基于清洁供暖的多能互补系统能量管理策略研究

李春来 朱慧敏 苑舜 施涛

摘 要：从促进清洁能源消纳的角度出发，在风光储多能互补系统中引入清洁供暖，进一步增加清洁能源的消纳空间。在此基础上，研究考虑清洁供暖的风光储多能互补系统能量管理问题，提出一种以能源消费成本最小化为目标的风光储多能互补系统能量管理策略，并通过算例分析验证了该策略的有效性。

关键词：清洁供暖;多能互补;能量管理;能量自平衡

0    引言

近年来，随着风力发电、光伏发电等清洁能源发电技术的大规模推广和应用，我国清洁能源发电的装机容量不断增长。截至2019年底，全国风力发电装机容量达2.1亿kW，光伏发电装机容量达2.04亿kW。与此同时，由于风电、光伏发电受风速、光照等自然资源和环境条件的影响，其出力呈现间歇性、随机性和波动性的特征，受电力系统调峰调频以及输送能力等因素的影响，在某些地区出现了严重的弃风弃光限电问题，引起了社会各界的广泛重视[1]。为了促进清洁能源的消纳，一方面基于功率预测技术的进步提高风力发电、光伏发电功率预测的精度;另一方面利用风能、太阳能、电能、热能等多种能源形式之间的转化与互补特性构建多能互补系统，拓展清洁能源的消纳空间[2-3]。文献[4]提出了一种储热式供暖系统的简化线性调度模型，并将其应用到风电供暖调度决策中，进而提高风电的消纳水平。文献[5]提出了一种光热电站电加热装置功率優化配置方法，并将其应用到多能互补基地的配置方案中，有效减少了弃风弃光电量。文献[6]对基于多能互补的综合能源系统的基本理论和物理特性进行了阐述，归纳总结了当前多能互补系统生产优化面临的关键技术问题。

本文从促进清洁能源消纳的角度出发，研究考虑清洁供暖的多能互补系统能量管理问题，提出一种以能源消费成本最小化为目标的多能互补系统能量管理策略，并通过算例分析验证了该策略的有效性。

1    清洁能源供暖原理模型

当多能互补系统所在区域的本地负荷较小，外送通道有限，风电、光伏发电等清洁能源发电的理论发电量超出消纳空间时，将会发生弃风弃光限电现象。如果结合现有电网改造，将原来由燃煤供暖改造为电蓄热锅炉供暖，增大系统的负荷，则可以增加清洁能源发电的消纳空间，减少弃风弃光。图1为弃风弃光电量转化为电蓄热锅炉供暖示意图。

电蓄热锅炉作为清洁供暖的能量载体，其电热转换特性如下式所示：

Ceh·Ph=Phin+Phd                 （1）

0≤Ph≤Phmax                                 （2）

式中，Ceh为电热转换系数，此处取1;Ph为电锅炉用电功率;Phin为蓄热罐蓄热功率;Phd为电锅炉直接供热功率;Phmax为电锅炉最大用电功率。

电锅炉蓄热过程需满足蓄热罐蓄热容量和蓄/放热功率的限制，即：

0≤Qhs≤Qhs，max             （3）

0≤Phin≤Phin，max       （4）

0≤Phout≤Phout，max            （5）

式中，Qhs为蓄热罐储热量;Qhs，max为蓄热罐储热容量;Phout为蓄热罐放热功率;Phin，max、Phout，max分别为蓄热罐蓄热和放热功率最大值。

2    能量管理优化模型

2.1    目标函数

在风光储多能互补系统的基础上，引入清洁能源供暖设施，建立以多能互补区域内能源消费成本最小化为目标的能量管理优化模型，目标函数如下所示：

min f=Pex，i·λi                           （6）

式中，f为调度周期T内的能源消费总成本;Pex，i为第i时刻多能互补系统供电区域与外部公共电网的电力交互功率（注入为正，流出为负）;λi为第i时刻外部公共电网的分时购售电价。

2.2    约束条件

风光储多能互补系统需满足电/热功率平衡、储能系统功率/容量限制等约束条件。

（1）电功率平衡约束：

PLe=PWG+PPV+Pes+Pex            （7）

式中，PLe为多能互补区域内的电力负荷;PWG为风力发电功率;PPV为光伏发电功率;Pes为电池储能放电功率;Pex为外部公共电网的注入功率。

（2）热功率平衡约束：

PLh=Phd+Phout            （8）

式中，PLh为多能互补区域内的热力负荷。

（3）电池储能充/放电约束：

0≤|Pes|≤Pes，max             （9）

0≤|Ees|≤Ees，max       （10）

式中，Pes为电池充/放电功率;Pes，max为电池储能设施充/放电功率上限;Ees为电池能量存储状态;Ees，max为电池能量存储空间上限。

（4）蓄热设施蓄/放热约束：

电锅炉蓄热设施蓄/放热需满足式（1）～（5）所规定的约束条件。

（5）联络线交互功率约束：

0≤|Pex|≤Pex，max         （11）

式中，Pex，max为联络线交互功率上限。

3    算例分析

本文以某多能互补基地为例进行分析。该基地内包含光伏发电20 MW，风力发电20 MW;储能电池2 MW/2 MWh;电蓄热式锅炉10 MW，其蓄熱能力为2 MW/4 MW。某典型日00：00—24：00点电力负荷、热力负荷以及光伏、风电的功率预测数据如表1所示，其中，电力负荷不含电锅炉的用电负荷。储能系统初始能量状态取20%额定容量。

外部公共电网的购售电价采取分时电价，充分发挥价格的杠杆作用，调动用户自觉调整生产计划，参与削峰填谷、均衡用能等需求侧响应的积极性，如表2所示。

基于上述功率预测信息，利用能量管理优化模型求解可得多能互补系统的优化调度方案。其中，光伏发电量131.18 MWh，全额消纳;风力发电量274.30 MWh，全额消纳;外部公共电网供电量316.88 MWh。电锅炉和蓄热罐蓄/放热计划如图2所示，总供热负荷为144.43 MWh。通过电池储能充放电和蓄热罐蓄/放热的灵活调节，实现多能互补系统整个调度周期内的能源生产和消费成本最小化，即19.2万元。

4    结语

清洁供暖是当前拓展清洁能源发电空间，提高清洁能源消纳水平的重要举措。本文在风光储多能互补的基础上，进一步引入电蓄热锅炉系统，基于热电负荷耦合特性，通过多能互补和协调优化实现多能互补系统区域内能源生产和消费成本最小化目标。与此同时，多能互补系统的配置方案并不局限于清洁供暖、储电蓄热等形式，下一步将重点研究风电制氢、冷热电联产等多能耦合条件下的能量管理策略问题，为清洁能源的规模化开发和高效利用提供技术支撑。

[参考文献]

[1] 裴哲义，王彩霞，和青，等.对中国新能源消纳问题的分析与建议[J].中国电力，2016，49（11）：1-7.

[2] 朱凌志，陈宁，韩华玲.风电消纳关键问题及应对措施分析[J].电力系统自动化，2011，35（22）：29-34.

[3] 舒印彪，张智刚，郭剑波，等.新能源消纳关键因素分析及解决措施研究[J].中国电机工程学报，2017，37（1）：1-8.

[4] 周莹，戴远航，陈磊，等.储热式电供暖系统的简化线性调度模型及其应用[J].东北电力技术，2018，39（12）：1-5.

[5] 刘成，李富春，史龙，等.光热电站电加热装置功率优化配置研究[J].电力勘测设计，2019（12）：65-69.

[6] 乔彦哲，颜宁，马少华，等.考虑多能互补的综合能源系统联合规划及发展综述[J].电器与能效管理技术，2019（19）：15-22.

收稿日期：2020-03-11

作者简介：李春来（1980—），男，辽宁朝阳人，高级工程师，从事风电、太阳能等新能源发电及并网技术领域的研究工作。