基于弃风-热的采暖负荷的联合调度补偿方法研究

(1.国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011;2.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 834200； 3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211100)

0 引 言

风电由于其可再生和无污染的特点，在减少大气污染和可持续发展战略中起着重要的作用[]。但是由于近几年新能源机组和负荷严重的不匹配增长[2]，是导致新疆地区“弃风”的主要原因。目前提高新能源消纳的方法有柔性负荷主动参与调峰[3-4]、火电机组改造[5]、抽水蓄能电站建设[6]、特高压外送通道建设[7]以及电能替代[8]等措施。

负荷主动参与到电力系统的调度中，可以减少电网或者电源的建设费用。文献[9]提出了基于等舒适度损失原则的空调调温策略。文献[10]根据人体舒适度，建立不同的空调负荷控制模式。文献[11]通过单条馈线上风速和电采暖负荷的分布，计算电采暖和风速分布的相关性。文献[12]根据温度预报的电采暖控制，挖掘了电采暖在电力系统的巨大潜力。文献[13]通过对比不同供热方式，验证了新能源电采暖方式的环境和价格优势。文献[14]提出了间歇供暖的方式，但是在严寒地区可能造成壁面结露，在新疆地区并不适应。文献[15]分析了新疆某地区不同电采暖负荷的优缺点。

但是上述文献均是将某条线路上电源与负荷或者局部电源与负荷结合分析，没有专门针对弃风或者弃光进行分析；而在电力市场研究中，采用构造极端数据而没有具体结合到实际算例[16]进行研究。

下面将“弃风”电量和采暖负荷相结合，进行联合调度，通过补偿平衡各方利益，促进新能源的消纳；提出了一种基于采暖负荷跟随风电出力变化从而实现系统成本最低的调度方法。通过新疆某地区的实际算例，验证了所提联合调度方法在技术上的有效性，并在实际的补偿方法中具有较高的效率指数，对实际电采暖负荷的推广有指导意义。

1 采暖负荷模型、联合调度方法及补偿方法

1.1 采暖负荷建模

采暖负荷的建模仅考虑了热的暂态过程实现热的暂态平衡，没有考虑热的动态过程。首先根据等效房间计算出不同内、外温条件下所需的单位面积供热功率，然后计算出当地集中供热总面积下的供热功率。

在构建等效的房间内热力学模型时，考虑了每天的散热指标以及房间内空气参数、不同墙体之间导热的差异性，构建了房间内温度和其他相关参数的状态方程[16]。等效单位房间面积上单位时间内等效用户的采暖计算公式为

(1)

式中：Q为单位房间内单位时间的传输热量；A、S分别为用户房间的总面积、外表面积;ξ为房间散热指标;Tin(t)为室内温度;Tout(t)为室外温度。

推导出简化的热力学参数方程[12]，描述电采暖的动态过程为

(2)

1.2 联合调度方法

首先计算出该地区房间内恒温度所需的采暖负荷量；然后根据弃风量，在约束条件下采用不同的温度调度方法；最后根据各方的电量信息，平衡各方收益来确定补偿方法。联合调度模型如图1所示。

图1 联合调度模型

1.3 补偿方法效率评价指数

风电企业将采暖用户多付出的电费用补偿后，在剩余的利润中，通过不同的方案补偿燃气供热机组并计算出其效率化指标。

当供热全部由风力发电提供的情况下，效率是最高的，将其效益指标均一化为1，然后计算出其他模式下的效率化指数。

第1种方法是风电企业完全补偿燃气供热机组的利润；第2种方法是对燃气供热机组售价进行补偿；第3种方法是燃气供热机组供热按照电费售价进行补偿。3种补偿方式分别由S1、S2、S3表示。

1)计算出双方不同温度控制目标下不同补偿模式收益的平均值

(3)

2)计算出不同温度控制目标下不同补偿模式的标准差δi。

(4)

3)计算出公平性指标f

f=δi/δe

(5)

式中：δe是风电完全供热的收益；δi为3种补偿模式下的标准差。

2 电采暖负荷跟随风电出力的调度方法

2.1 目标函数

联合调度目标是在不增加采暖用户费用的基础上，减少更多的弃风，同时平衡供热机组与风电企业的利润。

系统成本最小的调度目标函数为

(6)

供热机组的供热成本为

(7)

式中：CH为供热负荷的成本；d、e、f为供热机组的运行参数。

原调度方法的供热机组的收益Rw1为

(8)

第2种补偿方法中供热机组参与联合调度的收益Rw2为

(9)

第3种补偿方法中供热机组的收益Rw3为

(10)

式中，re为电采暖价格。

由于是弃风电量参与联合调度，因此可以认为风电企业该部分的成本为0。

风电企业的收益为

(11)

式中：Rw为风电企业收益；rd为电网企业支付给风电企业的费用；rt为国家对风电企业的补贴费用。

电采暖负荷实施需求响应的补贴成本为

(12)

2.2 约束条件

1)热功率平衡约束

(13)

2)供热机组约束

出力约束：

(14)

爬坡约束：

ht/ht-1≤RAMPup

(15)

ht/ht-1≤RAMPdown

(16)

式中，RAMPup、RAMPdown分别为供热机组功率最大上行和下行爬坡速率。

电采暖的响应时间非常短，没有爬坡约束条件；电采暖的功率约束条件为

(17)

人体对温度舒适度的约束如图2所示。

图2 人体温度与舒适度隶属度关系

3 算例仿真

3.1 地区情况分析

新疆某地区风电装机容量1791 MW，由于其常规负荷较小，弃风率可达20%。其中算例当天风力实际发电为16 537.5 MWh，理论风力发电量为19 849.7 MWh，弃风电量为3 312.2 MWh；该地区集中供暖面积为6.65×106m2，其中供热机组1台，技术参数如表1所示[3]。供热的价格为350元/MWh，供电的价格为400 元/MWh。

表1 供热机组参数

图3 温度曲线

该地区2017—2018年采暖季节的最低温度为13 ℃，选取该地区1月29日作为算例研究，该日的温度变化曲线如图3所示。该地区风力的实际发电量、理论发电量和弃风电量如图4所示。

图4 风力发电曲线

等效建筑物的建筑面积为120 m2，参数如表2所示。

表2 等效房间参数

按照式(2)计算出该地区随气温变化下室内温度分别为20～24 ℃所需要的采暖负荷的功率如图5所示。

图5 采暖负荷的功率

3.2 调度与补偿方法研究

采用系统成本最小的调度方法，弃风没有任何价值，如果将弃风转化为电采暖，系统的成本则会最小。联合调度是线性混合规划问题，采用lingo12进行计算，供热机组功率如图6所示。

电采暖负荷和弃风情况分别如图7和图8所示；不同温度控制目标下的各补偿情况如表3所示。

因为风电产生的效益更高，此时取风电全供暖情况，然后计算出3种补偿方法的公平系数，不同补偿方法的对比结果如表4所示。

图6 供热机组功率

图7 电采暖负荷功率

图8 弃风情况

由表4可知，第3种补偿方法的公平性指标较其他补偿模式均有较大的提高，在减少弃风的联合计划中，对减少弃风有较大的帮助。

4 结 语

采用弃风-热采暖负荷联合调度的方式可以大幅提高风电的消纳率，减少弃风；同时可以减少环境污染，节约能源，促进可持续发展。

在新的联合调度补偿方法中，将供热机组供热按照全电量补偿方法，可以较大地提高交易中的效率指标，平衡各方利润，促进弃风电量的消纳。

在所提的联合调度模型中，仍然有弃风的现象，需要配置储能或储热装置，或者增加其他的负荷参与调度，进而实现风电的零弃风。

表3 不同温度控制目标下的各补偿方法情况 单位：万元

表4 不同补偿方法效率指数对比