下的問題[3-4]。以黑龍江省為例，2016-2017年全省風電棄電率一直保持在15%以上，各年供暖期內(nèi)的棄風電量均占到當年總棄電量的90%以上。

針對風電的間歇性、波動性和反調(diào)峰特性問題，當前主流應對方法是增設儲能系統(tǒng)(Energy Storage System，ESS)，通過能量的轉化與存儲來實現(xiàn)對間歇性、波動性能源的平抑[5-7]。導致供暖季棄電率高的主要原因之一是電熱負荷之間的峰谷矛盾。高比例的熱電聯(lián)產(chǎn)機組在提高能源使用效率的同時也降低了電熱源種類的豐富性，CHP機組的電熱耦合關系也加劇了熱電負荷的強連接性。因此，可以考慮為供暖系統(tǒng)提供附加熱源，如電鍋爐、儲熱罐等，豐富熱源種類，降低CHP機組熱需求，柔化電熱負荷耦合關系，提高供暖期風電消納的能力[8-9]。

針對風電非線性、高離散等特點，諸多包含風電的儲能設備協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化算法已被提出，如啟發(fā)式算法[10-11]、拉格朗日松弛法[12-13]、現(xiàn)代智能優(yōu)化算法[14-16]和動態(tài)規(guī)劃法[17-18]等?，F(xiàn)有研究多針對單一能量存儲技術進行分析，而含有多種能量存儲特點的復合型能量存儲系統(tǒng)可對間歇性能源進行更好的消納。

研究供暖期電力谷荷時段附加熱源的多源協(xié)調(diào)配合問題，明確各類電源、熱源及儲能設備的工作方式并分析其運行成本，以保證一定棄風消納效果為前提，以綜合附加熱源系統(tǒng)運行總費用最低為優(yōu)化目標，制定供暖期電力谷荷時段多熱源協(xié)調(diào)調(diào)度策略，為科學降低黑龍江省供暖期棄風高發(fā)問題提供可行的解決方案和理論支持。

1 電源、熱源、儲能設備控制方式

1.1 CHP機組控制方式

熱電聯(lián)產(chǎn)機組同時擔當電網(wǎng)的電源和熱網(wǎng)的熱源，按照“以熱定電”政策要求，對CHP機組輸出功率進行調(diào)節(jié)時需以保證供熱穩(wěn)定為前提。因此，在電力谷荷時段，降低CHP機組的電輸出功率需要附加熱源和熱網(wǎng)的配合。CHP機組控制方式如圖1所示。

圖1 CHP機組控制方式Fig.1 Control mode of CHP unit

1.2 儲熱罐控制方式

儲熱罐在每個調(diào)度周期前，需要根據(jù)電熱負荷的預測信息設置本調(diào)度周期內(nèi)各調(diào)度時段的儲放策略。儲熱罐調(diào)度方式如圖2所示。

圖2 儲熱罐調(diào)控模式Fig.2 Control mode of heat storage tank

一般來說，儲熱成本要低于電供暖成本，因此，當出現(xiàn)棄風時，應先利用儲熱罐內(nèi)的熱能促進風電消納。當網(wǎng)上棄風需要進一步利用電鍋爐來進行消納時，可根據(jù)儲熱罐剩余熱量狀態(tài)，確定儲熱罐吸收熱能功率。

1.3 電鍋爐控制方式

電鍋爐具有調(diào)節(jié)速度快且可實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)的特點。因此，電鍋爐有較強的凈負荷跟蹤能力。當電網(wǎng)出現(xiàn)棄風時，根據(jù)棄風功率來調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)所有電鍋爐工作總負荷功率。電鍋爐的工作負荷應依據(jù)對應的儲熱罐能荷狀態(tài)及CHP機組此時的運行成本來確定，并根據(jù)儲熱罐能荷狀態(tài)和棄風消納情況來確定其所產(chǎn)生熱能的輸出去向。電鍋爐控制方式如圖3所示。

圖3 電鍋爐調(diào)控模式Fig.3 Control mode of electric boiler

2 多熱源協(xié)調(diào)調(diào)度模型

2.1 多源協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化目標及運行約束

2.1.1優(yōu)化目標

在保證風電消納量的前提下，以電熱混合系統(tǒng)運行成本最低作為協(xié)調(diào)調(diào)度的優(yōu)化目標，根據(jù)已制定的日前發(fā)電、供熱計劃，參考電網(wǎng)及熱網(wǎng)預測信息對日內(nèi)滾動發(fā)電計劃進行調(diào)整。

運行成本主要由CHP機組、電鍋爐、儲熱罐的運行費用構成。其他電源不參與供暖調(diào)節(jié)，故其運行費用不予考慮。協(xié)調(diào)調(diào)度運行成本優(yōu)化目標可由式(1)表示。

minCdis=CCHP+CEB+CHS

(1)

式中：Cdis為系統(tǒng)運行成本，萬元；CCHP為CHP機組運行成本，萬元；CEB為電鍋爐運行成本，萬元；CHS為儲熱罐運行成本，萬元。

CHP機組運行成本可由式(2)表示。

(2)

(3)

式中：ai為發(fā)電經(jīng)濟系數(shù)；bi為供熱經(jīng)濟系數(shù)；ci為運行經(jīng)濟系數(shù)；cm,i為機組電/熱出力比率。

電鍋爐運行成本主要由購電費用構成，可由式(4)表示。

(4)

2.1.2運行約束

電熱混合系統(tǒng)運行時不僅需要考慮電網(wǎng)和熱網(wǎng)的能量平衡約束，還要考慮CHP機組的爬坡速率約束、CHP機組的熱電耦合約束以及電鍋爐和儲熱罐運行時所需考慮的約束條件。

1) 能量平衡約束

電力平衡約束

(5)

熱力平衡約束

(6)

2)CHP機組運行約束

電出力約束

(7)

熱出力約束

(8)

CHP機組熱電耦合約束

在電力谷荷時段，為了壓縮上網(wǎng)電量，CHP機組一般以背壓工況運行，其電、熱出力呈線性關系。

Hn,t≤Cm,n·Pn,t+Kn

(9)

式中：Cm,n為機組n在背壓工況下熱電比；Kn為常數(shù)。

CHP機組爬坡速率約束

(10)

3) 電鍋爐及儲熱罐運行約束

電鍋爐及儲熱罐熱出力約束

(11)

電鍋爐及儲熱罐電出力約束

(12)

儲熱罐儲能約束

(13)

2.2 兩級式優(yōu)化調(diào)度模型

將多源協(xié)調(diào)調(diào)度分為系統(tǒng)級和機組級兩個層級分別進行優(yōu)化。在第一層級，以風電消納量最高為優(yōu)化目標，確定每種熱源應承擔的熱負荷量；第二層為機組及設備間優(yōu)化，分為兩個階段，第一階段根據(jù)各CHP機組的運行經(jīng)濟性優(yōu)化各CHP機組出力，第二階段依據(jù)各類附加熱源的工作特點，協(xié)調(diào)調(diào)度各類附加熱源用電及熱輸出功率，補充因熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱出力下降而產(chǎn)生的熱能缺額。兩級式協(xié)調(diào)調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 兩級式多熱源協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化模型Fig.4 Two-level optimal model of multi-heating sources coordinative dispatching

2.2.1 第一層級優(yōu)化

第一層級優(yōu)化調(diào)度在系統(tǒng)級進行，以消納最多棄風電量為優(yōu)化目標，以求得的棄風功率和各類熱源、附加熱源應參與的調(diào)度份額為輸出結果。

棄風消納由兩部分構成：通過CHP機組電出力降低提供的風電上網(wǎng)空間和電鍋爐及儲熱罐的用電負荷。

(14)

對CHP機組的熱力補充主要包含兩部分：儲熱罐的熱出力及電鍋爐轉化的熱能。

(15)

式中：ΔHCHP,j,t為CHP機組j在t時刻減少的熱出力，MW；HHS,j,t和HEB,j,t分別為電鍋爐和儲熱罐j的熱出力，MW。

2.2.2 第二層級優(yōu)化

1)CHP機組出力分配階段

利用動態(tài)規(guī)劃法以CHP機組總運行費用最低為目標，對各CHP機組的運行進行優(yōu)化。

動態(tài)規(guī)劃法是屬于運籌學的一種優(yōu)化方法，以求解決策過程最優(yōu)化為優(yōu)化目標。它將全局問題分解為若干個子問題，以此求解各子問題，各個子問題之間并不獨立，相互之間存在影響。在求解每個子問題的過程中，窮舉所有可行解，依據(jù)決策判據(jù)在所有可行解中得到最優(yōu)局部解。以此類推，對全部子問題進行尋優(yōu)，再從累積的局部解集合中尋求解決全局問題的最優(yōu)解。將各CHP機組應承擔電出力下降份額作為全局問題，以所有CHP機組總調(diào)節(jié)費用最低作為全局優(yōu)化目標。將總下降功率切分為若干個功率下降區(qū)間，將各個功率下降區(qū)間作為子問題，在求解子問題過程中，計算各臺CHP機組承擔該功率調(diào)整區(qū)間所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)費用，將其列為子問題的可行解；將子問題的決策條件設定為調(diào)節(jié)費用最低；令該子問題的最優(yōu)解為子解，由該子解對應的CHP機組承擔該功率下降區(qū)間，其他機組出力不變；最后，求得所有CHP機組在所有子功率區(qū)間的累計值作為CHP機組出力分配優(yōu)化結果。

2)儲熱罐、電鍋爐協(xié)調(diào)調(diào)度階段

根據(jù)CHP機組出力優(yōu)化結果，確定每臺CHP機組對應的電鍋爐和儲熱罐應補充的熱出力。

電鍋爐所消耗的電能主要來自電網(wǎng)，雖可享受峰谷電價及清潔供暖價格補貼，但其熱能成本一般仍高于儲熱罐。因此，對CHP機組的熱補充應先充分利用成本較低的儲熱罐儲熱。

電鍋爐可以通過降低CHP機組電出力和提供電網(wǎng)負荷兩種途徑促進風電消納，故其有更高的風電消納能力。電鍋爐的用電功率調(diào)節(jié)速度快且可實現(xiàn)無極調(diào)控，因此，除了協(xié)同消納儲熱罐無法單獨消納的棄風外，還可利用其快速調(diào)節(jié)能力來消納因CHP機組爬坡速率約束所不能消納的棄風。

3 算例分析

3.1 仿真模型及參數(shù)設計

算例模型以文獻[19]中的仿真算例為基礎，并加以適當修改。算例系統(tǒng)內(nèi)各供暖區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組編號、經(jīng)濟參數(shù)如表1所示。

表1 熱電聯(lián)產(chǎn)機組編號及其經(jīng)濟參數(shù)Table 1 Number and economic parameters of CHP unit

附加熱源配置如表2所示。為保護儲熱罐裝置的健康使用，當儲熱罐剩余熱量不足30%時，停止向外送熱，當超過90%時停止向內(nèi)儲熱。

表2 各附加熱源配置Table 2 Configuration of each auxiliary heating source

取哈爾濱第三熱電廠2018-2019年供暖季某連續(xù)3日熱負荷數(shù)據(jù)作為算例的熱負荷數(shù)據(jù)來源，如圖5所示。

圖5 日熱負荷變化曲線Fig.5 Variation curves of daily heating load

3.2 計算仿真與結果分析

算例仿真計算應用兩級式協(xié)調(diào)調(diào)度模型，對算例系統(tǒng)內(nèi)CHP機組和附加熱源的調(diào)度運行進行優(yōu)化，依據(jù)優(yōu)化結果制定出混合算例系統(tǒng)的滾動發(fā)電、供熱計劃。圖6所示為在谷荷時段系統(tǒng)級風電消納能力的優(yōu)化結果。隨著附加熱源的投入，大部分棄風電量可被消納，在相同配置條件下，電鍋爐的棄風消納能力要強于儲熱罐，這源于電鍋爐可通過電、熱兩個方面實現(xiàn)對棄風的消納。在電力谷荷時段前期，儲熱罐和電鍋爐都能積極參與棄風消納，而在03:45之后，儲熱罐內(nèi)存儲熱量多已釋放，谷荷時段后期的棄風消納則主要由系統(tǒng)內(nèi)的電鍋爐承擔。

圖6 谷荷時段系統(tǒng)級風電消納Fig.6 Wind power consumption at system level in valley load period

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，即便有了附加熱源的參與，仍有部分風電不能完全消納，其主要原因有如下幾點：

1)系統(tǒng)內(nèi)的電功率超過系統(tǒng)可消納的范圍；

2)儲熱罐儲熱量耗盡，不能向系統(tǒng)提供熱能，附加熱源整體棄風消納能力降低。

圖7所示為利用動態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化后CHP機組在電力谷荷時段的運行情況。

圖7 谷荷時段各CHP機組熱出力Fig.7 Output of heating power of each CHP unit

由圖7可知，3號熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)節(jié)費用最低。因此，首先對3號機組的熱出力進行調(diào)節(jié)，而后調(diào)節(jié)1號、2號，最后調(diào)節(jié)4、5、6號機組。當調(diào)節(jié)單臺機組不能滿足要求時，應優(yōu)先調(diào)節(jié)成本低的機組。

圖8為電力谷荷時段各儲熱罐的調(diào)度情況。

圖8 谷荷時段各儲熱罐調(diào)度情況Fig.8 Dispatching of each heat storage tank in valley load period

由于儲熱罐放熱功率直接影響CHP機組熱出力，因此對儲熱罐放熱的選擇由CHP機組調(diào)度成本決定。已知3號CHP機組調(diào)度費用最低，因此3號CHP機組對應的儲熱罐熱備最先投入工作，而后依次為1、2號機組。4號機組的調(diào)度費用最高，因此只在棄風最嚴重的情況下對其進行調(diào)度，如圖8(a)。圖8(b)為各儲熱罐的儲能變化情況。在電力谷荷時段，儲熱罐的能量剩余與其熱出力相關，熱出力越大，儲熱罐儲量下降速度越快。

圖9所示為供暖期電力谷荷時段附加熱源各電鍋爐用電情況。在01：00前，電網(wǎng)棄風功率較低，主要消納棄風的任務由附加熱源中的儲熱罐承擔，電鍋爐主要承擔對凈負荷預測誤差導致的棄風消納。而后，隨著網(wǎng)上棄風功率的提高，電鍋爐的工作狀態(tài)由主要消納凈負荷預測誤差棄風轉為消納因風電-電力負荷峰谷矛盾導致的棄風，各電鍋爐均以較高的用電水平工作。03：45后，因儲熱罐的剩余熱量水平接近設計下限，此時段對棄風的消納主要由電鍋爐完成。因電鍋爐轉化的熱能可以存儲至儲熱罐，因此，在對電鍋爐選擇時，優(yōu)先選擇余熱量狀態(tài)較低的儲熱罐所對應的電鍋爐。

圖9 電鍋爐電功率Fig.9 Electric power of electric boilers

4 結 語

提出了在高風電滲透率背景下供暖期電力谷荷時段復合能源系統(tǒng)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機組與作為附加熱源的儲熱罐和電鍋爐之間的協(xié)調(diào)調(diào)度策略，該策略以保證棄風消納效果為前提，以調(diào)度成本最低為目標，利用兩級調(diào)度優(yōu)化模型，實現(xiàn)了對多種電熱源的調(diào)度優(yōu)化。通過算例分析，證明了該方法可在有效降低棄風電量的同時，合理經(jīng)濟地調(diào)配包括熱電聯(lián)產(chǎn)機組、電鍋爐和儲熱罐在內(nèi)的多種電熱源。