劉健松，魏立明， 袁紅斌， 司永利

( 1. 吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，長(zhǎng)春130011；2. 國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司白城供電公司，吉林 白城137000)

0 引 言

隨著世界各國(guó)長(zhǎng)期以來對(duì)傳統(tǒng)化石能源的大規(guī)模使用，世界環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻和化石能源逐漸枯竭，而以風(fēng)電為代表的清潔能源逐漸在世界各國(guó)快速發(fā)展，尤其風(fēng)電在我國(guó)的發(fā)展規(guī)模一次又一次突破，已經(jīng)成為我國(guó)第三大主力電源[1]。但是，在“三北”地區(qū)冬季供暖期間卻出現(xiàn)大規(guī)模的棄風(fēng)現(xiàn)象，因?yàn)椤叭薄钡貐^(qū)的電源結(jié)構(gòu)不算合理，具備靈活調(diào)節(jié)能力的電源占比顯然不足，存在調(diào)峰困難。同時(shí)冬季供暖期間持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，室外的平均溫度較低，采暖熱負(fù)荷水平較高，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(combined heat and power，CHP)總量大、占比高，同時(shí)需要優(yōu)先保障采暖熱負(fù)荷需求，CHP機(jī)組采用“以熱定電”運(yùn)行模式會(huì)使其電功率輸出受到機(jī)組采暖熱負(fù)荷的限制，風(fēng)電的上網(wǎng)空間會(huì)受到極大限制[2]。

由于風(fēng)電出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性和反調(diào)峰特性，會(huì)造成風(fēng)電出力不能隨意調(diào)度和調(diào)控，增加調(diào)度計(jì)劃的難度。由于電負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線和風(fēng)電的功率預(yù)測(cè)曲線呈相反趨勢(shì)，且現(xiàn)有的預(yù)測(cè)方法對(duì)預(yù)測(cè)風(fēng)電功率會(huì)產(chǎn)生誤差，造成在冬季供暖期的夜間，風(fēng)電正處于高出力水平，而采暖熱負(fù)荷需求高且電負(fù)荷需求低。為保證供暖需求，CHP機(jī)組會(huì)增加出力，當(dāng)機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍達(dá)到極限時(shí)，無法為風(fēng)電提供上網(wǎng)空間，給系統(tǒng)的運(yùn)行和控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3]。

針對(duì)“三北”地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)特性，為了讓風(fēng)電有足夠的上網(wǎng)空間，保證系統(tǒng)的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性，電熱集成系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題是系統(tǒng)運(yùn)行中最重要的優(yōu)化問題，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛研究。文獻(xiàn)[4]提出了關(guān)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的經(jīng)典經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[5]綜合考慮棄風(fēng)成本和電動(dòng)汽車調(diào)度成本等，針對(duì)區(qū)域電熱集成系統(tǒng)提出了一種日前經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型。文獻(xiàn)[6]提出以電熱集成系統(tǒng)的運(yùn)行成本為最小優(yōu)化目標(biāo)的一種整體優(yōu)化調(diào)度方法，但文中忽略了集中供熱管網(wǎng)和采暖建筑物的熱慣性?？紤]到電傳輸、熱傳輸損耗和網(wǎng)絡(luò)傳輸約束，文獻(xiàn)[7]提出排隊(duì)競(jìng)爭(zhēng)算法。文獻(xiàn)[8-9]提出了一種基于時(shí)變加速的粒子群優(yōu)化算法，來處理熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的多目標(biāo)優(yōu)化問題。在定義熱傳輸損耗系數(shù)后，文獻(xiàn)[10-11]提出了一種基于分布式神經(jīng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化的方法來解決電熱集成系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題，但尚未建立功率和熱傳輸損失模型，文中只是將兩者在一定程度上視為常量。目前考慮到集中供熱管網(wǎng)熱慣性是相對(duì)新穎并且復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題。綜上所述，文中借鑒國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的工作成果，在他們的研究基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘電熱集成系統(tǒng)的調(diào)峰能力和優(yōu)化調(diào)度策略。

目前研究工作中對(duì)電熱集成系統(tǒng)中優(yōu)化調(diào)度問題的求解方面涉及不多，并且通?？梢员硎緸榧s束優(yōu)化問題。現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)調(diào)度優(yōu)化算法主要有迭代式優(yōu)化方法、牛頓法、線性規(guī)劃法[12]。

為了提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)的調(diào)峰能力，為風(fēng)電上網(wǎng)提供更大的空間，建立最小供熱負(fù)荷模型。合理分配熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱負(fù)荷，來滿足供熱區(qū)域的熱用戶處于適宜溫度的最小供熱量，研究電熱能源集成系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度的二階段策略，優(yōu)化結(jié)果將作為供熱計(jì)劃提供給機(jī)組的傳統(tǒng)運(yùn)行模式。

1 影響電熱系統(tǒng)集成的機(jī)制因素分析

1.1 電價(jià)因素

1.1.1 常規(guī)火電機(jī)組

通過系統(tǒng)中電負(fù)荷的變化情況，利用低谷、平段、高峰等多個(gè)時(shí)段來平分24 h，以此來提高電網(wǎng)中資源的利用效率。

(1)

1.1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電功率Pe和供熱功率Ph間的耦合關(guān)系，如圖1所示。

圖1 熱電機(jī)組電熱特性

在考慮分時(shí)電價(jià)原則后，需要保證熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的發(fā)電總價(jià)最高。

(2)

1.1.3 風(fēng)電

風(fēng)電的收益僅與電價(jià)因素有關(guān)：

(3)

1.2 調(diào)峰補(bǔ)償因素

1.2.1 常規(guī)火電機(jī)組

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，為了減少常規(guī)火電機(jī)組提供深度調(diào)峰時(shí)的電量損失，電網(wǎng)將對(duì)這一部分進(jìn)行補(bǔ)償。

(4)

式中：C2為調(diào)峰補(bǔ)償增量；Γ為深度調(diào)峰總時(shí)段；φ′為調(diào)峰補(bǔ)償電價(jià)；mt為t時(shí)段常規(guī)火電機(jī)組的額外損耗費(fèi)用。

1.2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰補(bǔ)償增量主要由調(diào)峰時(shí)段發(fā)電減少量的補(bǔ)償、調(diào)峰時(shí)段供熱熱量的減少量的補(bǔ)償及調(diào)度周期對(duì)供熱系統(tǒng)提供供熱量不足造成的賠償三部分組成。

(5)

1.3 煤耗量成本因素

1.3.1 常規(guī)火電機(jī)組

常規(guī)火電機(jī)組的煤耗量成本也影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收益。

(6)

同時(shí)，常規(guī)火電機(jī)組在參與系統(tǒng)調(diào)峰時(shí)，得到新的調(diào)度計(jì)劃后，其收益增量C應(yīng)為

C=max(C1+C2-C3)

(7)

該文建立的調(diào)度模型實(shí)質(zhì)屬于電力經(jīng)濟(jì)調(diào)度范疇，常規(guī)火電機(jī)組僅涉及常規(guī)調(diào)峰階段，故常規(guī)火電機(jī)組收益增量變?yōu)?/p>

C′=max(C1-C3)

(8)

1.3.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的煤耗量成本也影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)收益。

(9)

同樣，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在參與系統(tǒng)調(diào)峰時(shí)，得到新的調(diào)度計(jì)劃后，其收益增量C″應(yīng)為

(10)

2 建筑物蓄熱特性分析

現(xiàn)將某一供熱區(qū)域等效成采暖建筑物，因此供熱區(qū)域的熱量平衡如圖2所示。其中熱源通過介質(zhì)利用二級(jí)管網(wǎng)對(duì)采暖建筑物進(jìn)行供熱，以此控制采暖建筑物的室內(nèi)溫度，但是所提供熱量會(huì)有部分被采暖建筑物內(nèi)空氣和物品等吸收，還有一部分會(huì)通過建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)外進(jìn)行散熱。

圖2 建筑物供熱系統(tǒng)示意圖

傳熱介質(zhì)的傳輸時(shí)間可以忽略，采暖建筑物室內(nèi)熱平衡方程可表示為

(11)

熱源提供給采暖建筑物的熱量主要取決于二級(jí)管網(wǎng)的供水溫度和回水溫度，當(dāng)考慮熱量傳輸過程的損失時(shí)，二級(jí)管網(wǎng)的傳熱方程為

(12)

室內(nèi)外溫度會(huì)影響采暖建筑物的散熱量，采暖建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱方程為

(13)

因此，通過利用建筑物的室內(nèi)溫度與機(jī)組的出力之間關(guān)系，在調(diào)峰出現(xiàn)困難時(shí)，僅需下調(diào)機(jī)組熱出力，就可以增加深度調(diào)峰的空間。

3 日前優(yōu)化調(diào)度的二階段策略

3.1 深度調(diào)峰時(shí)段的最小供熱負(fù)荷計(jì)算

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)峰困難時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需進(jìn)行深度調(diào)峰，設(shè)深度調(diào)峰連續(xù)時(shí)段集合為Γ。通過采暖建筑物的蓄熱特性可以減少CHP機(jī)組在深度調(diào)峰時(shí)段的熱負(fù)荷，因此提出最小供熱負(fù)荷模型，用以計(jì)算在深度調(diào)峰時(shí)段熱負(fù)荷需求：

(14)

(15)

3.2 熱負(fù)荷優(yōu)化分配模型

由于CHP機(jī)組受到“以熱定電”運(yùn)行方式限制，首先需滿足采暖用戶的熱負(fù)荷來確定機(jī)組的熱出力，以熱出力為基準(zhǔn)確定機(jī)組的電出力靈活性調(diào)節(jié)空間，并以此確定風(fēng)電上網(wǎng)空間。

因此當(dāng)供熱區(qū)域的熱源為多臺(tái)CHP機(jī)組聯(lián)合供熱時(shí)，需要對(duì)CHP機(jī)組的熱負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配。其優(yōu)化分配模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

(16)

(17)

4 算例分析

4.1 算例描述

以一個(gè)含有10臺(tái)常規(guī)火電機(jī)組、3臺(tái)CHP機(jī)組和一個(gè)風(fēng)電機(jī)組的電熱能源集成系統(tǒng)為例，分析各機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的情況。其中常規(guī)火電機(jī)組參數(shù)和CHP機(jī)組參數(shù)分別參考文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]，風(fēng)電機(jī)組的容量上限為200 MW。同時(shí)將某一日劃分為高峰時(shí)段、平時(shí)段及低谷時(shí)段，高峰的電價(jià)0.91元/(kW·h)，對(duì)應(yīng)時(shí)段為9∶00～11∶00和19∶00～23∶00；平時(shí)段的電價(jià)0.63元/(kW·h)，對(duì)應(yīng)時(shí)段為7∶00～8∶00和12∶00～18∶00；低谷時(shí)段的電價(jià)0.38元/(kW·h)，對(duì)應(yīng)時(shí)段為24∶00～6∶00。

現(xiàn)依靠CHP機(jī)組利用采暖建筑物在室溫為19.3 ℃下，利用其蓄熱特性接納風(fēng)電，同時(shí)將此運(yùn)行方式與CHP機(jī)組的傳統(tǒng)運(yùn)行模式進(jìn)行對(duì)比。

4.2 結(jié)果分析

首先系統(tǒng)中CHP機(jī)組在傳統(tǒng)的運(yùn)行方式下，通過式(14)建立的最小供熱負(fù)荷模型可得出符合采暖建筑物室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)室溫時(shí)的最小供熱量。通過式(16)建立的熱負(fù)荷分配模型，使CHP機(jī)組的熱出力合理化，最后確定最終發(fā)電計(jì)劃。

如圖3所示為CHP機(jī)組在傳統(tǒng)運(yùn)行方式下，風(fēng)電的并網(wǎng)功率，同時(shí)可以得到各機(jī)組出力計(jì)劃。當(dāng)?shù)玫匠Ｒ?guī)火電機(jī)組的出力計(jì)劃和啟停狀態(tài)后，通過利用采暖建筑物的蓄熱特性來調(diào)節(jié)CHP機(jī)組的電出力空間，為風(fēng)電上網(wǎng)提供空間。此時(shí)，通過CHP機(jī)組對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的響應(yīng)來分析調(diào)度策略的可行性。

圖3 “以熱定電”模式風(fēng)電功率圖

4.2.1 電價(jià)因素

在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，CHP機(jī)組在傳統(tǒng)運(yùn)行方式下與利用采暖建筑物蓄熱特性調(diào)整后各機(jī)組的發(fā)電量對(duì)比情況如表1所示。

表1 調(diào)度計(jì)劃調(diào)整前后發(fā)電量對(duì)比

通過表1可以得出：在利用采暖建筑物的蓄熱特性后，可以明顯降低CHP機(jī)組的電出力，以此提高系統(tǒng)消納風(fēng)電的空間，其中機(jī)組1的電出力變化較為明顯，為主要調(diào)峰機(jī)組。

在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，CHP機(jī)組在傳統(tǒng)運(yùn)行方式下與利用采暖建筑物蓄熱特性調(diào)整后各機(jī)組的發(fā)電總價(jià)對(duì)比情況如表2所示。

表2 調(diào)度計(jì)劃調(diào)整前后發(fā)電總價(jià)對(duì)比

通過表2可以得出：利用采暖建筑物的蓄熱特性后，CHP機(jī)組1-2的發(fā)電總價(jià)發(fā)生減少，但CHP機(jī)組3的發(fā)電總價(jià)卻升高。因此，從發(fā)電總價(jià)的角度來說，CHP機(jī)組1-2參加系統(tǒng)調(diào)峰時(shí)處于被動(dòng)。

4.2.2 調(diào)峰補(bǔ)償

根據(jù)相關(guān)規(guī)則，對(duì)于深度調(diào)峰的機(jī)組來說，電補(bǔ)償和熱補(bǔ)償分別為50元/MW和87元/GJ，而對(duì)于熱量賠償來說，熱電廠對(duì)采暖用戶賠償為30元/GJ(表3)。

表3 調(diào)峰瓶頸時(shí)段熱電機(jī)組調(diào)峰補(bǔ)償

通過表3可以得出：CHP機(jī)組1-3都獲得了一定程度的電熱補(bǔ)償。但通過在調(diào)峰困難時(shí)期，利用建筑物的蓄熱特性，來下調(diào)CHP機(jī)組的熱出力，會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)調(diào)度計(jì)劃中的熱出力都會(huì)發(fā)生改變。并且最后僅CHP機(jī)組1的熱出力符合要求，同時(shí)作為調(diào)峰重要機(jī)組，獲得的補(bǔ)償費(fèi)用以及總補(bǔ)償最大。

4.2.3 煤耗量

一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)的煤耗量對(duì)比情況如表4所示。

表4 調(diào)度計(jì)劃調(diào)整前后煤耗量對(duì)比

由表4可以得出：利用采暖建筑物的蓄熱特性后，參與系統(tǒng)調(diào)峰的CHP機(jī)組煤耗量降低，同時(shí)節(jié)約了96.8 t煤。當(dāng)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)煤480元/t，則CHP機(jī)組調(diào)整前后的費(fèi)用如表5所示。

表5 調(diào)度計(jì)劃調(diào)整前后熱電機(jī)組利潤(rùn)對(duì)比

通過表5可知，在系統(tǒng)處于傳統(tǒng)運(yùn)行方式及利用采暖建筑物的蓄熱特性時(shí)，CHP機(jī)組均有收益,但不同CHP機(jī)組調(diào)整前后的收益卻不同。當(dāng)利用采暖建筑物的蓄熱特性時(shí)，僅CHP機(jī)組1會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰發(fā)生響應(yīng)。將CHP機(jī)組1-3看作一個(gè)整體，則調(diào)度計(jì)劃調(diào)整后會(huì)多收益2.89萬元。

5 結(jié) 語

提出日前調(diào)度的二階段策略，從電價(jià)因素、調(diào)峰補(bǔ)償因素和機(jī)組煤耗量三部分來研究電熱能源集成系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力?？紤]采暖建筑物的蓄熱特性會(huì)使系統(tǒng)的風(fēng)電消納空間增大，同時(shí)在調(diào)度計(jì)劃調(diào)整后會(huì)降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，通過對(duì)調(diào)度計(jì)劃調(diào)整前后各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，最終驗(yàn)證了各機(jī)組對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的響應(yīng)因素為電價(jià)因素、調(diào)峰補(bǔ)償因素和機(jī)組煤耗量三個(gè)因素。