曹鈺，房磊

(1. 酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 酒泉 735000；2. 蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在全世界面前莊嚴(yán)宣告了3060 雙碳目標(biāo)。針對國家提出的“雙碳”目標(biāo)，大力發(fā)展新能源發(fā)電是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必經(jīng)之路。目前“三北”地區(qū)冬季供暖期存在的大量棄風(fēng)問題嚴(yán)重阻礙了風(fēng)電等新能源的發(fā)展[1-3]。究其原因，主要在于該區(qū)域熱電機組在熱電聯(lián)產(chǎn)運行模式下調(diào)峰能力大幅減弱，大量風(fēng)電沒有足夠的空間并網(wǎng)，導(dǎo)致嚴(yán)重棄風(fēng)[4-6]。

為進一步提高“三北”地區(qū)風(fēng)電等新能源發(fā)電的消納能力，最直接有效的方法是提高熱電機組的調(diào)峰能力[7]。目前對熱電機組配置儲熱的運行模式已有部分研究。丹麥、德國等在實時電價引導(dǎo)下通過配置儲熱以解耦熱電機組“以熱定電”運行約束，從而提高熱電機組調(diào)峰能力[8-9]，這對發(fā)展新能源具有積極的促進作用。為降低系統(tǒng)棄風(fēng)量，中國相繼出臺了一系列激勵火電機組參與調(diào)峰的政策[10-12]。然而，火電機組參與調(diào)峰在經(jīng)濟性上存在一定劣勢，且往往伴隨著大量的碳排放。隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，熱電機組-儲熱聯(lián)合運行參與系統(tǒng)調(diào)峰將是解決棄風(fēng)問題的有效途徑。目前國內(nèi)實時電價政策尚不成熟，要實現(xiàn)熱電機組-儲熱最優(yōu)經(jīng)濟運行，需將熱電機組-儲熱聯(lián)合運行模型納入系統(tǒng)調(diào)度模型中，在系統(tǒng)層面形成電熱綜合調(diào)度模型[13-21]。

為此，本文在分析熱電機組運行特性的基礎(chǔ)上，研究了熱電機組配置儲熱后調(diào)峰能力變化情況，討論了二者的聯(lián)合運行機制，并建立了系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型。

1 熱電機組-儲熱聯(lián)合運行消納棄風(fēng)機理

1.1 配置儲熱前熱電機組運行特性分析

圖1 為抽汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電熱特性曲線。由圖1 可看出，當(dāng)機組熱功率為0 時，機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍最寬，為[Pe,min，Pe,max]，即圖1中的D、A兩點之間；圖1 中B點表示機組最大供熱功率，此時為滿足系統(tǒng)熱負荷需求，機組將失去調(diào)峰能力；圖1 中AB段和CD段由機組進氣量決定，當(dāng)機組運行在該區(qū)域時，其最大和最小發(fā)電功率將隨熱功率的增加呈下降趨勢；BC段為機組背壓彈性曲線，當(dāng)機組運行在該區(qū)域時，機組最小發(fā)電功率將隨機組熱功率的增加而增加。

圖1 熱電機組電熱特性Fig. 1 Electricity-heat characteristic of thermoelectric unit

由圖1 可見，當(dāng)供熱功率為Ph,med時，機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將達到臨界狀態(tài)，此時當(dāng)供熱功率繼續(xù)上升時，機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將急劇下降。當(dāng)機組的供熱功率為Ph時，機組的發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將縮小為F、E兩點之間；其中E點代表此時機組最大發(fā)電功率，F(xiàn)點代表此時機組最小發(fā)電功率。隨著機組供熱功率的逐漸增加，機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍將進一步縮小，直至喪失調(diào)峰能力，從而無法為風(fēng)電提供足夠的并網(wǎng)空間，導(dǎo)致大量棄風(fēng)。這是熱電機組因“以熱定電”運行約束造成“三北”地區(qū)大規(guī)模棄風(fēng)的主要原因。

配置儲熱前抽汽式熱電機組的電熱特性可表示為

式中：Pe,min、Pe,max分別為機組熱功率為0 時的最小、最大發(fā)電功率；Ph,min、Ph,max分別為機組的最小、最大供熱功率；cm=ΔPh/ΔPe為背壓彈性系數(shù)，表示熱電機組供熱功率與發(fā)電功率之間的耦合關(guān)系；cv1和cv2為多抽取單位進氣量時所對應(yīng)發(fā)電功率的減少量；K為機組參數(shù)，取常數(shù)。

1.2 配置儲熱后熱電機組運行特性分析

熱電機組配置儲熱系統(tǒng)后，通過熱電機組-儲熱系統(tǒng)聯(lián)合協(xié)調(diào)運行，可實現(xiàn)熱功率靈活供給。圖2 為配置儲熱后熱電機組電熱運行特性曲線。

從圖2 中可看出，配置儲熱后熱電機組發(fā)電功率和供熱功率均發(fā)生了變化。配置儲熱后，機組供熱功率在Ph,max的基礎(chǔ)上增加了Ph,fmax，變?yōu)镻h,max+Ph,fmax。此時熱電機組運行范圍在原ABCD的基礎(chǔ)上拓展為AGIJKL，機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍明顯提升。

圖2 配置儲熱后熱電機組電熱運行特性曲線Fig. 2 Electricity-heat characteristic of thermoelectric unit with heat accumulator

對同一供熱功率Ph而言，機組在配置儲熱前，輸出的發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍為[PE，PF]；而配置儲熱后機組發(fā)電功率調(diào)節(jié)范圍為[PM，PH]，調(diào)峰能力明顯增強。配置儲熱后機組電熱特性可表示為

1.3 棄風(fēng)消納機理分析

設(shè)機組在一天內(nèi)，系統(tǒng)電負荷平時段、峰時段和谷時段持續(xù)的時間分別為TP、TF、TL。假設(shè)機組在電負荷平時段，即腰荷段儲存的熱量為QS，如果將儲存的熱量在電負荷低谷時間段全部釋放，則提供的單位時間調(diào)峰容量增量為cm·QS/TL，相當(dāng)于在電負荷低谷時段熱電機組發(fā)電功率降低cm·QS/TL，可為風(fēng)電提供同等容量的上網(wǎng)空間，有效解決負荷低谷時期棄風(fēng)現(xiàn)象。

2 熱電機組-儲熱聯(lián)合運行策略分析

2.1 配置儲熱前熱電機組調(diào)峰容量分析

熱電機組的調(diào)峰容量可用日內(nèi)某一時刻熱負荷下機組最大發(fā)電功率和最小發(fā)電功率之差表示。以圖2 為依據(jù)，熱電機組調(diào)峰容量可表示為

2.2 配置儲熱后熱電機組調(diào)峰容量分析

為計算配置儲熱后熱電機組的日調(diào)峰容量，需對儲熱系統(tǒng)在腰荷和谷荷時段最大儲熱量和最大補償供熱量進行比較，以此來確定其運行策略。在考慮熱平衡約束、儲熱系統(tǒng)最大儲熱功率以及儲熱容量的基礎(chǔ)上，分析在腰荷、峰荷時段儲熱系統(tǒng)最大儲熱量。

腰荷時段可表示

根據(jù)腰荷時段及峰荷時段儲熱系統(tǒng)最大儲熱量QS,P+QS,F和谷荷時段儲熱系統(tǒng)最大補償熱量QD,L之間的大小，進一步確定儲熱系統(tǒng)的調(diào)峰容量增量和采用的運行機制。

（1）當(dāng)QS,P+QS,F≤QD,L時，儲熱系統(tǒng)在系統(tǒng)電負荷平時段和峰時段蓄熱，在谷時段放熱，從而獲得機組最大調(diào)峰容量。此時儲熱系統(tǒng)在谷荷時間段所需提供的最大平均熱功率為

（2）當(dāng)QS,P+QS,F≥QD,L時，儲熱系統(tǒng)需在系統(tǒng)電負荷平時段儲熱，在谷時段優(yōu)先供熱，以獲得機組最大調(diào)峰容量。

由于在腰荷時段蓄熱充足，儲熱系統(tǒng)可以滿足谷荷的最大放熱需求，因此在谷荷時補償?shù)淖畲笃骄峁β蕿?/p>

從式（11）（12）可看出，通過儲熱系統(tǒng)的補償作用，熱電機組可將最小出力降至最低水平。

儲熱系統(tǒng)剩余的熱量用于在峰荷時段放熱，故在峰荷時可補償?shù)钠骄畲蠓艧峁β蕿?/p>

熱電機組配置儲熱后日調(diào)峰容量在C0的基礎(chǔ)上增加了ΔC，可有效解決風(fēng)電消納問題。

3 熱電機組-儲熱聯(lián)合調(diào)度模型

3.1 目標(biāo)函數(shù)

以系統(tǒng)煤耗量最低為目標(biāo)函數(shù)，其中，風(fēng)電機組的煤耗量可視為0，因此只需考慮熱電機組及純凝式火電機組的煤耗量即可。

火電機組的煤耗量為

將式（16）代入式（17）中可得熱電機組的

式中：T為調(diào)度周期；N為系統(tǒng)火電機組數(shù)量；M為系統(tǒng)熱電機組數(shù)量。

3.2 約束條件

3.2.1 機組約束條件

（1）系統(tǒng)功率平衡約束。

熱負荷平衡約束為

4 算例分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文數(shù)據(jù)取自某地區(qū)實際電源比例結(jié)構(gòu)，共包含A、B 2 個電廠，共有6 臺熱電機組、2 臺火電機組及1 個300 MW 的風(fēng)電廠。其中1～6 號為熱電機組，7 號和8 號為純凝火電機組。A 電廠由1～3 號熱電機組和7 號火電機組組成；B 電廠由4～6 號熱電機組和8 號火電機組組成。

假設(shè)地區(qū)的熱負荷為900 MW，且熱負荷在調(diào)度周期內(nèi)保持不變。分別為A 電廠和B 電廠配置儲熱容量為1 000 MW·h，最大充放熱功率為100 MW 的儲熱系統(tǒng)。電源結(jié)構(gòu)如表1 所示，機組相關(guān)參數(shù)如表2 和表3 所示。本文以24 h 為一個調(diào)度周期。

表1 電源結(jié)構(gòu)Table 1 The power source structure

表2 機組參數(shù)1Table 2 Unit parameters 1

表3 機組參數(shù)2Table 3 Unit parameters 2

4.2 調(diào)度結(jié)果分析

4.2.1 風(fēng)電消納情況分析

本文對有無配置儲熱2 種情況進行仿真計算，結(jié)果分別如圖3、圖4 所示。

圖3 配置儲熱前各類機組發(fā)電功率Fig. 3 Power generation of various units before heat storage is configured

圖4 配置儲熱后各類機組發(fā)電功率Fig. 4 Power generation of various units after heat storage is configured

從圖3 和圖4 可看出，在系統(tǒng)總發(fā)電功率不變的情況下，各機組的發(fā)電功率在儲熱配置前后發(fā)生了明顯變化。在電負荷低谷時段，儲熱系統(tǒng)通過放熱承擔(dān)系統(tǒng)的部分熱負荷，以增加熱電機組的調(diào)峰容量，使得熱電機組進一步降低自身的發(fā)電功率，為風(fēng)電并網(wǎng)提供上網(wǎng)空間。圖5 為2 種方式下風(fēng)電消納曲線。由圖5 可看出，在電負荷低谷時段（次日01:00—08:00），風(fēng)電并網(wǎng)功率明顯增加，有效降低了棄風(fēng)量。

圖5 2 種方式下風(fēng)電消納曲線Fig. 5 Wind power consumption curve in two ways

4.2.2 機組調(diào)度結(jié)果分析

圖6、圖7 分別為配置儲熱方式下熱電廠A、B 中熱電機組的發(fā)電功率和供熱功率曲線?？梢钥闯觯跓o儲熱的方式下，由于熱電機組受到“以熱定電”運行約束，熱電機組熱出力始終保持在1 350 MW，從而導(dǎo)致電負荷低谷時段因熱電機組缺乏調(diào)峰容量，占據(jù)了大量電網(wǎng)空間，造成大量棄風(fēng)。配置儲熱后，儲熱系統(tǒng)可在系統(tǒng)調(diào)峰容量不足時釋放熱量，以降低熱電機組供熱壓力，提高其調(diào)峰能力，實現(xiàn)了能量的平移。

圖6 熱電廠供熱功率曲線Fig. 6 Heating power curve of thermoelectric plant

圖7 熱電廠發(fā)電功率曲線Fig. 7 Power curve of thermoelectric plant

圖8、圖9 為儲熱系統(tǒng)充、放熱功率及其儲熱量變化曲線。由圖8 可看出，儲熱系統(tǒng)主要在負荷峰、平時段儲熱，此時放熱功率為0，儲熱量不斷攀升，到22:00 時儲熱系統(tǒng)儲熱量達到最大值。在之后的電負荷低谷時段，儲熱系統(tǒng)開始放熱，此時蓄熱功率為0，儲熱量不斷降低。儲熱系統(tǒng)協(xié)助熱電機組承擔(dān)部分熱負荷以提高熱電機組調(diào)峰容量。

圖8 儲熱系統(tǒng)蓄、放熱功率曲線Fig. 8 Heat storage and discharge power curve

圖9 儲熱系統(tǒng)儲熱容量Fig. 9 Heat storage capacity of system

表4 為配置儲熱前后火電機組發(fā)電量、熱電機組發(fā)電量及風(fēng)電消納量。由表4 中數(shù)據(jù)可以看出，配置儲熱前后，熱電機組的發(fā)電量變化很小，這是由于在整個調(diào)度周期內(nèi)，儲熱系統(tǒng)只是對熱電機組的能量進行了轉(zhuǎn)移，而并未削減其總發(fā)電量，因此對熱電廠效益幾乎不產(chǎn)生影響?；痣姍C組發(fā)電量有了明顯的下降，這是因為儲熱系統(tǒng)通過增加熱電機組調(diào)峰容量使得電網(wǎng)能接受更多的風(fēng)電以替代火力發(fā)電。

表4 配置儲熱前后各類機組發(fā)電量Table 4 Power generation of various units before and after configuration of heat storage

5 結(jié)語

本文在深入分析“三北”地區(qū)棄風(fēng)消納機理的基礎(chǔ)上，制定了熱-電綜合系統(tǒng)聯(lián)合運行機制，并基于此建立了系統(tǒng)電熱綜合調(diào)度模型，利用Cplex 對模型進行求解。

算例分析表明：配置儲熱后火電機組發(fā)電量在一個調(diào)度周期結(jié)束后下降996 MW·h，對應(yīng)的風(fēng)電并網(wǎng)電量增加了987 MW·h，較配置儲熱前，風(fēng)電消納率提高了13.9%。配置儲熱前機組煤耗為17 426.607 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，配置儲熱后機組煤耗下降為16 138.990 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，較配置儲熱前節(jié)約了約8%的標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，配置儲熱對解決“三北”地區(qū)風(fēng)電消納，降低碳排放及促進風(fēng)電等新能源發(fā)展具有積極作用。