代怡重，王曉晶，葛寬寬，肖 群，梁郭江，張紫薇

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國網(wǎng)石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000)

近年來，風(fēng)能憑借其清潔、成本低、取用不盡等特點，使得風(fēng)力發(fā)電日益受到重視。在我國“三北”地區(qū)有著大量的風(fēng)電資源，然而，在冬季供暖期為滿足供熱需求，熱電機組需要“以熱定電”的方式運行，導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)峰能力下降從而造成大量的棄風(fēng)[1-3]；同時，風(fēng)電的反調(diào)峰特性也是風(fēng)電難以消納的重要原因[4-6]。根據(jù)國家能源局發(fā)布的2017年風(fēng)電數(shù)據(jù)顯示我國年平均棄風(fēng)率達到了12%，其中甘肅、新疆、吉林、內(nèi)蒙古分別棄風(fēng)33%、29%、21%、15%[7]?！叭薄钡貐^(qū)的嚴重棄風(fēng)已經(jīng)影響到了我國風(fēng)電的發(fā)展速度。

國內(nèi)外學(xué)者當(dāng)前主要從熱電解耦、調(diào)節(jié)風(fēng)電出力特性、用戶需求響應(yīng)等方面研究風(fēng)電消納問題。文獻[8]通過儲能裝置的時移特性調(diào)節(jié)風(fēng)電出力特性，增加夜間的風(fēng)電消納水平，同時利用儲能系統(tǒng)建立跨區(qū)域風(fēng)電消納模型，提升風(fēng)電跨區(qū)域消納水平。文獻[9]為解耦電熱耦合關(guān)系，提出一種電熱聯(lián)合儲能方法，利用儲能裝置的時移特性和電、熱系統(tǒng)耦合關(guān)系，促進風(fēng)電消納。并引入棄風(fēng)懲罰，建立以系統(tǒng)運行成本最小為目標的綜合調(diào)度模型。文獻[10]建立了多目標電熱綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟調(diào)度模型，考慮需求側(cè)響應(yīng)，通過分時電價優(yōu)化負荷需求曲線，有效削減負荷峰谷差，增大風(fēng)電上網(wǎng)空間。文獻[11]引入用戶舒適度，把熱負荷需求轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺儏^(qū)間，作為系統(tǒng)運行約束，在滿足用戶舒適度的同時調(diào)整熱電聯(lián)產(chǎn)機組出力，促進風(fēng)電消納。

綜上可知，熱電聯(lián)合儲能系統(tǒng)、考慮用戶需求響應(yīng)優(yōu)化電負荷需求曲線、考慮用戶熱舒適度優(yōu)化熱負荷需求曲線的方法均能有效提高風(fēng)電消納。本文在以上方法的基礎(chǔ)上，首先建立了綜合考慮用戶用電舒適度和用電經(jīng)濟度的用電滿意度模型，然后根據(jù)用戶的熱舒適度指標建立了熱用戶的熱滿意度模型，最后以用戶的滿意度最大化和系統(tǒng)運行成本最小為目標函數(shù)，建立考慮用戶滿意度的熱電儲系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型。通過算例驗證了該模型能夠進一步提高系統(tǒng)的風(fēng)電接納空間，促進風(fēng)電消納，降低系統(tǒng)的煤耗成本，同時提高用戶用電的經(jīng)濟性。

1 熱電儲系統(tǒng)構(gòu)成及風(fēng)電消納機理

熱電儲系統(tǒng)由熱電廠、火電廠、風(fēng)電場、儲電裝置、電鍋爐、儲熱裝置以及電熱傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，熱電儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱電儲系統(tǒng)通過儲電裝置的時移特性改變風(fēng)電出力，把負荷低谷期的棄風(fēng)電量儲存起來，在負荷高峰期供給用戶，從而促進風(fēng)電消納；通過儲熱裝置和電鍋爐改變熱負荷等效需求，在風(fēng)電出力高峰、熱負荷需求低谷期，電鍋爐消納棄風(fēng)把電功率轉(zhuǎn)換成熱功率供給用戶，在配合熱電聯(lián)產(chǎn)機組滿足供熱的情況下，把剩余熱量用儲熱裝置儲存起來，在風(fēng)電低谷期供給用戶，降低熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱出力，解耦機組的電熱耦合關(guān)系，從而提高風(fēng)電的接納空間。

圖1 熱電儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 用戶滿意度建模

2.1 用電滿意度

電用戶為降低用電的費用響應(yīng)分時電價，從而改變用電習(xí)慣，降低用電的舒適度，因此定義用戶的用電滿意度為

θ1=δε1+(1-δ)ε2

(1)

式中，θ1為用戶用電滿意度；δ為用戶用電經(jīng)濟度權(quán)重；ε1為用戶用電經(jīng)濟度；ε2為用戶用電舒適度。

2.1.1 用電經(jīng)濟度

用戶響應(yīng)分時電價，改變用電習(xí)慣，使得用電費用發(fā)生改變。定義用戶需求響應(yīng)前后，用戶用電費用的改變比為用戶的用電經(jīng)濟度。

(2)

其中，用戶響應(yīng)分時電價后的電負荷需求PL，t與分時電價的關(guān)系為

(3)

2.1.2 用電舒適度

電用戶在未響應(yīng)分時電價前，可以隨意根據(jù)自己的需求使用電，此時用戶的用電舒適度最高，響應(yīng)分時電價之后，用戶改變用電習(xí)慣，把如洗衣機、電動車、電熱水器等柔性負荷轉(zhuǎn)移到谷時電價時段，從而降低用電舒適度。定義用戶用電舒適度為

(4)

2.2 用熱滿意度

通過調(diào)節(jié)用戶的熱滿意度，改變熱負荷的需求，從而降低系統(tǒng)的供熱成本。系統(tǒng)對用戶的熱滿意度的調(diào)節(jié)，首先要保證用戶的熱舒適度。因此要把用戶的熱舒適度作為約束條件。

熱舒適度指標PMV是衡量環(huán)境溫度、相對濕度、空氣流速、穿衣情況等因素對人體熱感覺影響程度的指標。文獻[13]對熱舒適度模型進行簡化，僅將室內(nèi)溫度和相對濕度作為輸入?yún)?shù)

IPMV，t=0.5Tin，t-5.38ρt-8.772

(5)

式中，IPMV，t為t時刻人體熱舒適度指標值；Tin，t為t時刻室內(nèi)溫度；ρt為t時刻室內(nèi)空氣相對濕度，取60%。

根據(jù)式(5)得出人體舒適度指標值對應(yīng)的溫度如表1所示。

表1 PMV與體感、溫度對應(yīng)關(guān)系

為保證用戶的熱舒適度，我國規(guī)定IPMV取值在-0.9～0.9之間[14]。因此室溫在22.2 ℃～25.8 ℃之間人體熱舒適度較佳。根據(jù)人體熱舒適度對應(yīng)的溫度區(qū)間，求解用戶t時刻的熱滿意度

(6)

式中，ε3，t為用戶t時刻的熱滿意度；Tin，min為保證用戶熱舒適度的最低室內(nèi)溫度，取22.2 ℃；Tin，fit為最適室內(nèi)溫度，取24 ℃；Tin，max為保證用戶熱舒適度的最高室內(nèi)溫度，取25.8 ℃。

對系統(tǒng)調(diào)度周期內(nèi)熱用戶總的滿意度進行歸一化，得出綜合熱滿意度為

(7)

式中，ε3min，t為t時刻用戶最小熱滿意度，取0；ε3max，t為t時刻用戶最大熱滿意度，取1。

室內(nèi)溫度和熱負荷需求關(guān)系為[15]

(8)

式中，HH，t為t時刻的熱負荷需求；S為供熱面積；μ為單位熱量損失，取1.037×104J/(m2℃)；C為單位供熱面積下的熱容，取1.63×105J/(m2℃)；Tout，t為t時刻的室外溫度。

3 考慮用戶滿意度的熱電儲系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 目標函數(shù)

考慮用戶滿意度的熱電儲系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度模型以用戶的電、熱滿意度最大和熱電儲系統(tǒng)的運行成本最小構(gòu)建目標函數(shù)

maxf1=θ1=δε1+(1-δ)ε2

(9)

(10)

式中，f1為用戶用電滿意度；f2為用戶熱滿意度；熱電儲系統(tǒng)的運行成本包括火電機組發(fā)電成本、熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電成本、儲電裝置運維成本、電鍋爐運維成本、儲熱裝置運維成本以及棄風(fēng)懲罰成本。

(11)

(12)

綜上，系統(tǒng)的目標函數(shù)為

maxF=ω1f1+ω2f2+ω3f3

(13)

式中，ω1、ω2、ω3為權(quán)重，且ω1+ω2+ω3=1。

3.2 系統(tǒng)運行成本

本文研究系統(tǒng)的日前優(yōu)化調(diào)度，而機組的啟停時間比較長，因此不考慮機組的啟停成本?；痣姍C組的發(fā)電成本僅考慮火電機組的煤耗成本，發(fā)電成本公式為

(14)

式中，N為火電機組臺數(shù)；αi、βi、χi為第i臺火電機組的煤耗系數(shù)；Ph，i，t為第i臺火電機組t時刻出力。

抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)機組純凝工況下的電功率為

Pe，j，t=Pchp，j，t+cvHchp，j，t

(15)

式中，Pchp，j，t為第j臺熱電聯(lián)產(chǎn)機組t時刻的發(fā)電功率；Hchp，j，t為第j臺熱電聯(lián)產(chǎn)機組t時刻的產(chǎn)熱功率；cv為固定進氣量下每多發(fā)單位供熱量時電出力的減小值，取0.15。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的發(fā)電成本為

(16)

式中，M為熱電聯(lián)產(chǎn)機組的臺數(shù)；aj、bj、cj為第j臺熱電機組的煤耗系數(shù)。

儲電裝置運維成本為

Ccd=keQdcf

(17)

式中，ke為單位能量的運維成本；Qdcf為運行周期內(nèi)儲電裝置放電量。

電鍋爐運行成本為

(18)

式中，kdgl為電鍋爐單位用電量的維護成本；Pdgl，t為電鍋爐t時刻的用電功率。

儲熱裝置運行成本為

Ccr=kcrQcr

(19)

式中，kcr為儲熱裝置單位維護成本；Qcr為儲熱裝置運行周期的儲熱量。

為促進風(fēng)電的消納，引入棄風(fēng)懲罰機制，未消納的風(fēng)電要被懲罰。棄風(fēng)懲罰成本為

(20)

3.3 系統(tǒng)運行約束

3.3.1 火電機組運行約束

純凝工況下的機組出力約束為

Ph，i，min≤Ph，i，t≤Ph，i，max

(21)

式中，Ph，i，max、Ph，i，min分別為火電機組i的最大、最小發(fā)電功率。

機組爬坡約束

-ΔPh，i，down≤Ph，i，t-Ph，i，t-1≤ΔPh，i，up

(22)

式中，ΔPh，i，down為火電機組i向下爬坡的最大爬坡率；ΔPh，i，up為火電機組i向上爬坡的最大爬坡率。

機組旋轉(zhuǎn)備用約束

(23)

式中，Uu、Ud分別為常規(guī)火電機組的正、負旋轉(zhuǎn)備用；λu、λd為火電機組的正、負備用系數(shù)；σu、σd分別為風(fēng)電并網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用系數(shù)。

3.3.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機組運行約束

抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)機組電出力約束

(24)

式中，κj為熱電機組i電功率與熱功率的彈性比值，取0.75；cv為熱電比，即機組蒸汽輸入量恒定時，每多發(fā)單位供熱量時電出力的減小值，取0.15。

機組熱出力約束

Hchp，j，min≤Hchp，j，t≤Hchp，j，max

(25)

式中，Hchp，j，min為熱電聯(lián)產(chǎn)機組最小熱出力；Hchp，j，max為熱電聯(lián)產(chǎn)機組最大熱出力。

機組爬坡約束

-ΔHchp，j，down≤Hchp，j，t-Hchp，j，t-1≤ΔHchp，j，up

(26)

式中，ΔHchp，j，down為熱電聯(lián)產(chǎn)機組j的熱功率向下爬坡的最大爬坡率；ΔHchp，j，up為熱電聯(lián)產(chǎn)機組j的熱功率向上爬坡的最大爬坡率。

-ΔPchp，j，down≤Pchp，j，t-Pchp，j，t-1≤ΔPchp，j，up

(27)

式中，ΔPchp，j，down為熱電聯(lián)產(chǎn)機組j的電功率向下爬坡的最大爬坡率；ΔPchp，j，up為熱電聯(lián)產(chǎn)機組j的電功率向上爬坡的最大爬坡率。

3.3.3 風(fēng)電出力約束

風(fēng)電出力約束為

(28)

3.3.4 電鍋爐運行約束

電鍋爐運行約束為

(29)

式中，Pdgl，t為電鍋爐t時刻的功率，為促進風(fēng)電消納，電鍋爐只使用風(fēng)電和儲電裝置儲存的風(fēng)電，因此，Pdgl，t要小于Pw，t-Pdc，t；Pdgl，max為電鍋爐最大功率；Pdc，t>0儲電裝置處于充電狀態(tài)，Pdc，t=0儲電裝置不工作，Pdc，t<0儲電裝置處于放電狀態(tài)；Hdgl，t為電鍋爐t時刻的產(chǎn)熱功率；ψ1為電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，取98%。

3.3.5 儲電裝置運行約束

儲電裝置運行約束為

(30)

式中，Pfd，max為儲電裝置最大放電速率；Pcd，max為儲電裝置最大充電速率；E0為初始容量；Et為儲電裝置t時刻的儲電量，同一個調(diào)度周期內(nèi)充電量要等于放電量，因此初始容量E0要等于T時刻的容量Et；Et-1為儲電裝置t-1時刻的儲電量；V1為儲電裝置充、放電效率，本文取92%。

3.3.6 儲熱裝置運行約束

儲熱裝置運行約束為

(31)

式中，Hfr，max為儲熱裝置最大放熱速率;Hxr，max為儲熱裝置最大儲熱速率;Hcr，t>0，儲熱裝置處于儲熱狀態(tài)，Hcr，t=0儲熱裝置不工作，Hcr，t<0儲熱裝置處于放熱狀態(tài)；S0為初始容量；St為儲熱裝置t時刻的蓄熱量，同一個調(diào)度周期內(nèi)儲熱裝置的儲熱量要等于放熱量，因此S0要等于St；St-1為儲熱裝置t-1時刻的蓄熱量；V2為儲熱裝置的儲、放熱效率，取92%。

3.3.7 功率平衡約束

電功率平衡公式為

(32)

熱功率平衡公式為

(33)

4 算例驗證

4.1 算例參數(shù)設(shè)置

以北方某地區(qū)的運行數(shù)據(jù)為例，冬季典型室外溫度曲線如圖2所示，風(fēng)電預(yù)測出力曲線如圖3所示。系統(tǒng)含有常規(guī)火電機組4臺(機組具體參數(shù)見表2)；熱電聯(lián)產(chǎn)機組1臺，其最大發(fā)電功率300 MW，最小發(fā)電功率90 MW，最大熱功率400 MW，最小熱功率100 MW，向上爬坡率150 MW·h，向下爬坡率150 MW·h，煤耗系數(shù)aj、bj、cj分別為0.008 13、27.79、515.5；電鍋爐最大功率為300 MW；儲熱裝置容量300 MW，初始容量50 MW，儲放熱功率50 MW·h；儲電裝置容量為300 MW，初始容量50 MW，儲放電功率50 MW·h；棄風(fēng)懲罰為490 元/(MW·h)；系統(tǒng)調(diào)度周期為24 h(22∶00～次日22∶00)；峰谷平電價如表3所示，采用分時電價前的電價為450元/(MW·h)。

表2 常規(guī)火電機組參數(shù)

表3 分時電價

圖2 冬季典型室外溫度曲線

圖3 風(fēng)電預(yù)測曲線

4.2 算例對比分析

為驗證考慮用戶滿意度的電熱儲系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度的合理性、有效性，設(shè)置以下3種運行情景：①用戶不響應(yīng)分時電價，不對用戶熱滿意度進行調(diào)節(jié)(即價格彈性系數(shù)為0，室內(nèi)溫度恒溫24 ℃)；②不考慮用戶滿意度，僅以系統(tǒng)運行成本最低為目標函數(shù)；③用戶響應(yīng)分時電價，以用戶電熱滿意度和系統(tǒng)運行成本為優(yōu)化目標。

3種情景的電負荷需求曲線如圖4所示。情景①用戶不響應(yīng)分時電價，此時的電負荷需求曲線為原始負荷需求，電負荷峰谷差較大，22∶00～07∶00電負荷需求較低，而此時段是風(fēng)電高發(fā)時期，系統(tǒng)風(fēng)電接納空間很小，造成大量棄風(fēng)。情景②用戶響應(yīng)分時電價，且不考慮用戶的用電滿意度，此時用戶最大響應(yīng)分時電價，調(diào)整用電的時間段，把負荷高峰期的部分用電轉(zhuǎn)移到負荷低谷期的夜間使用，減少負荷峰谷差，為風(fēng)電高發(fā)期提供更多的風(fēng)電接納空間。情景③用戶響應(yīng)分時電價，且調(diào)度時考慮用戶的用電滿意度，在兼顧用戶滿意度時提高風(fēng)電接納空間。

圖4 3種情景的電負荷需求曲線

3種情景的熱負荷需求曲線如圖5所示。情景①的熱負荷需求為原始熱負荷需求，此時用戶的熱滿意度最高為1。情景②、③在保證用戶舒適度較佳的溫度范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)用戶室內(nèi)溫度，從而改變熱負荷需求。在夜間風(fēng)電高發(fā)時期讓室內(nèi)溫度略高于24 ℃，使夜間熱負荷需求增多，從而增大風(fēng)電的消納空間，白天讓室內(nèi)溫度略低于24 ℃，減少風(fēng)電低谷期的熱負荷需求，從而降低儲熱裝置的運行成本。情景②不考慮用戶熱滿意度，此時用戶的熱滿意度最低，犧牲用戶的熱滿意度獲得更多的風(fēng)電消納空間。3種情景的風(fēng)電出力曲線如圖6所示，情景①棄風(fēng)最多；情景②不考慮用戶滿意度風(fēng)電消納最多；情景③兼顧用戶滿意度較情景①也提高了風(fēng)電消納量。

圖5 3種情景的熱負荷需求曲線

圖6 3種情景的風(fēng)電出力曲線

3種情景的系統(tǒng)運行結(jié)果如表5所示，情景②的煤耗成本、系統(tǒng)運行總成本、用戶用電成本和棄風(fēng)率均是最高的；情景②的機組煤耗成本、系統(tǒng)運行成本、用戶用電成本和棄風(fēng)率均是最低的，但是用戶的熱滿意度最低；情景③用戶的電、熱滿意度均較佳，比情景①發(fā)電側(cè)節(jié)約發(fā)電成本220 390元，為用戶側(cè)減少用電成本238 630元。

表5 3種情景仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

針對“三北”地區(qū)大規(guī)模棄風(fēng)問題，本文提出一種考慮用戶滿意度的熱電儲系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度方法。用戶滿意度包含用戶用電滿意度和用熱滿意度，其中用電滿意度又包含了用電舒適度和用電經(jīng)濟度，用戶通過響應(yīng)分時電價，犧牲部分用電舒適度，減少用電成本提高了用電經(jīng)濟度，同時降低了用電負荷的峰谷差，增大了風(fēng)電上網(wǎng)空間；用熱滿意度根據(jù)熱舒適度指標，在保證用戶熱舒適的前提下，把室內(nèi)溫度的舒適區(qū)間轉(zhuǎn)換成用戶滿意度區(qū)間，通過適當(dāng)?shù)奶岣呋蛘呓档褪覂?nèi)溫度，從而提高風(fēng)電的接納空間，同時可以降低系統(tǒng)的煤耗成本。算例仿真結(jié)果表明：考慮用戶滿意度時熱電儲系統(tǒng)的棄風(fēng)率和運行成本明顯降低，此時用戶的滿意度也處于較高的水平，并為電力系統(tǒng)日前調(diào)度提供數(shù)據(jù)參考。