王紹然， 陳立志， 付林

(1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司 白山供電公司，吉林 白山 134300；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830092； 3.國網(wǎng)新疆電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830002)

0 引 言

隨著世界環(huán)境污染和能源危機(jī)問題的日益嚴(yán)峻，新型清潔能源和節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品獲得人們越來越多的重視和青睞[1]。近年來風(fēng)力發(fā)電得到了快速的發(fā)展，電采暖也因能有效緩解冬季供暖的空氣污染問題和充分利用新能源而推廣度越來越大。但風(fēng)電功率具有明顯的反調(diào)峰特性[2]，而冬季電采暖用電負(fù)荷的大幅度增加會進(jìn)一步增大電力負(fù)荷峰谷差，導(dǎo)致系統(tǒng)會出現(xiàn)大量的棄風(fēng)現(xiàn)象。為增加風(fēng)電的棄風(fēng)消納量，需對熱電混合儲能系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化的控制策略進(jìn)行深入研究。

針對新能源風(fēng)電的消納問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究分析。文獻(xiàn)[3]對儲熱式電熱鍋爐的電供熱特性進(jìn)行了分析，提出了一種利用儲熱裝置的風(fēng)電消納優(yōu)化控制模型，但其消納的風(fēng)電棄風(fēng)量有限。文獻(xiàn)[4]建立包含風(fēng)電的電鍋爐一儲能聯(lián)合系統(tǒng)消納棄風(fēng)的電力系統(tǒng)聯(lián)合控制策略，對電儲能參與風(fēng)電消納的有效性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]以增加風(fēng)電消納量為目標(biāo)，提出了儲熱與電儲能相融合的優(yōu)化控制模型，但未考慮控制的經(jīng)濟(jì)性問題。文獻(xiàn)[6]以系統(tǒng)收益最大為目標(biāo)，建立了熱電混合儲能優(yōu)化控制策略模型，但未考慮電源側(cè)需求響應(yīng)的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)優(yōu)化控制結(jié)果仍有待提高。

本文建立了計(jì)及需求響應(yīng)的熱電混合儲能風(fēng)電消納優(yōu)化控制模型，通過仿真算例的優(yōu)化控制對比分析驗(yàn)證了本文方法的優(yōu)越性。

1 熱電混合儲能消納棄風(fēng)原理分析

1.1 電網(wǎng)棄風(fēng)原理分析

風(fēng)力發(fā)電的輸出功率具有隨機(jī)性和反調(diào)峰等特性，從而帶來了風(fēng)電消納難等問題，在電網(wǎng)負(fù)荷曲線保持不變的情況下，電網(wǎng)主要通過減少常規(guī)火電機(jī)組的出力來消納風(fēng)電的輸出功率[7]。目前電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組的出力與實(shí)際負(fù)荷需求的差值即為系統(tǒng)能消納的風(fēng)電功率PW,a(t)。

PW,a(t)=PL(t)-PG,min(t)

(1)

式中：PL(t)、PG,min(t)分別為t時(shí)刻的系統(tǒng)負(fù)荷和最小機(jī)組發(fā)電功率。

當(dāng)風(fēng)電輸出功率大于負(fù)荷實(shí)際需求與電網(wǎng)常規(guī)機(jī)組最小出力的功率差值時(shí)，超過的這部分功率即為棄風(fēng)功率，其在時(shí)間上的累積便為棄風(fēng)電量。系統(tǒng)t時(shí)刻的棄風(fēng)功率PY(t)和棄風(fēng)電量EY(t)的表達(dá)式為：

(2)

(3)

(4)

式中：PW(t)為系統(tǒng)風(fēng)電的總輸出功率；Pw(t)為單個(gè)風(fēng)電場的輸出功率；EY(t)為單次越限時(shí)段的總電量和；PW,a(t)為系統(tǒng)能消納的風(fēng)電功率。

1.2 熱電混合儲能系統(tǒng)分析

在冬季低溫的供暖時(shí)，“風(fēng)熱沖突”造成的棄風(fēng)情況非常嚴(yán)重，“風(fēng)熱沖突”的主要原因?yàn)闊犭姍C(jī)組“以熱定電”約束大幅降低了調(diào)峰能力，而配置儲熱設(shè)備是解決“以熱定電”約束的有效手段。為達(dá)到多消納棄風(fēng)功率的目的，儲熱式電鍋爐多采用跟蹤棄風(fēng)的運(yùn)行方式。對棄風(fēng)的消納能力主要由其受控調(diào)節(jié)能力決定，但儲熱式電鍋爐要受到電極棒調(diào)節(jié)速度、深度與頻次等的制約[8]，很難與風(fēng)電功率不確定特征相匹配。電池儲能具有時(shí)空平移能量的能力和快速響應(yīng)及能量的雙向流動(dòng)等優(yōu)良特性[9]。但儲能裝置容量相對較小，儲能因具有功率密度小和單位成本高等問題，無法單獨(dú)處理大規(guī)模棄風(fēng)問題。儲能若能協(xié)調(diào)儲熱式電鍋爐以更好地匹配風(fēng)電的輸出功率時(shí)間特征，則能進(jìn)一步提高風(fēng)電的棄風(fēng)消納能力。

風(fēng)電場多與城市供熱負(fù)荷較遠(yuǎn)，且供熱線路的建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和效率均較差。因此多采用非直供電模式，風(fēng)電場與熱電混合儲能的非直供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 熱電混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 計(jì)及需求響應(yīng)的熱電混合儲能優(yōu)化模型

風(fēng)電輸出具有的反調(diào)峰特征會導(dǎo)致出現(xiàn)大量棄風(fēng)，而需求響應(yīng)的引入，可以在一定程度上改善風(fēng)電反調(diào)峰特性，從而促進(jìn)風(fēng)電的消納。需求響應(yīng)指通過電價(jià)等引導(dǎo)機(jī)制，使用戶用電模式變化為供需互動(dòng)形式，從而使負(fù)荷與風(fēng)電的功率更為接近。基于電價(jià)的需求響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

式中：eij為i時(shí)段對j時(shí)段的需求彈性；ΔPli為引入需求響應(yīng)優(yōu)化后的負(fù)荷變化量；Pli為優(yōu)化前的負(fù)荷需求；ΔPj為優(yōu)化后的電價(jià)變化量；Pj為優(yōu)化前的電價(jià)。

可轉(zhuǎn)移負(fù)荷模型如式(6)所示[10]。

(6)

式中：SLin(t)、SLout(t)為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出總量;NSL為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷的種類量;NSLa為運(yùn)行時(shí)間大于一個(gè)時(shí)段的種類量;hm為供電的最大持續(xù)時(shí)間；Ik(t)、Ok(t)為負(fù)荷i的轉(zhuǎn)入量和轉(zhuǎn)出量;pi,k為可轉(zhuǎn)移負(fù)荷功率值。

本文以熱電混合儲能系統(tǒng)的運(yùn)行收益最大為目標(biāo)函數(shù)。計(jì)及需求響應(yīng)的熱電混合儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

其中

(8)

(9)

優(yōu)化模型還需滿足一定的約束條件，如功率平衡約束、儲能裝置能量約束、儲熱裝置能量約束和合約約束等，求解方法則采用改進(jìn)的粒子群算法[11]。

3 熱電混合儲能優(yōu)化實(shí)例分析

3.1 算例

本文采用 IEEE 30 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例作優(yōu)化分析，系統(tǒng)共包含火電機(jī)組4 臺、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組2 臺和風(fēng)力發(fā)電場1個(gè)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，具體參數(shù)見文獻(xiàn)[12]。模型求解使用CPLEX軟件，系統(tǒng)日負(fù)荷曲線及風(fēng)電功率曲線如圖3所示。負(fù)荷節(jié)點(diǎn)6、9、25的可轉(zhuǎn)移負(fù)荷量及對應(yīng)的轉(zhuǎn)移成本、響應(yīng)成本情況如表1所示。儲能鋰電池的配置成本為156 萬/MWh，運(yùn)維成本為22 萬/MWh。

圖2 IEEE 30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)日負(fù)荷曲線及風(fēng)電功率曲線圖

表1 可轉(zhuǎn)移負(fù)荷情況表

3.2 不同控制策略下的優(yōu)化結(jié)果分析

根據(jù)考慮需求響應(yīng)、儲熱是否參與優(yōu)化以及儲能是否參與優(yōu)化來改變系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。各控制策略具體情況如表2所示，然后對各情況進(jìn)行仿真計(jì)算分析，優(yōu)化模型的求解采用粒子群算法，求解后的收益及風(fēng)電消納結(jié)果如表3所示。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

表3 各控制策略下的優(yōu)化結(jié)果

由表3可知，當(dāng)不采用任何控制措施時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)電消納量為30.26%，消納風(fēng)電的收益為19.26萬元，此時(shí)系統(tǒng)棄風(fēng)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)性也較差，不利于環(huán)保及新能源的發(fā)展。當(dāng)系統(tǒng)單獨(dú)采用儲熱或儲能控制策略進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)電消納量和收益雖有一定程度的提高，但提高的程度較小。如果將儲熱和儲能共同參與優(yōu)化控制時(shí)，系統(tǒng)的風(fēng)電消納量為63.72%，收益為41.85萬元，風(fēng)電消納量和收益比不采取任何措施時(shí)分別提高了110.58%、117.29%。而若此時(shí)進(jìn)一步考慮需求響應(yīng)，則風(fēng)電消納量和收益可得到進(jìn)一步的提高，此時(shí)提高的程度分別可達(dá)到135.72%和140.34%。因此，本文計(jì)及需求響應(yīng)的熱電混合儲能優(yōu)化控制策略在消納風(fēng)電棄風(fēng)量時(shí)是最好的，經(jīng)濟(jì)性也是最好的。

4 結(jié)束語

本文以消納風(fēng)電后的系統(tǒng)收益最大為目標(biāo)，對計(jì)及需求響應(yīng)的熱電混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制研究。通過算例結(jié)果表明儲熱或儲能裝置均能在一定程度上提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納量和收益，將儲熱和儲能進(jìn)行有效融合后的優(yōu)化控制效果更好。而考慮負(fù)荷側(cè)的需求響應(yīng)后可進(jìn)一步提高優(yōu)化控制的效果。本文計(jì)及需求響應(yīng)的熱電混合儲能優(yōu)化控制策略能獲得最大的風(fēng)電消納量及運(yùn)行收益。系統(tǒng)風(fēng)電消納量和運(yùn)行收益提高的程度分別可達(dá)到135.72%和140.34%。本文研究成果可為風(fēng)電棄風(fēng)的消納及新能源的發(fā)展提供有效的理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。