劉景霞 李安萍

（內蒙古科技大學 信息工程學院，內蒙古 包頭014010）

中國“三北”地區(qū)是棄風量最大的地區(qū)，同時也是我們研究攻克的難點，其中內蒙古地區(qū)具有豐富的風力資源，但是目前內蒙古地區(qū)以熱電機組為主，并且在冬季供暖期，熱電機組存在“以熱定電”的局限性，會大幅增加風電并網(wǎng)的可調性，風力發(fā)電本身具有季節(jié)性和不確定性這些因素，使得風電消納的問題存在。如果風電大發(fā)為了維護電網(wǎng)的平衡就只能采用棄風的手段。為了解決這些問題政府出了很多政策，鼓勵用新能源電力供熱取代傳統(tǒng)的供熱，并且采用蓄能技術儲蓄棄風降低棄風率。文獻[1]提出以風電、蓄熱式電鍋爐聯(lián)合構成供熱系統(tǒng)并且結合熱負荷用戶的需求建立優(yōu)化模型。文獻[2]加入蓄熱式電鍋爐進行供熱，調節(jié)電網(wǎng)降低棄風率。文獻[3]提出把蓄能裝置加入含有風電的電網(wǎng)中提升電力系統(tǒng)的調節(jié)能力和風電的消納能力。結合上述材料本文以蓄熱式電鍋爐為基礎的風電場就地消納。

本文以提高棄風利用率和降低經(jīng)濟成本為評估條件，建立以最小運行成本最大消納功率為目標函數(shù)進行優(yōu)化，并對比傳統(tǒng)模式進行仿真求解。

1 蓄熱式電鍋爐加入新能源供暖

蓄熱式電鍋爐目前分為固體蓄熱式電鍋爐和水箱蓄熱式電鍋爐，其工作的原理分別是以水能蓄熱和蓄熱磚蓄熱。相比起水箱蓄熱式電鍋爐固體蓄熱式電鍋爐具有占地面積小、蓄熱更穩(wěn)定的優(yōu)點，本文采用固體蓄熱式電鍋爐。由電能轉換為熱能儲存在蓄熱磚中，在熱負荷用戶需求時把儲存的熱能釋放，具體的系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。

2 蓄熱式電鍋爐優(yōu)化模型

本文以實現(xiàn)最低運行成本消納最大棄風量為最終目的，綜合考慮各種約束條件建立優(yōu)化模型。

2.1 建立數(shù)學模型

圖1 蓄熱式電鍋爐系統(tǒng)圖

先建立最大消納棄風的目標函數(shù)

其中T 為調度周期，定為1 天。調度時長為1h，即T=24h，t為調度時段，Pa，t為t 時段蓄熱式電鍋爐所消納的棄風功率，目標函數(shù)的定義在于實現(xiàn)

其中P預（t）是在t 時刻預計消納的棄風功率，P實（t）在t 時刻實際產生的棄風功率。

在建立最小運行成本的目標函數(shù)

minC=Qa(Ca+Cn)+QbCt

蓄熱式電鍋爐消納的棄風電量為Qa，MWh；蓄熱式電鍋爐消納的非棄風電量Qb，MWh

Ca與風電場簽訂的協(xié)定電價，0.2617￥/kWh，

Cn電網(wǎng)公司輸配電成本，0.11￥/kWh

Ct分時電價

在內蒙古某地，國家為了鼓勵新能源供暖發(fā)布的分時電價政策，其中0:00-5:00 為谷段，0.33￥/kWh；8:00-12:00、14：00-21:00 為用電高峰段，0.80￥/kWh；其他時間為平段，0.55￥/kWh。

2.2 建立約束條件

2.2.1 棄風約束

研究消納棄風，所以t 時刻所消納的棄風功率要小于所產生的棄風功率

Pa，t＜＜Pw，t

2.2.2 功率平衡約束

功率平衡包括蓄熱式電鍋爐熱功率平衡和電功率平衡

Qc，t=Qc，t-1+Hio，t·h

Peh，t=Pa，t+Pn，t

其中Qc，t表示在t 時刻蓄熱式電鍋爐所儲存的熱量；Qc，t-1表示在t-1 時刻蓄熱式電鍋爐所儲存的熱量；Qc，t-1

表示蓄熱式電鍋爐在t 時刻釋放出來的熱量；Peh，t表示蓄熱式電鍋爐在t 時刻所產生的電功率；Pa，t表示蓄熱式電鍋爐在t時刻所消納的棄風功率；Pn，t表示蓄熱式電鍋爐在t 時刻所消納的電網(wǎng)功率。

2.2.3 電鍋爐功率約束

0＜＜Pt＜＜Pmax

其中Pt為電鍋爐在t 時刻所產生的功率滿足大于0 小于最大額定功率。

2.2.4 蓄熱罐約束

Qmin＜＜Qt＜＜Qmax

其中Qt為蓄熱罐在t 時刻所儲存的熱量，滿足大于最小蓄熱量小于最大蓄熱量。

2.2.5 供熱約束

Qh，t＞＞Qh，min

其中Qh，t為蓄熱式電鍋爐在t 時刻所釋放的熱量，它滿足大于等于熱負荷在t 時刻最小需求的熱量。

2.3 基于粒子群算法的優(yōu)化算法

本文采用粒子群算法為多目標優(yōu)化的算法，它的流程圖如圖2 所示。

圖2 粒子群算法流程圖

3 仿真分析

本文以電腦模擬以一天為周期24 小時棄風量，通過與未進行優(yōu)化的傳統(tǒng)模型進行對比分析，并且通過仿真求解對仿真波形圖進行講解。

3.1 日供熱對比

圖3 優(yōu)化前后供熱對比

從圖3 中我們可以清楚的看到相比優(yōu)化前的深色線，優(yōu)化后的淺色線更加的平穩(wěn)、穩(wěn)定，這樣既保證了熱負荷用戶的供熱需求、提高了用戶的舒適度，同時也避免了熱量溢出導致的浪費。

圖4 優(yōu)化前后蓄熱罐能量的變化

3.2 蓄熱罐能量的變化

從圖4 中我們可以觀察到優(yōu)化后蓄熱罐對熱量的蓄量明顯比優(yōu)化前更加充裕，同時也意味著對能量的利用率也得到了提高。

3.3 電鍋爐加熱功率的變化

圖5 優(yōu)化前后鍋爐加熱功率對比

從圖5 中我們可以看出優(yōu)化后相比優(yōu)化前在用電的高峰期加熱功率明顯下降，這樣一方面錯開用電高峰期的高電價節(jié)約了成本，另一方面風力發(fā)電并網(wǎng)提供了更多的可調性。

圖6 優(yōu)化前后非棄風功率的對比

3.4 非棄風功率的變化

從本文中可以理解所謂非棄風功率實際上就是從電網(wǎng)直接購電的部分，因為國家政策的發(fā)行在用電高峰期越少的購電則越節(jié)約成本。從圖6 中我們可以明顯的看到優(yōu)化后相比優(yōu)化前在用電高峰期減少了購電在用電的低谷期則增加了購電這從一定程度上節(jié)約了大量的成本，進一步保障了以最小成本為目標函數(shù)的實現(xiàn)。

3.5 棄風功率的變化

圖7 優(yōu)化前后棄風功率應用對比

通過圖7 我們可以發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化后的曲線更加接近風電場在該時刻所產生的棄風資源，這樣極大程度上保證了我們第一個目標函數(shù)的實現(xiàn)。

3.6 最終數(shù)據(jù)的對比

圖8

優(yōu)化前所消納的棄風約為134MW，所需要的成本為194688 元，優(yōu)化后所消納的棄風約為145MW，所需要的成本為180154 元，滿足了多目標函數(shù)的實現(xiàn)。

4 結論

本文通過對蓄熱式電鍋爐目前的局限性以及現(xiàn)有棄風消納所存在的問題進行分析并解決，利用粒子群算法對傳統(tǒng)模型進行多目標優(yōu)化并通過仿真得出優(yōu)化結果。通過對比分析本次優(yōu)化取得了較為理想的結果，實現(xiàn)了最大消納棄風和最小成本的目標函數(shù)。