李 瀟，劉文穎，朱麗萍，胡 陽，姜明軍，徐蘭蘭

(1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206；2． 國網(wǎng)甘肅省電力公司營銷服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

近年來，我國正在著力推進構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系，積極開發(fā)和利用技術(shù)成熟、規(guī)模化前景較好的風電，對于調(diào)整我國能源結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、貫徹綠色發(fā)展理念，具有非常重要的意義。隨著風電裝機比例的不斷提高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力成為限制風電發(fā)展的重要因素[1-2]。以風力資源最為豐富的“三北地區(qū)”為例，電源結(jié)構(gòu)以燃煤火電供熱機組為主，冬季供暖期由于“以熱定電”的緣故，火電機組的調(diào)峰能力嚴重不足，“保熱調(diào)峰”加劇了大規(guī)模風電的并網(wǎng)消納難度，“棄風光限電”的現(xiàn)象甚為嚴重[3]。

為了促進風光電消納，緩解冬季供暖期的棄風問題，業(yè)界首先從電源側(cè)著手，在火電機組的靈活性改造和多源協(xié)調(diào)優(yōu)化兩個方面做了大量的研究工作。文獻[4-6]提出在熱電廠內(nèi)配置電鍋爐、分布式熱泵或儲熱設(shè)備進行補償供熱，以降低熱電機組的強迫出力，提高火電供熱機組的調(diào)峰能力，能夠促進風電消納；文獻[7-8]分析并評價了在熱電聯(lián)供中配置電鍋爐或熱泵以促進風電消納的經(jīng)濟價值和節(jié)能環(huán)保價值；文獻[9]對抽水蓄能電站與大規(guī)模并網(wǎng)風電聯(lián)合優(yōu)化運行進行了模擬和研究，發(fā)現(xiàn)充分發(fā)揮抽水蓄能電站調(diào)峰填谷的能力可以減少供熱期的棄風；文獻[10]將儲熱與抽水蓄能作為提升系統(tǒng)靈活性的手段與火電機組共同參與電力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度，說明電熱聯(lián)合系統(tǒng)多源協(xié)調(diào)運行的方式可以促進“三北地區(qū)”的風電消納。其后，研究人員又嘗試在負荷側(cè)挖掘可調(diào)度資源促進風光電消納的新思路。文獻[11]建立了多時間尺度的電動汽車-風電協(xié)同調(diào)度模型，以華北電網(wǎng)和西北電網(wǎng)的規(guī)劃和實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了調(diào)度電動汽車充電消納夜間過剩風電的可行性。文獻[12]分析了高載能負荷的調(diào)節(jié)特性，提出的基于電量與功率滾動優(yōu)化的源荷雙層協(xié)調(diào)控制策略，可以有效緩解風電消納受阻問題。受到負荷調(diào)節(jié)容量的限制，上述源荷協(xié)調(diào)控制方法也未能完全解決棄風問題。

隨著“煤改電”的逐步實施，蓄熱電鍋爐作為冬季供暖期重要的電供熱設(shè)備，在“三北地區(qū)”發(fā)展迅速，最大“單點”負荷可達上百兆瓦，其具有天然優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)資源可參與系統(tǒng)調(diào)峰從而提高風電消納能力。文獻[13]提出風電-蓄熱電鍋爐協(xié)調(diào)優(yōu)化方式可以提升風電消納水平，但沒有對蓄熱電鍋爐負荷的調(diào)節(jié)特性及蓄熱電鍋爐參與系統(tǒng)調(diào)峰從而提高風電消納能力的作用機理做深入分析；在經(jīng)濟分析方面，文獻[14]對電力市場環(huán)境下蓄熱電鍋爐消納風電的經(jīng)濟性進行了評估，指出棄風協(xié)定電價是關(guān)鍵影響因素；文獻[15]以蓄熱電鍋爐消納棄風為切入點，提出的多目標優(yōu)化控制方法在消納棄風的同時可以兼顧設(shè)備的使用壽命。研究成果表明，蓄熱電鍋爐負荷參與調(diào)度對消納風電具有促進作用，但是，蓄熱電鍋爐參與消納風電的同時還需降低蓄熱電鍋爐用電成本，方可激勵蓄熱電鍋爐企業(yè)積極參與調(diào)度控制，實現(xiàn)提升風電消納水平目標。

基于上述問題，本文以受阻風電消納量最大和蓄熱電鍋爐用電成本最小為優(yōu)化目標，提出了一種蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制方法。首先基于冬季供暖期系統(tǒng)“下調(diào)峰”能力不足造成風電受阻的問題，分析了蓄熱電鍋爐負荷的可調(diào)節(jié)特性，以及蓄熱電鍋爐負荷參與調(diào)節(jié)消納受阻風電的作用機理；然后，以受阻風電消納量最大和蓄熱電鍋爐用電成本最小為優(yōu)化目標，建立了蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制模型并進行求解，提出了源荷優(yōu)化控制方法。最后通過算例分析，驗證了本文所提控制方法可以有效改善系統(tǒng)在冬季供暖期調(diào)峰能力不足的問題，提高風電的消納水平。

1 蓄熱電鍋爐參與消納受阻風電的作用機理

1.1 系統(tǒng)“下調(diào)峰”能力不足造成風電受阻

風電作為一種電源接入電網(wǎng)，我們主觀地希望它的出力能夠跟隨負荷需求的變化而變化，但由于風能的特質(zhì)，使得風電出力具有反調(diào)峰特性，接入電網(wǎng)后不僅不能像常規(guī)電源一樣參與系統(tǒng)調(diào)峰，反而進一步增大了系統(tǒng)的峰谷差。

圖1為某省電網(wǎng)典型日負荷曲線和考慮風電日出力后的等效負荷曲線[16]。

圖1 風電反調(diào)峰特性示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind power anti-peak regulation characteristics

可以看到，風電接入后系統(tǒng)等效負荷曲線的峰谷差(d2)大于接入前系統(tǒng)原始日負荷曲線的峰谷差(d1)，調(diào)峰需求增大，尤其增加了傳統(tǒng)調(diào)度模式下系統(tǒng)向下調(diào)峰的難度。

風電大規(guī)模接入后，常規(guī)電源的比例進一步縮減，由于熱電廠不可替代的作用，在常規(guī)電源中的占比增加。冬季供熱期由于熱電廠受到“以熱定電”運行模式的限制，系統(tǒng)下調(diào)峰能力嚴重不足，當常規(guī)電源的最小出力達到下調(diào)極限值，即系統(tǒng)向下調(diào)峰的裕度為0時，若仍未滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求，則出現(xiàn)風電功率送出受阻。如圖2中陰影部分所對應(yīng)的這部分風電將無法被系統(tǒng)消納，造成的風電受阻。

圖2 系統(tǒng)向下調(diào)峰的能力不足引起風電受阻Fig.2 Blocked wind power due to insufficient capacity of system for downward peak regulation

1.2 蓄熱電鍋爐負荷的調(diào)節(jié)特性分析

1.2.1 蓄熱電鍋爐的運行特性

蓄熱電鍋爐是配置了一定儲熱容量的優(yōu)質(zhì)供熱設(shè)備，只要儲熱量滿足一定約束條件，蓄熱電鍋爐就可以對外供熱。假設(shè)供熱需求保持一定，圖3是蓄熱電鍋爐在滿足儲熱容量約束的條件下典型運行特性曲線。

圖3 蓄熱電鍋爐的典型運行特性Fig.3 Typical operation characteristics of thermal storage electric boiler

圖中，PN表示蓄熱電鍋爐的額定用電功率，PL表示供熱需求對應(yīng)的基準用電功率，Qmax和Qmin分別表示儲熱量約束的上下限，t0～t4表示相應(yīng)的時間節(jié)點?？梢钥闯?，蓄熱電鍋爐的用電功率可以根據(jù)儲熱量的大小進行連續(xù)控制，由于周期T內(nèi)儲熱變化量可控，根據(jù)能量守恒原則，供熱周期內(nèi)蓄熱電鍋爐的用電量一定。

1.2.2 蓄熱電鍋爐負荷的調(diào)節(jié)特性

由于儲熱容量的存在，蓄熱電鍋爐的運行功率具有很大的靈活調(diào)整空間，可以配合系統(tǒng)進行調(diào)峰。圖4給出了蓄熱電鍋爐負荷未參與系統(tǒng)調(diào)峰的等效負荷曲線、用電曲線，以及蓄熱電鍋爐負荷參與調(diào)節(jié)后的運行特性曲線。

圖4 參與調(diào)節(jié)后蓄熱電鍋爐的運行特性Fig.4 Operation characteristics of thermal storage electric boiler after participating in regulation

圖中，Q0表示調(diào)節(jié)前蓄熱電鍋爐的初始儲熱量。參與調(diào)節(jié)后，蓄熱電鍋爐負荷的功率曲線由L1變成了L2，用電時段發(fā)生了轉(zhuǎn)移，呈現(xiàn)出與系統(tǒng)負荷預(yù)測曲線相反的峰谷特征，能夠起到很好的調(diào)峰作用，減小等效負荷的峰谷差，同時提升負荷低谷的水平。因此，蓄熱電鍋爐負荷可以作為柔性負荷參與系統(tǒng)調(diào)峰。

1.3 蓄熱電鍋爐參與消納受阻風電的作用機理

由1.1節(jié)分析可知，風電消納受阻的原因是系統(tǒng)“下調(diào)峰”能力不足，而1.2節(jié)論述了蓄熱電鍋爐良好的調(diào)峰特性，參與調(diào)節(jié)可以緩解系統(tǒng)的調(diào)峰壓力。圖5繪制了蓄熱電鍋爐負荷參與調(diào)節(jié)前后的等效負荷曲線?？梢钥闯?，在風電受阻時段Tb，蓄熱電鍋爐負荷參與調(diào)節(jié)后提升了等效負荷曲線的“低谷點”，進而增加了受阻風電消納量(圖中S1所示面積)。同時，等效負荷曲線的峰谷差進一步縮小(由d2變?yōu)閐3)。

圖5 蓄熱電鍋爐負荷參與受阻風電消納的作用機理Fig.5 The mechanism of the load of thermal storage boiler participating in the absorption of blocked wind power

2 蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制方法

2.1 風電受阻情況

當風電的實際輸出功率小于其可發(fā)功率時，其差值為受阻風電，受阻風電功率及時段可以表示為

(1)

式中：PWm,t表示t時刻的風電可發(fā)出力；PWp,t表示t時刻的風電實際出力；T表示一個供暖日。

荷源協(xié)調(diào)控制前風電實際出力滿足：。

(2)

2.2 蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制模型

在風電受阻情況下，為達到蓄熱電鍋爐參與調(diào)節(jié)后最大化消納受阻風電，且考慮蓄熱電鍋爐用電成本最小，建立蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制模型。

2.2.1 目標函數(shù)

源荷優(yōu)化控制模型的優(yōu)化目標是：對蓄熱電鍋爐負荷功率進行優(yōu)化控制，達到受阻風電消納量最大化和蓄熱電鍋爐用電成本最小化的目的。

結(jié)合式(1)、(2)可知，荷源協(xié)調(diào)控制消納受阻風電功率為

(3)

式中：Pebj,t表示蓄熱電鍋爐參與調(diào)節(jié)后t時刻的運行功率。

因此，模型的目標函數(shù)，可以表示為

(4)

式中：ΔPWb,t滿足0≤ΔPWb,t≤PWm,t；CZ表示受阻風電時段Tb蓄熱電鍋爐的用電電價。

2.2.2 約束條件

約束條件包括系統(tǒng)功率平衡約束、風電出力約束和蓄熱電鍋爐的調(diào)節(jié)性能約束三個方面。

(1)功率平衡約束

系統(tǒng)發(fā)電、用電的功率平衡可以表示為

(5)

(2)風電場出力約束

風電在t時刻的實際出力，滿足：

(6)

(3)蓄熱電鍋爐性能約束

蓄熱電鍋爐的調(diào)節(jié)性能約束包括電熱平衡約束、用電功率約束以及實際儲熱量約束。

①電熱平衡約束

(7)

式中：Hj,t表示蓄熱電鍋爐在t時刻的儲熱功率(單位為J/s)，即單位時間的儲熱量；ceb表示蓄熱電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)，可近似認為是常數(shù)。

②用電功率約束

0≤Pebj,t=ηPN≤PN

(8)

式中：η表示蓄熱電鍋爐的運行效率。

③儲熱量約束

(9)

式中：HLj,t表示供熱負荷;Lj表示蓄熱電鍋爐系統(tǒng)負責供熱區(qū)域內(nèi)的建筑數(shù);Si表示供熱面積、qi表示第i幢建筑的單位面積熱負荷系數(shù)；Ti、To分別表示室內(nèi)外的計算溫度；Qj,t表示蓄熱電鍋爐在t時刻的實際儲熱量。

此外，無風電受阻情況下，在原有峰谷電價機制的前提下，以蓄熱電鍋爐用電成本最小為目標進行優(yōu)化，此處不再贅述。針對建立的源荷優(yōu)化控制模型,待求解的優(yōu)化變量包括風電的計劃出力和蓄熱電鍋爐的計劃運行功率。

2.3 控制模型求解

針對建立的源荷優(yōu)化控制模型，采用智能算法中全局搜索能力強、收斂速度快的和聲搜索算法來求解。具體過程包括：

(1)歸一化目標函數(shù)。模型中存在兩種類型的目標函數(shù)，利用偏好因子與加權(quán)思想，把優(yōu)化目標歸一化為

minf=λF1(X)+(1-λ)F2(X)

(10)

式中：λ為偏好因子，滿足0<λ<1；X表示待優(yōu)化的決策變量。

(2)初始化系統(tǒng)參數(shù)，包括風電預(yù)測值、負荷預(yù)測值、常規(guī)電源開機計劃、蓄熱電鍋爐調(diào)節(jié)參數(shù)等。

(3)初始化算法參數(shù)，包括和聲記憶庫大小M、和聲記憶保留概率HMCR、音調(diào)擾動帶寬bw以及最大迭代次數(shù)Gmax。

(4)初始化和聲記憶庫。在約束條件范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生M個和聲變量，即風電實際出力、蓄熱電鍋爐用電功率，構(gòu)成初始和聲記憶庫，形式為

(11)

(5)生成一個新和聲。新和聲可以通過學習HM獲得，也可以隨機生成，利用雜交策略對HM中抽取的和聲變量進行改造，算法為

Xnew=X′+bw(2rand-1)

(12)

式中：Xnew表示生成的新和聲,X′表示待學習的和聲；rand表示[0,1]區(qū)間產(chǎn)生的隨機數(shù)。

(6)更新和聲記憶庫。用新和聲替換掉初始化和聲庫HM中函數(shù)值最差的那個和聲。

(7)判斷算法是否終止。返回步驟(5)，直到迭代次數(shù)達到Gmax為止。

(8)輸出風電的實際發(fā)電功率、蓄熱電鍋爐用電功率、受阻風電消納量以及蓄熱電鍋爐用電成本。

2.4 蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制方法

依據(jù)上述源荷優(yōu)化控制模型及優(yōu)化求解，提出一種蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制方法，具體流程如下：

(1)輸入機組的技術(shù)參數(shù)、蓄熱電鍋爐負荷的基本參數(shù)；

(2)輸入系統(tǒng)用電負荷、風電預(yù)測功率曲線；

(3)根據(jù)負荷預(yù)測及風電預(yù)測計算等效負荷，根據(jù)常規(guī)電源開機情況確定常規(guī)電源的最小技術(shù)出力，即系統(tǒng)的下調(diào)峰能力；

(4)計算風電受阻風電功率及時段，判斷是否存在風電受阻情況，若不存在，則不進行基于蓄熱電鍋爐參與的荷源優(yōu)化控制，轉(zhuǎn)步驟(7)；

(5)若存在風電受阻情況，建立以受阻風電消納量最大、蓄熱電鍋爐用電成本最小為目標的源荷優(yōu)化控制模型；

(6)采用多目標優(yōu)化算法對優(yōu)化控制模型進行求解；

(7)輸出蓄熱電鍋爐的用電成本、受阻風電消納量以及優(yōu)化控制后蓄熱電鍋爐的用電功率、風電發(fā)電功率。

具體控制流程如圖6所示。

圖6 蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制方法Fig.6 Source-load optimization control method for thermal storage boiler participating in blocked wind power consumption

3 算例分析

3.1 算例簡介

本文以某省某地區(qū)電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，日前風電計劃功率和系統(tǒng)負荷預(yù)測參見文獻[16]，風電場的總裝機容量為6 343 MW，常規(guī)機組的裝機容量為14 350 MW。蓄熱電鍋爐系統(tǒng)總?cè)萘考s為2×100 MW，供熱區(qū)域的總面積約為120萬m2，供熱區(qū)域單位面積日熱負荷需求(基準值為65 W/m2)預(yù)測曲線[14]如圖7所示。電熱轉(zhuǎn)換效率為97%，忽略管網(wǎng)散熱損失，設(shè)計最大儲熱時長為4 h。

圖7 單位面積日前熱負荷計劃曲線Fig.7 Daily heating load plan curve per unit area

參考該地區(qū)電網(wǎng)電價機制，時段劃分及分時電價如表1所示：

表1 峰谷時段劃分及分時電價Tab.1 Peak and valley time division and TOU price(元/MWh)

根據(jù)蓄熱電鍋爐負荷基本參數(shù)和熱負荷計劃曲線，計算蓄熱電鍋爐系統(tǒng)的全天用電量需求為1 620.06 MWh，如果在負荷低谷時段全功率儲熱，總時長約為8.1 h。

基于常規(guī)機組的日前發(fā)電計劃，可得出風電的計劃出力曲線，如圖8所示：

圖8 風電受阻情況Fig.8 The situation of blocked wind power

由上圖可知，在23∶00～9∶00和13∶00～15∶00內(nèi)，出現(xiàn)風電受阻情況，受阻風電量為4 013 MWh。如果將蓄熱電鍋爐負荷納入調(diào)節(jié)，進行優(yōu)化控制，可消納或緩解受阻風電。

為比較蓄熱電鍋爐進行優(yōu)化控制對消納受阻風電的效果，將蓄熱電鍋爐負荷的用電模式分為三類：

(1)模式1，全天直接供熱用電；

(2)模式2，全天避峰用電；

(3)模式3，優(yōu)化控制用電。

仿真計算日前時間尺度下三種運行模式下受阻風電消納量、用電成本，以驗證本文所提出的優(yōu)化控制方法的合理性、有效性。

3.2 優(yōu)化結(jié)果對比及分析

蓄熱電鍋爐負荷以不同模式運行時，求解得到優(yōu)化控制前后的風電出力情況，如圖9所示：

圖9 蓄熱電鍋爐參與優(yōu)化控制前后的風電出力Fig.9 Wind power output before and after the optimal control of thermal storage electric boiler

可以看出，經(jīng)過優(yōu)化控制后，風電發(fā)電功率曲線相比未控制前有了明顯抬升，說明優(yōu)化控制方法可以有效提高風電入網(wǎng)水平。

為了進一步量化受阻風電消納效果，將蓄熱電鍋爐不同用電模式下的風電消納情況列于表2。

表2 不同運行模式下的風電消納情況Tab.2 Wind power consumption in different operating modes

由表可知，相對蓄熱電鍋爐負荷用電模式1，采用本文所提源荷優(yōu)化控制方法對蓄熱電鍋爐負荷進行優(yōu)化控制后，顯著提升了受阻風電消納量，風電消納率由模式1的93.61%提升至96.19%，驗證了蓄熱電鍋爐負荷參與源荷優(yōu)化控制后對消納風電的有效性。

圖10包含了不同運行模式下蓄熱電鍋爐的用電功率曲線。

圖10 不同用電模式下的蓄熱電鍋爐負荷曲線Fig.10 Loads of thermal storage electric boilers under different power consumption modes

由圖可知，不接受優(yōu)化控制的情況下，模式1的用電負荷與供熱負荷的相關(guān)性較大，模式2受峰谷電價時段分布的影響較大，運行模式都較為單一；模式3引入優(yōu)化控制方法之后，蓄熱電鍋爐的用電負荷曲線和受阻風電曲線的形狀最為接近，說明受阻風電信號能夠引導蓄熱電鍋爐蓄熱用電，一方面大大提高運行的靈活性，另一方面也驗證了該方法能夠有效減少受阻風電。

此外，由于蓄熱電鍋爐在不同用電模式下的負荷曲線存在差異，導致其用電成本也有所區(qū)別。不同用電模式下蓄熱電鍋爐的用電成本，如表3所示。

表3 不同用電模式下蓄熱電鍋爐系統(tǒng)用電成本Tab.3 Electricity cost of thermal storage electric boiler system under different electricity consumption modes

由上表可知，與直接供熱運行相比，引入峰谷電價機制后，蓄熱電鍋爐的用電成本降低了將近1/2，蓄熱電鍋爐參與源荷優(yōu)化控制后，用電成本進一步降低。究其原因，用電模式2中蓄熱電鍋爐采取避峰用電的策略，其用電成本主要受谷時電價的影響；用電模式3中蓄熱電鍋爐優(yōu)先利用受阻風電，該時段電價水平更低，用電經(jīng)濟性更好。因此，本文提出的優(yōu)化控制方法可以顯著降低蓄熱電鍋爐的用電成本，提高了其用電的經(jīng)濟性。

4 結(jié) 論

本文在分析蓄熱電鍋爐負荷調(diào)節(jié)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種蓄熱電鍋爐參與受阻風電消納的源荷優(yōu)化控制方法，并以某地區(qū)電網(wǎng)實際數(shù)據(jù)進行了仿真驗證，研究得出以下結(jié)論：

(1)在系統(tǒng)下調(diào)峰能力不足導致風電消納受阻的情況下，利用蓄熱電鍋爐負荷的調(diào)節(jié)特性消納受阻風電是可行的解決方案；

(2)蓄熱電鍋爐在受阻風電時段內(nèi)用電蓄熱，可以顯著提高風電消納水平，提高了系統(tǒng)的靈活控制能力；

(3)在滿足供熱需求的前提下，采用本文提出的優(yōu)化方法進行源荷優(yōu)化控制，可以減少蓄熱電鍋爐用電成本。

本文提出的優(yōu)化控制方法適用于具有蓄熱電鍋爐負荷和新能源接入的電網(wǎng)。但由于本文沒有對蓄熱電鍋爐負荷參與消納受阻風電的激勵機制進行深入探討，具有一定的局限性。后續(xù)工作將進一步研究蓄熱電鍋爐企業(yè)主動參與荷源響應(yīng)控制的市場激勵機制，便于本文所提方法的推廣應(yīng)用。