考虑供热机组与电锅炉互动的热电协调调度方法

谭晶，蔡莹，罗微，张德亮，张炎增，李展

(1.广州供电局有限责任公司，广东 广州 510620；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

供热机组“以热定电”的运行要求大大限制了供热机组出力的调节范围，造成了低谷时段调峰能力不足，这也成为风电等清洁能源消纳的重要限制因素[1-2]。在供热环节增加电锅炉等电热设备作为热源补充，能大大提升供热机组的运行灵活性，已成为当前解决由于供热机组比例较高，导致调峰能力不足的有效途径。

在上述背景下，研究供热机组与电锅炉的协调运行控制方法，对于提升供热机组和电锅炉的运行效率具有非常重要的作用。文献[3]根据供热机组的热电特性，提出了热电负荷最佳分配方法，在保证满足供热要求的前提下提升电力调节能力。文献[4]提出了计及杂散损耗的供热机组能量平衡模型修正方法，以解决供热机组热电特性协调建模问题。文献[5-6]提出了考虑供热机组运行特性的清洁能源消纳能力的评估方法，基于该方法能够测算出不同的热负荷和电负荷需求下调峰能力变化情况。文献[7-8]重点研究了含热电联产和电锅炉的调度运行方法，重点解决凸运行特性下的供热机组优化运行问题。

供热机组、电锅炉运行要求建模是解决供热机组和电锅炉协调运行控制的核心问题。为此，本文首先深入分析了供热机组和电锅炉的运行特性，提出了其协调控制优化的约束要求；进一步结合供热系统和供电系统运行要求，提出了考虑供热机组与电锅炉互动的热电协调优化调度方法；最后基于IEEE-30节点系统构造算例，验证了本文所提出方法的有效性。

1 供热机组与电锅炉运行控制要求

1.1 供热机组运行控制要求

供热机组，也称为热电联产机组，是在同一发电机组内同时完成发电与供热两种能源形式供应的发电设备。按照当前我国供热机组的调度运行要求，供热机组在供热和发电上按照“以热定电”的方式进行电力调度。供热机组在协调优化中不仅需要考虑其与常规机组相同的电力运行要求，还需要考虑其供热特性要求，主要包括热电耦合约束和成本特性两个方面。

1)热电耦合约束

对于供热机组在不同供热量下出力调节范围不同，当以供热量作为横坐标，发电量作为纵坐标绘制其供热-发电特性曲线时，所得的供热-发电运行区域存在两种情况[9-10]425，分别为凸运行特性情况(如图1所示)和非凸运行特性情况(如图2所示)。凸运行特性下供热机组的运行特性可表示为：

(1)

非凸特性下供热机组的运行特性可表示为：

(2)

图1 运行区域为凸多边形时的示意图

图2 运行区域为非凸多边形时的示意图

实际上，绝大部分供热机组的运行区域都为凸多边形区域，极少量供热机组运行区域为非凸多边形时，也可以采用式(4)所示的方法将其转化为凸多边形形式表示。因此为了简化模型表示形式，本文假定所研究对象均为凸多边形运行区域的供热机组。

2)成本特性

(3)

1.2 电锅炉运行控制要求

所谓电锅炉，是指将电能转化为热能的设备，常见的电暖气、电热器等设备均可视为电锅炉，则其运行控制需要满足：

(4)

2 热电协调优化建模与求解

2.1 协调优化目标

协调优化目标可选为煤耗最低、运行成本最低等多个类型。结合本文研究需要，不影响整体分析，在本文中选择煤耗最小作为协调优化目标，并在目标中同时考虑纯发电机组、供热机组两种类型电源。则上述目标可表示为：

中国社会经济系统分析研究会主办的会刊《科学决策》杂志，系1994年12月创刊的国家一级综合类学术期刊，该杂志在学术研究领域一直得到好评。2015年7月，中国社会经济系统分析研究会官方网站正式开通，网站将提供研究会及专业委员会的研究活动，加强与专家学者和社会的沟通交流。

(5)

2.2 协调优化约束

所需要考虑的协调优化约束项包括电网运行约束、供热端运行约束、供热机组运行约束、常规机组运行约束四类。电锅炉视为普通用电器，这里不对其特性单独建模。

1)电网运行约束

电网运行约束是指电网运行所必须满足的运行约束条件，包括电力电量平衡约束、断面潮流约束，可表示如下：

(6)

2)供热端运行约束

供热机组运行约束为在满足“以热定电”要求下的供热机组运行约束，如式(1)～式(2)所示。此外还需要满足供热量恒定的要求，可表示如下：

(7)

常规机组运行约束是指对纯发电机组和风电机组出力运行特性的约束项，包括出力上下限和爬坡速率约束，可表示为：

(8)

3 算例分析

3.1 基础数据

本文将在IEEE-30节点系统基础上构造算例，以验证本文所提出方法的有效性。

图3 IEEE-30节点系统

IEEE-30节点系统网络接线图如图3所示。

在此基础上，本文在该算例中设定6台机组类型包括：2台纯发电机组、2台供热机组和2个风电场。6个电源的基本参数如表1所示。2个风电场预测出力曲线如图4所示，可以看出两处风电场的逆调峰现象显著，该特性与实际风电运行特性相符，也是造成电网调峰压力的主要因素。供热机组的运行特性曲线均为凸多边形运行区域，相应节点坐标标注方式见图1。其中节点8的供热机组有4个顶点，坐标分别为：(0,75)、(50,80)、(0,150)、(60,120)；节点11的供热机组有4个顶点，坐标分别为：(0,100)、(70,120)、(0,200)、(80,160)。

表1 机组参数

图4 风电预测出力曲线

3.2 算例分析

规定节点8和节点11的供热机组均须要在夜间低谷时段(00∶00-07∶00)向用户供热，节点8供热机组对应供热用户供热需求量为50 MW，节点11供热机组对应供热用户供热需求量为40 MW。考虑两种情况下的运行情况：①供热用户不增加电锅炉设备，按照“以热定电”的供热机组运行原则，在保证50 MW的供热量前提下，相应的弃风功率曲线如图5所示；②供热用户增加电锅炉设备，在供热用户处增加电锅炉设备，并规定与节点8和节点11供热机组对应的供热用户处增加电锅炉功率上限均为30 MW。据此进行系统优化分析，弃风功率曲线如图6所示。从弃风电量角度对比上述两种情况运行效率，可以发现当不增加电锅炉时，系统弃风电量达到284.1 Mw·h，而增加两处电锅炉后，弃风电量仅为17.8 Mw·h。

图5 情况一弃风功率曲线

图6 情况二弃风功率曲线

4 结束语

本文提出了考虑供热机组与电锅炉互动的热电协调优化调度方法。算例表明：在保证“以热定电”的基本前提下，通过增加电锅炉设备能大大提升供热机组的运行灵活性，同时为弃风电量消纳创造空间，提升风电消纳能力。