王暉 董桂林

摘要：目前我國(guó)風(fēng)電發(fā)展非常迅速，但依然存在著大量的棄風(fēng)問(wèn)題。棄風(fēng)問(wèn)題不僅造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)等帶來(lái)了不可估量的損失。結(jié)合我國(guó)當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及風(fēng)力發(fā)電實(shí)際區(qū)域情況，對(duì)電網(wǎng)棄風(fēng)原因進(jìn)行具體分析，提出了一種儲(chǔ)熱式電鍋爐消納棄風(fēng)供熱技術(shù)方案及其數(shù)學(xué)模型，這對(duì)于促進(jìn)風(fēng)電供熱就地消納、緩解冬季風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行困難具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)熱式電鍋爐;消納棄風(fēng);儲(chǔ)熱;風(fēng)電供熱

0 ? ?引言

近年來(lái)，伴隨著新能源發(fā)電技術(shù)的高速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量也在飛速增長(zhǎng)，但依然存在著大量的棄風(fēng)問(wèn)題。根據(jù)2016年國(guó)家能源局發(fā)布的風(fēng)電相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)在2016年總共棄風(fēng)電量高達(dá)497億kWh。

為推進(jìn)風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)更加快速發(fā)展，研究新能源領(lǐng)域如何更好地消納棄風(fēng)電量已經(jīng)迫在眉睫。本文提出了一種儲(chǔ)熱式電鍋爐消納棄風(fēng)供熱的技術(shù)方案及其數(shù)學(xué)模型，以期合理解決棄風(fēng)問(wèn)題。

1 ? ?儲(chǔ)熱式電鍋爐消納棄風(fēng)供熱機(jī)理

以儲(chǔ)熱式電鍋爐消納棄風(fēng)電量進(jìn)行供熱的原理是將儲(chǔ)熱式電鍋爐作為熱源代替普通燃煤鍋爐。儲(chǔ)熱式電鍋爐主要由兩部分組成，分別是電極鍋爐部分和蓄熱管部分。儲(chǔ)熱式電鍋爐是一種高效、清潔、安全的新式電加熱設(shè)備。儲(chǔ)熱式電鍋爐在電力系統(tǒng)中也可以看作用電負(fù)荷，負(fù)荷低谷期開啟儲(chǔ)熱式電鍋爐，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，一部分可以用來(lái)為居民供熱，另一部分可以進(jìn)行儲(chǔ)存，等到白天用電高峰期再進(jìn)行供熱。通過(guò)儲(chǔ)熱式電鍋爐進(jìn)行風(fēng)電消納，可以有效降低用電低谷期的棄風(fēng)電量。

儲(chǔ)熱式電鍋爐基本運(yùn)行體系如圖1所示。

儲(chǔ)熱式電鍋爐跟蹤棄風(fēng)波動(dòng)運(yùn)行模式，比固定時(shí)間和功率恒定運(yùn)行模式風(fēng)電消納能力有很大提升，但儲(chǔ)熱式電鍋爐仍依賴電擊棒調(diào)節(jié)運(yùn)行功率，電擊棒頻次、調(diào)節(jié)速度和深度都不能與隨時(shí)改變的風(fēng)電相匹配。

電鍋爐功率實(shí)時(shí)跟蹤棄風(fēng)功率，這種模式可提高系統(tǒng)消納棄風(fēng)電量能力。同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效解決儲(chǔ)熱式電鍋爐跟蹤棄風(fēng)調(diào)節(jié)頻次與響應(yīng)速度不匹配的問(wèn)題[1]。

2 ? ?儲(chǔ)熱式電鍋爐消納棄風(fēng)數(shù)學(xué)模型及求解

2.1 ? ?數(shù)學(xué)模型確定

有關(guān)風(fēng)電消納的數(shù)學(xué)模型一般有兩種，一種是消納棄風(fēng)電量最大，另一種是系統(tǒng)運(yùn)行成本最小。其中系統(tǒng)運(yùn)行成本最小是指在保證了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行以及負(fù)荷供應(yīng)的情況下，使得方案整體花費(fèi)電價(jià)總成本最小，方案中允許有一定規(guī)模的合理[2]棄風(fēng)。本文建立的數(shù)學(xué)模型為棄風(fēng)消納電量最大的數(shù)學(xué)模型，所以不對(duì)上述方案加以敘述。

2.2 ? ?消納棄風(fēng)電量最大數(shù)學(xué)模型建立

建立消納棄風(fēng)總電量最大數(shù)學(xué)模型，此模型可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電全額收購(gòu)，最大棄風(fēng)消納電量就是在此模式下可接受風(fēng)電電量。

該模式下，儲(chǔ)熱裝置在負(fù)荷低谷時(shí)期作為熱負(fù)荷吸收熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰，使風(fēng)電上網(wǎng)空間得到增加。當(dāng)儲(chǔ)熱裝置達(dá)到飽和狀態(tài)不能繼續(xù)儲(chǔ)存熱量[3]時(shí)，再將多余風(fēng)電棄掉。

根據(jù)已知風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際功率和預(yù)測(cè)功率，可求出棄風(fēng)功率，在本模型中這些功率都是已知數(shù)據(jù)。設(shè)實(shí)際某時(shí)刻消納棄風(fēng)功率為Ps·t，其中t是1～96的整數(shù)，并且設(shè)當(dāng)日24：00為次日00：00[2]。

目標(biāo)函數(shù)：

max Wa=Pa·t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：T是調(diào)度周期，周期為1天，時(shí)長(zhǎng)為15 min，所以T=96;t為調(diào)度時(shí)段;Pa是儲(chǔ)熱式電鍋爐在t時(shí)段消納棄風(fēng)功率（MW）。

3 ? ?約束條件

該數(shù)學(xué)模型約束條件很多，例如電鍋爐以及儲(chǔ)熱罐約束、其他約束等。

3.1 ? ?儲(chǔ)熱式電鍋爐供熱約束

儲(chǔ)熱式電鍋爐運(yùn)行期間，存在著出力約束問(wèn)題，包括最大出力約束和最小出力約束。設(shè)儲(chǔ)熱式電鍋爐直接供熱最小功率[2]為0，最大功率為Pmax。系統(tǒng)配備儲(chǔ)熱式電鍋爐相關(guān)參數(shù)都是已知，可知Pmax=30 MW。

儲(chǔ)熱式電鍋爐供熱約束為：

0≤P≤Pmax ? ? ?（2）

式中：P是儲(chǔ)熱式電鍋爐加熱功率（MW）;Pmax為儲(chǔ)熱式電鍋爐運(yùn)行最大功率（MW）。

3.2 ? ?儲(chǔ)熱罐相關(guān)約束

在電鍋爐運(yùn)行期，儲(chǔ)熱罐也存在儲(chǔ)熱和放熱約束問(wèn)題。設(shè)儲(chǔ)熱罐功率為Pi（t），當(dāng)Pi（t）>0時(shí)，儲(chǔ)熱罐進(jìn)行儲(chǔ)熱;當(dāng)P1（t）<0時(shí)，儲(chǔ)熱罐再放熱。設(shè)儲(chǔ)熱罐在儲(chǔ)熱時(shí)期最大功率為P1max，最小功率為P1min，根據(jù)已知參數(shù)，得P1max=30 MW和P1min=0 MW;

設(shè)儲(chǔ)熱罐在放熱時(shí)期最大功率為P0max，最小功率為P0min，根據(jù)已知參數(shù)，得P0max=30 MW和P0min=0 MW。

約束條件為：

P1min≤Pi（t）≤P1max

0≤Pi（t） ? ? ? ? （3）

Pi（t）≤0

P0min≤-Pi（t）≤P0max ? ? ?（4）

圖2為儲(chǔ)熱罐一天儲(chǔ)熱量變化情況。

除上述約束條件外，某一時(shí)刻儲(chǔ)熱罐所儲(chǔ)存熱量與此時(shí)刻儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱放熱情況以及上一時(shí)刻儲(chǔ)熱罐內(nèi)儲(chǔ)存熱量都相關(guān)。設(shè)某一時(shí)刻儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)存總熱量為H（t），有關(guān)系為：

H（t）=H（t-1）+Pi（t） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）