李春來(lái) 朱慧敏 苑舜 施濤

摘 要：從促進(jìn)清潔能源消納的角度出發(fā)，在風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)中引入清潔供暖，進(jìn)一步增加清潔能源的消納空間。在此基礎(chǔ)上，研究考慮清潔供暖的風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理問(wèn)題，提出一種以能源消費(fèi)成本最小化為目標(biāo)的風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理策略，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了該策略的有效性。

關(guān)鍵詞：清潔供暖;多能互補(bǔ);能量管理;能量自平衡

0? ? 引言

近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電技術(shù)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用，我國(guó)清潔能源發(fā)電的裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)。截至2019年底，全國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2.1億kW，光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)2.04億kW。與此同時(shí)，由于風(fēng)電、光伏發(fā)電受風(fēng)速、光照等自然資源和環(huán)境條件的影響，其出力呈現(xiàn)間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性的特征，受電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻以及輸送能力等因素的影響，在某些地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的棄風(fēng)棄光限電問(wèn)題，引起了社會(huì)各界的廣泛重視[1]。為了促進(jìn)清潔能源的消納，一方面基于功率預(yù)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步提高風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)的精度;另一方面利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、電能、熱能等多種能源形式之間的轉(zhuǎn)化與互補(bǔ)特性構(gòu)建多能互補(bǔ)系統(tǒng)，拓展清潔能源的消納空間[2-3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種儲(chǔ)熱式供暖系統(tǒng)的簡(jiǎn)化線性調(diào)度模型，并將其應(yīng)用到風(fēng)電供暖調(diào)度決策中，進(jìn)而提高風(fēng)電的消納水平。文獻(xiàn)[5]提出了一種光熱電站電加熱裝置功率優(yōu)化配置方法，并將其應(yīng)用到多能互補(bǔ)基地的配置方案中，有效減少了棄風(fēng)棄光電量。文獻(xiàn)[6]對(duì)基于多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)的基本理論和物理特性進(jìn)行了闡述，歸納總結(jié)了當(dāng)前多能互補(bǔ)系統(tǒng)生產(chǎn)優(yōu)化面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

本文從促進(jìn)清潔能源消納的角度出發(fā)，研究考慮清潔供暖的多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理問(wèn)題，提出一種以能源消費(fèi)成本最小化為目標(biāo)的多能互補(bǔ)系統(tǒng)能量管理策略，并通過(guò)算例分析驗(yàn)證了該策略的有效性。

1? ? 清潔能源供暖原理模型

當(dāng)多能互補(bǔ)系統(tǒng)所在區(qū)域的本地負(fù)荷較小，外送通道有限，風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源發(fā)電的理論發(fā)電量超出消納空間時(shí)，將會(huì)發(fā)生棄風(fēng)棄光限電現(xiàn)象。如果結(jié)合現(xiàn)有電網(wǎng)改造，將原來(lái)由燃煤供暖改造為電蓄熱鍋爐供暖，增大系統(tǒng)的負(fù)荷，則可以增加清潔能源發(fā)電的消納空間，減少棄風(fēng)棄光。圖1為棄風(fēng)棄光電量轉(zhuǎn)化為電蓄熱鍋爐供暖示意圖。

電蓄熱鍋爐作為清潔供暖的能量載體，其電熱轉(zhuǎn)換特性如下式所示：

Ceh·Ph=Phin+Phd? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

0≤Ph≤Phmax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，Ceh為電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，此處取1;Ph為電鍋爐用電功率;Phin為蓄熱罐蓄熱功率;Phd為電鍋爐直接供熱功率;Phmax為電鍋爐最大用電功率。

電鍋爐蓄熱過(guò)程需滿(mǎn)足蓄熱罐蓄熱容量和蓄/放熱功率的限制，即：

0≤Qhs≤Qhs，max? ? ? ? ? ? ?（3）

0≤Phin≤Phin，max? ? ? ?（4）

0≤Phout≤Phout，max? ? ? ? ? ? （5）

式中，Qhs為蓄熱罐儲(chǔ)熱量;Qhs，max為蓄熱罐儲(chǔ)熱容量;Phout為蓄熱罐放熱功率;Phin，max、Phout，max分別為蓄熱罐蓄熱和放熱功率最大值。

2? ? 能量管理優(yōu)化模型

2.1? ? 目標(biāo)函數(shù)

在風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入清潔能源供暖設(shè)施，建立以多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)能源消費(fèi)成本最小化為目標(biāo)的能量管理優(yōu)化模型，目標(biāo)函數(shù)如下所示：

min f=Pex，i·λi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，f為調(diào)度周期T內(nèi)的能源消費(fèi)總成本;Pex，i為第i時(shí)刻多能互補(bǔ)系統(tǒng)供電區(qū)域與外部公共電網(wǎng)的電力交互功率（注入為正，流出為負(fù)）;λi為第i時(shí)刻外部公共電網(wǎng)的分時(shí)購(gòu)售電價(jià)。

2.2? ? 約束條件

風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)系統(tǒng)需滿(mǎn)足電/熱功率平衡、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率/容量限制等約束條件。

（1）電功率平衡約束：

PLe=PWG+PPV+Pes+Pex? ? ? ? ? ? （7）

式中，PLe為多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)的電力負(fù)荷;PWG為風(fēng)力發(fā)電功率;PPV為光伏發(fā)電功率;Pes為電池儲(chǔ)能放電功率;Pex為外部公共電網(wǎng)的注入功率。

（2）熱功率平衡約束：

PLh=Phd+Phout? ? ? ? ? ? （8）

式中，PLh為多能互補(bǔ)區(qū)域內(nèi)的熱力負(fù)荷。

（3）電池儲(chǔ)能充/放電約束：

0≤|Pes|≤Pes，max? ? ? ? ? ? ?（9）

0≤|Ees|≤Ees，max? ? ? ?（10）

式中，Pes為電池充/放電功率;Pes，max為電池儲(chǔ)能設(shè)施充/放電功率上限;Ees為電池能量存儲(chǔ)狀態(tài);Ees，max為電池能量存儲(chǔ)空間上限。

（4）蓄熱設(shè)施蓄/放熱約束：

電鍋爐蓄熱設(shè)施蓄/放熱需滿(mǎn)足式（1）～（5）所規(guī)定的約束條件。

（5）聯(lián)絡(luò)線交互功率約束：

0≤|Pex|≤Pex，max? ? ? ? ?（11）

式中，Pex，max為聯(lián)絡(luò)線交互功率上限。

3? ? 算例分析

本文以某多能互補(bǔ)基地為例進(jìn)行分析。該基地內(nèi)包含光伏發(fā)電20 MW，風(fēng)力發(fā)電20 MW;儲(chǔ)能電池2 MW/2 MWh;電蓄熱式鍋爐10 MW，其蓄熱能力為2 MW/4 MW。某典型日00：00—24：00點(diǎn)電力負(fù)荷、熱力負(fù)荷以及光伏、風(fēng)電的功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，其中，電力負(fù)荷不含電鍋爐的用電負(fù)荷。儲(chǔ)能系統(tǒng)初始能量狀態(tài)取20%額定容量。

外部公共電網(wǎng)的購(gòu)售電價(jià)采取分時(shí)電價(jià)，充分發(fā)揮價(jià)格的杠桿作用，調(diào)動(dòng)用戶(hù)自覺(jué)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，參與削峰填谷、均衡用能等需求側(cè)響應(yīng)的積極性，如表2所示。

基于上述功率預(yù)測(cè)信息，利用能量管理優(yōu)化模型求解可得多能互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度方案。其中，光伏發(fā)電量131.18 MWh，全額消納;風(fēng)力發(fā)電量274.30 MWh，全額消納;外部公共電網(wǎng)供電量316.88 MWh。電鍋爐和蓄熱罐蓄/放熱計(jì)劃如圖2所示，總供熱負(fù)荷為144.43 MWh。通過(guò)電池儲(chǔ)能充放電和蓄熱罐蓄/放熱的靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)整個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)成本最小化，即19.2萬(wàn)元。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

清潔供暖是當(dāng)前拓展清潔能源發(fā)電空間，提高清潔能源消納水平的重要舉措。本文在風(fēng)光儲(chǔ)多能互補(bǔ)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入電蓄熱鍋爐系統(tǒng)，基于熱電負(fù)荷耦合特性，通過(guò)多能互補(bǔ)和協(xié)調(diào)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)能源生產(chǎn)和消費(fèi)成本最小化目標(biāo)。與此同時(shí)，多能互補(bǔ)系統(tǒng)的配置方案并不局限于清潔供暖、儲(chǔ)電蓄熱等形式，下一步將重點(diǎn)研究風(fēng)電制氫、冷熱電聯(lián)產(chǎn)等多能耦合條件下的能量管理策略問(wèn)題，為清潔能源的規(guī)?；_(kāi)發(fā)和高效利用提供技術(shù)支撐。

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收稿日期：2020-03-11

作者簡(jiǎn)介：李春來(lái)（1980—），男，遼寧朝陽(yáng)人，高級(jí)工程師，從事風(fēng)電、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。