电锅炉-储能联合消纳弃风的方法研究

杨效嘉，杨俊友

(沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

在当前全球能源安全问题突出、环境污染问题严峻的大背景下，大力发展风电、太阳能发电、水电等可再生能源势在必行[1]。随着科技的发展，继水能之后，风能成为世界范围内公认的最具发展潜力的可再生能源，它不像水能利用需要天然的地理优势与资源条件，因此，风电深受世界各国的青睐，世界各国都投入大量资金增加对风电场的建设。然而，随着风电规模的不断扩大，因风电场的随机波动特性不利于电网稳定运行，导致大量风电不能并网，弃风电量越来越多。尤其是在我国的 “三北”地区，风电装机容量大，同时热电联产的热电耦合效应使得“三北”地区弃风频繁发生。如何消纳风电己经成为制约我国风力发电发展的关键问题之一[2]。

为有效解决风电消纳问题，国内外许多专家和研究机构对此进行了大量研究。目前，实现风电消纳的方法主要分为两大类：一是利用可控柔性负荷，电网通过调控手段实现风电消纳；二是利用储能设备，通过储能用能参与抑制风电波动，减少风电上网对电网稳定性的影响，从而增加风电上网量，减少弃风。文献[3-4]对可控负荷蓄热式电锅炉的技术和经济特性作了详细分析，包括它的技术、经济特性和未来发展前景，通过分析可知，蓄热式电锅炉的性价比要高于燃煤锅炉。文献[5]中为解耦“以热定电”约束，降低热电机组热负荷峰值，提高电网负荷谷值，提出在二级热网中增设调峰电锅炉的方法，该方法能有效减少弃风。文献[6]将可控负荷热泵加到热电联产机组的调度模型里，解耦了“以热定电”约束，使风电上网量增加，减少了电网弃风。文献[7-8]指出除抽水蓄能外，电池储能、超级电容储能、压缩空气储能均可以提高电网中可再生能源利用率和系统稳定性。文献[9]将储能技术和需求侧管理结合起来，通过控制负荷分配，提高风电利用量，减少了弃风现象。文献[10]搭建了蓄热、风电供热及抽水蓄能3种消纳弃风方案的经济调度模型，并对3种方案下的节电效果和经济性进行了分析比较。通过上述分析可知，目前对于利用电锅炉或蓄电池消纳弃风的方案都有了较为深入的研究，但无论是电锅炉还是蓄电池都存在一些不足之处。利用风电供暖消纳弃风，电锅炉因电极棒受调节速度、深度和频率制约，功率调节受到限制，难以快速与风功率相匹配；而蓄电池则由于技术、设备和经济的原因，其大容量工程利用还存在一定的困难。

本文针对电锅炉与储能消纳弃风时存在的问题，将两种方式相结合，对电锅炉-储能协同消纳弃风进行研究。首先，介绍了电锅炉-储能协调消纳弃风的基本原理；其次，提出电锅炉跟踪风电弃风控制策略以及蓄电池常参数功率差协调控制策略；最后，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真软件，仿真比较了仅电锅炉工作以及电锅炉与储能装置协同作用的消纳弃风能力，仿真结果表明储能协调电锅炉消纳弃风的有效性。

1 电锅炉-储能消纳弃风基本原理

利用电锅炉风电场采暖虽可以消纳一定弃风，但限于电锅炉调节特性的制约，不能与风电功率很好匹配。储能技术具有电能双向流动、能量时移等特点，将储能技术与电锅炉结合起来进行弃风消纳，则能有效匹配风电固有特性，风电消纳更为彻底。储能协调电锅炉消纳风电的系统总体结构如图1所示。利用电锅炉和蓄电池与风电出力配合，根据弃风的实际情况对两者进行调节，一方面，将弃风功率转化成热功率可以增加本地负荷，达到提高风电消纳能力的效果；另一方面，当电锅炉不足以完全消纳所产生的弃风时，此时可利用蓄电池的储能特性，将多余的弃风储存起来，更进一步提高了风电的消纳能力，弃风功率得到更加充分利用，从而达到弃风消纳的目的。

图1 系统总体结构

2 电锅炉-储能消纳弃风的控制策略

2.1 电锅炉跟踪弃风控制策略

电锅炉跟踪弃风优化运行控制基于电锅炉系统自身的运行约束，考虑时序弃风功率对电锅炉运行的影响，可将电锅炉看作是一种可控柔性负荷，将弃风功率作为决策因素来控制电锅炉的运行状态以及运行功率。

若当前t时刻弃风功率高于电负荷需求，则电锅炉进行风电直接供热消纳弃风电量。不同时段弃风功率有差异，导致电锅炉的运行功率有所差异，其运行功率可在0到额定功率之间任取。当弃风功率Pqf≥电锅炉额定运行功率Peh时，电锅炉以额定功率Peh运行；当弃风功率0

2.2 蓄电池常参数功率差控制策略

常参数功率差控制策略根据日负荷预测曲线，计算得出储能系统参与充电的上限功率与放电的下限功率。具体计算流程如图2所示。

图2 蓄电池常参数功率差控制策略流程

图2中，Pf、Pg分别为用电峰、谷时刻的负荷功率；Ec为总充电量；Ed为总放电量；ε为某一接近0的常数；E为储能系统容量；Δt为单位时间。经以上步骤计算，可确定储能系统放电时负荷的下限功率P1与储能系统充电时负荷的上限功率P2。

3 算例仿真与结果分析

3.1 算例参数

利用DIgSILENT /PowerFactory仿真软件，搭建1个包含风电的电锅炉-储能消纳弃风的小型电力系统，其系统结构如图3所示。风电场规模为200 MW，系统配置电锅炉容量为30 MW，电热转换效率取1。储能系统为钒液流电池，额定功率为30 MW，额定容量为100 MWh。辽宁省某地区典型日负荷曲线和风电预测出力曲线如图4、图5所示。同时，基于电价考虑，将蓄热式电锅炉运行时间设置为每日22：00至次日5:00。该地区电采暖分时电价如表1所示。

图3 电锅炉-储能联合系统仿真图

项别峰段平段谷段时段7:00—11:0019:00—23:0011:00—19:0022:00—5:00电价/元0.699 80.489 80.279 8

为了突出所构建模型弃风消纳的能力，本文算例分2种工况进行仿真。

工况1：电锅炉与蓄电池均不工作，风电完全由电负荷消纳，在夜间电负荷减少，风电增加，弃风现象严重。

工况2：电锅炉与蓄电池协同工作，同时对电锅炉和蓄电池进行控制，极大提高了电网弃风消纳能力。

图4 风电预测功率曲线

图5 电负荷需求

3.2 结果分析

采用电锅炉融合储能方式消纳风电，系统运行方式如图6—图8所示。

图6 电锅炉运行功率曲线

图7 蓄电池运行功率曲线

图8 配置电锅炉-储能前后风电出力曲线

图6—图7中，在夜间22 ：00—24 ：00时段，弃风功率低于电锅炉的额定运行功率，电锅炉以20 MW的功率跟踪弃风电量运行，此时通过电锅炉采暖供热能完全消纳弃风，蓄电池处于静置状态；在1：00—5：00时段，电负荷处于低谷时段，而风电则明显增多，此时弃风功率高于电锅炉的额定运行功率，电锅炉以最大功率30 MW运行，利用风电采暖供热消纳弃风，同时，控制蓄电池进行工作，配合电锅炉消纳弃风，将电锅炉利用不了的剩余弃风以电能的形式储存到蓄电池中，供白天用户使用；在11：00—13 ：00 、16 ：00—19 ：00和20 ：00—22 ：00时段，用电负荷处于高峰期，蓄电池将夜间储存的电能释放供用户使用，减少了其他供电机组的发电，节约了燃料，提高了经济效益。

图8中给出了采用本文提出的电锅炉融合储能的协调优化控制方法消纳风电的情况。未配置电锅炉储能系统时，24 h弃风电量高达305 MWh；接入电锅炉储能系统后，弃风电量为45 MWh，电锅炉储能系统共消纳260 MWh的弃风电量。

4 结论

本文针对“三北”地区冬季弃风现象严重的问题，提出将电锅炉与储能装置相结合主动消纳弃风的技术方案，通过算例结果比较了配置电锅炉储能联合系统前后消纳弃风的能力，得到以下结论。

a.在电网中配置电锅炉储能联合系统，能有效扩大系统的弃风消纳空间。与不加电锅炉储能联合系统时相比，系统总的弃风电量从305 MWh减至45 MWh。

b.电锅炉融合储能跟踪弃风功率运行方式可最大程度地消纳弃风，同时，可以利用储能解决电锅炉与风电不能很好匹配的问题，且能有效减少系统的运行成本。

综上所述，本文所提出的方法可进一步增加电网消纳弃风的能力。