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)
隨著世界各國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)傳統(tǒng)化石能源的大規(guī)模使用,世界環(huán)境問(wèn)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(wú)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(lái)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(wèn)題是系統(tǒng)運(yùn)行中最重要的優(yōu)化問(wèn)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(lái)處理熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)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(lái)解決電熱集成系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問(wèn)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(wèn)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(wèn)題的求解方面涉及不多,并且通常可以表示為約束優(yōu)化問(wèn)題?,F(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(lái)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。
1.1.1 常規(guī)火電機(jī)組
通過(guò)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(lái)平分24 h,以此來(lái)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)
1.2.1 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)
1.3.1 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)
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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。
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(guò)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)
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(lái)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)
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。
首先系統(tǒng)中CHP機(jī)組在傳統(tǒng)的運(yùn)行方式下,通過(guò)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(guò)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(guò)利用采暖建筑物的蓄熱特性來(lái)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(guò)CHP機(jī)組對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的響應(yīng)來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō),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(lái)說(shuō),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(lái)說(shuō),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(guò)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(guò)在調(diào)峰困難時(shí)期,利用建筑物的蓄熱特性,來(lái)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(guò)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(wàn)元。
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(lái)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(guò)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。