(大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，大連 116024)

0 引 言

我國北方地區(qū)供熱期熱電聯(lián)產(chǎn)機組(CHP)“以熱定電”的運行方式使得機組調(diào)峰能力受限，嚴重限制了電力系統(tǒng)的靈活性[1]，與可再生能源隨機性、波動性強的特點相矛盾，無法滿足新能源發(fā)電高比例并網(wǎng)的要求。因此需要深入研究熱能和電能的協(xié)調(diào)方法，以實現(xiàn)熱能和電能的協(xié)調(diào)調(diào)度。熱能相比于電能，熱能的易存儲、難傳輸與電能的易傳輸、難存儲存在著天然的互補特性[2]，然而電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)往往作為兩個獨立的系統(tǒng)分開運行，難以統(tǒng)一規(guī)劃調(diào)度，嚴重阻礙了熱能與電能的協(xié)調(diào)互補[3]。因此對熱能和電能進行聯(lián)合分析和優(yōu)化，對于實現(xiàn)熱能和電能的協(xié)調(diào)互補，提高能源利用效率和可再生能源的消納能力具有十分重要的意義。

熱電聯(lián)合調(diào)度方案主要可分為以下三個方面：(1)對于抽汽式CHP機組，通過改變抽汽量的方式改變CHP機組的熱電比，可在一定程度上提高CHP機組的靈活性[4]；(2)以系統(tǒng)的運行成本最小或可再生能源的消納比例最高為目標，在設(shè)備容量和供需平衡的約束下，對包含可再生能源的熱電聯(lián)合系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)度[5-6]；(3)在熱電聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)增加電鍋爐或者儲熱裝置，增強電能和熱能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以提高系統(tǒng)的靈活性[7-8]。本文在上述研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)的運行成本最低為優(yōu)化目標，以一個實際應(yīng)用案例為例，建立了熱能和電能的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，對比分析了在系統(tǒng)中分別添加電鍋爐和儲熱裝置等不同場景對系統(tǒng)的運行調(diào)度策略、各設(shè)備的出力情況以及風(fēng)電消納能力的影響，并進一步研究了系統(tǒng)在不同場景下的風(fēng)電消納機理。本文的研究內(nèi)容旨在對電鍋爐和儲熱裝置在實際能源系統(tǒng)中的具體應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 包含電鍋爐和儲熱的熱電聯(lián)合系統(tǒng)

熱電聯(lián)合系統(tǒng)是一個包含電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)以及熱電耦合設(shè)備的統(tǒng)一有機整體，電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)通過熱電耦合設(shè)備相互影響和交互。電熱聯(lián)合系統(tǒng)有多種不同的能源結(jié)構(gòu)形式，本文所研究主要為一個包含熱電聯(lián)產(chǎn)機組、風(fēng)力發(fā)電、電鍋爐和儲熱罐等裝置的熱電聯(lián)合系統(tǒng)，其中電力網(wǎng)絡(luò)和供熱網(wǎng)絡(luò)通過CHP、電鍋爐和循環(huán)泵實現(xiàn)熱能與電能的耦合轉(zhuǎn)換。以下分別對它們的數(shù)學(xué)模型進行介紹。

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)機組

熱電聯(lián)產(chǎn)機組主要可以分為背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機組和抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組兩種類型[9]。背壓式機組的熱電比基本不可調(diào)節(jié)，而抽凝式機組可以通過改變抽汽量的方式在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機組運行的熱電比。

背壓式機組熱功率出力與電功率出力的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中，PCHP為機組的電功率出力；HCHP為機組的熱功率出力；ψ為機組的熱電比。

抽凝式機組熱功率出力與電功率出力的關(guān)系如式(2)所示：

(2)

式中，χ是抽凝式機組的運行特性參數(shù)，表示因抽取蒸汽而產(chǎn)生的熱功率增加量與電功率減少量的比值；Pcon表示當機組在純凝模式下時的電功率出力。

(2)電鍋爐

電鍋爐是一種通過電流的熱效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的供熱設(shè)備。電鍋爐的熱效率是電鍋爐將電能轉(zhuǎn)換為熱能的主要參數(shù)，其關(guān)系式為：

(3)

式中，ηEB為電鍋爐的熱效率；HEB為電鍋爐的供熱功率；PEB為電鍋爐消耗的電功率。

(3)循環(huán)泵

循環(huán)泵是維持載熱流體在供熱網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)流動的機械設(shè)備，通過將電能轉(zhuǎn)化為機械能，為流體的流動提供壓力。循環(huán)泵的電功率與流量和揚程有關(guān)，關(guān)系如下式所示：

(4)

(4)儲熱裝置

儲熱裝置一般是根據(jù)熱量的供求關(guān)系，將熱量進行短期存儲和釋放的容器設(shè)備。當儲熱裝置的熱損失忽略不計時，儲熱裝置內(nèi)部存儲的熱量與其熱功率出力的關(guān)系如式(5)所示：

(5)

2 熱電聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)度模型

為了分析電鍋爐和儲熱裝置對降低運行成本的作用，并分析二者對系統(tǒng)的運行策略和風(fēng)電消納能力的影響，本節(jié)以系統(tǒng)的運行成本最低為目標，建立了熱電聯(lián)合系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型。

2.1 目標函數(shù)

本文建立的優(yōu)化調(diào)度模型以系統(tǒng)的運行成本最低為優(yōu)化目標，系統(tǒng)的運行成本主要包括：熱電聯(lián)產(chǎn)機組的燃料成本和外購電成本，其表達式如式(6)所示：

(6)

2.2 約束條件

模型的約束條件除包括式(1)-式(6)所示的設(shè)備模型約束外,還應(yīng)包括電網(wǎng)平衡和熱網(wǎng)平衡的等式約束條件以及各設(shè)備的出力限制的不等式約束條件。

(1)電網(wǎng)平衡約束

電力系統(tǒng)的平衡可分為有功功率平衡和無功功率平衡，對于每一個節(jié)點，它們均可用電網(wǎng)的潮流方程表示：

(7)

式中，i、k分別為節(jié)點的編號；P為節(jié)點的有功功率；Q為節(jié)點的無功功率；U為節(jié)點的節(jié)點電壓幅值；G為節(jié)點之間的電導(dǎo)；B為節(jié)點之間的電納；φ為節(jié)點之間的電壓相角。

(2)熱網(wǎng)平衡約束

熱網(wǎng)的平衡約束可分為水力平衡約束和熱力平衡約束。對于水力平衡，由流量連續(xù)方程可知，流入熱網(wǎng)節(jié)點i的所有質(zhì)量流量之和等于流出該節(jié)點的所有質(zhì)量流量之和，即：

(8)

此外，水力平衡還應(yīng)考慮流體流動過程中的壓力損失，即沿著基本閉合回路上所有支路兩端水頭損失的代數(shù)和等于零。如式(9)所示：

(9)

式中，l為基本閉合回路的編號；j為屬于基本閉合回路s中的支路的編號；k為支路的管道阻力特性系數(shù)；hz為支路的末端與始端的高度差；hp為管道附件的壓強水頭。

對于熱力平衡，由能量守恒知，流入熱網(wǎng)節(jié)點i的所有熱量之和等于流出該節(jié)點的所有熱量之和，即：

(10)

式中，Tin和Tout分別為支路的進口溫度和出口溫度。

考慮熱網(wǎng)中流體在管道內(nèi)流動時因向環(huán)境散熱而產(chǎn)生的的能量損失，應(yīng)有：

(11)

式中，λ為支路的散熱系數(shù)；L為支路的長度；ΔT為散熱溫差；cp為流體的比熱容。

(3)熱電聯(lián)產(chǎn)機組出力約束

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的出力受其最大功率和爬坡速率的限制，即：

(12)

(13)

式中，PCHP，max、RCHP分別是熱電聯(lián)產(chǎn)機組的最大發(fā)電功率和最大爬坡速率。

(4)儲熱裝置出力約束

與熱電聯(lián)產(chǎn)機組類似，儲熱裝置的出力也受其容量和充放熱功率所限制，即對所有的時段t,都有：

(14)

(15)

式中，QS,max、RS分別為儲熱裝置的最大儲熱容量和充放熱的速率。

由于儲熱裝置本身不能夠產(chǎn)生熱量，為了維持儲熱裝置充放熱的連續(xù)性，需要保證儲熱罐在周期結(jié)束時存儲的熱量等于初始時刻罐內(nèi)存儲的熱量，即一個周內(nèi)儲熱裝置充放熱的總和等于零。

(16)

(5)電鍋爐出力約束

電鍋爐的出力受其所消耗的最大電功率的限制，即：

(17)

式中，PEB,max為電鍋爐的最大功率。

(6)風(fēng)電出力約束

風(fēng)電出力受當?shù)氐娘L(fēng)力條件所限制，風(fēng)電的電出力不能超過當?shù)氐娘L(fēng)力發(fā)電的預(yù)測值。

(18)

3 算例分析

3.1 算例數(shù)據(jù)

為了對電鍋爐和儲熱裝置對風(fēng)電消納的影響效果和影響機理進行分析，基于本文所建立的優(yōu)化調(diào)度模型，以某實際熱電聯(lián)合系統(tǒng)為例進行優(yōu)化。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖可簡化為如圖1所示。

圖1 熱電聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

系統(tǒng)的所有負荷可簡化為6個電負荷和8個熱負荷。電負荷通過CHP機組和風(fēng)力發(fā)電進行供電，供電不足部分可向外部電網(wǎng)進行購電作為補充；熱負荷通過CHP機組進行供熱。系統(tǒng)的逐時總負荷和風(fēng)電預(yù)測出力情況如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的逐時總負荷與風(fēng)電出力預(yù)測

以圖1所示的案例為例，本文分別優(yōu)化得到了在系統(tǒng)中加入電鍋爐和儲熱裝置等四種不同場景下的調(diào)度方案，并對四種場景下的優(yōu)化結(jié)果進行了分析。四種優(yōu)化場景的配置見表1。

表1 四種優(yōu)化場景

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

(1)不同場景優(yōu)化效果分析

在一個調(diào)度周期內(nèi)，四種場景下系統(tǒng)的風(fēng)電消納比例和運行成本見表2。

表2 不同場景下風(fēng)電消納比例和運行成本

根據(jù)表2的優(yōu)化結(jié)果，就提升風(fēng)電消納效果而言，場景4>場景2>場景3>場景1;就降低系統(tǒng)運行成本效果而言，場景4>場景3>場景2>場景1。可知加裝電鍋爐場景的風(fēng)電消納能力要優(yōu)于加裝儲熱裝置，而加裝儲熱裝置比加裝電鍋爐更能降低系統(tǒng)的運行成本。

(2)電鍋爐和儲熱裝置風(fēng)電消納機理研究

為了研究電鍋爐和儲熱裝置的風(fēng)電消納機理，分別對比分析了系統(tǒng)在場景2(加裝電鍋爐)、場景3(加裝儲熱裝置)和場景4(加裝電鍋爐和儲熱裝置)下熱網(wǎng)與電網(wǎng)所承擔實際電負荷、實際熱負荷的逐時分布與場景1(未加裝電鍋爐與儲熱裝置)下原電負荷、原熱負荷的逐時分布。對比結(jié)果分別如圖3-圖5所示。

圖4 場景3下逐時負荷對比

圖5 場景4下逐時負荷對比

由圖3知，在加裝電鍋爐時，系統(tǒng)的電負荷在低谷時被提高，而熱負荷在高峰時被降低，因此電鍋爐是通過對電負荷進行“填谷”，并對熱負荷進行“削峰”，從而消除系統(tǒng)熱負荷和電負荷在不同的時段的峰谷差。由圖4可知，在加裝儲熱裝置時，系統(tǒng)電負荷并未受影響，即原電負荷與實際電負荷在圖4中顯示為同一條線。而熱負荷則在高峰時被降低，在低谷時被提高，即儲熱裝置將高峰時段的部分熱量需求轉(zhuǎn)移給了低谷時段，從而降低電熱之間的負荷峰谷差。由于儲熱裝置本身并不能產(chǎn)生熱量，且受設(shè)備的容量限制，對熱量的轉(zhuǎn)移能力有限，因此這種方式提升風(fēng)電消納的能力不大，但可顯著降低外購電成本。根據(jù)圖5可知，當同時加裝電鍋爐和儲熱裝置時，系統(tǒng)既可實現(xiàn)電負荷和熱負荷的“削峰填谷”，也可對不同時段的熱量需求進行轉(zhuǎn)移，因此在四種場景中，場景4提高風(fēng)電消納的能力和降低系統(tǒng)運行成本的效果均為最好。

4 結(jié)束語

本文建立了考慮電鍋爐和儲熱裝置的熱電聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，并以一個實際的案例分析了四種不同場景下的風(fēng)電消納效果和消納機理，研究結(jié)果總結(jié)如下：

(1)在系統(tǒng)加裝電鍋爐和儲熱裝置均可提高風(fēng)電消納能力并降低系統(tǒng)的運行成本，其中加裝電鍋爐場景的風(fēng)電消納能力要優(yōu)于加裝儲熱裝置，而加裝儲熱裝置比加裝電鍋爐更能降低系統(tǒng)的運行成本。

(2)電鍋爐主要是通過對電負荷和熱負荷分別進行“填谷”和“削峰”，以消除系統(tǒng)熱負荷和電負荷在不同的時段的峰谷差，從而顯著增強風(fēng)電的消納能力，但電鍋爐并不能減少外購電的成本。

(3)儲熱裝置主要是通過周期性的儲熱和放熱將系統(tǒng)在高峰時段的部分熱量需求轉(zhuǎn)移給了低谷時段，以降低電熱負荷之間的峰谷差，但這種方式對熱量的轉(zhuǎn)移能力有限，因此提升風(fēng)電消納的能力不大，但可顯著降低系統(tǒng)的外購電成本。