风电最大化消纳的热电联产机组联合优化控制

刘丁赫，马 聪，王 勇

(1. 太原理工大学电气与动力工程学院，山西省 太原市 030024；2.华电国际电力股份有限公司天津开发区分公司，天津市 滨海新区 300270)

0 引言

提高清洁能源利用比例是我国重要的能源发展战略，国家能源局提出到2050年非化石能源的利用比例超过50%，并预计在2060年实现碳中和。近年来我国的风电、太阳能等可再生能源利用比例逐年提高，但由于风能、太阳能等具有随机性、间歇性、出力变化快等特点，其大规模的集中并网增加了电网的调峰难度[1]。据统计，2020年上半年，全国风电新增并网装机632万 kW，其中陆上风电新增装机526万 kW、海上风电新增装机106万 kW。截止6月底，全国风电累计装机2.17亿 kW，其中陆上风电累计装机2.1亿 kW、海上风电累计装机699万 kW。虽然通过政府、电源侧和电网侧的共同协调，弃风问题得到了一定程度的缓解，但在个别省份弃风率超过10%[2]。风电渗透率迅速增加，其消纳已经成为影响我国风电产业持续健康发展的关键问题。

近年来出现的弃风问题主要原因包括两个方面：一方面，电源结构不合理，具备灵活调节能力的电源比例明显不足，存在调峰困难，尤其在冬季供暖期，供热机组总量大、比例高，“以热定电”的运行模式进一步降低了调节能力，弃风限电形势严峻；另一方面，当地电负荷总量小，风电远距离输送受到阻碍，造成了较大的弃风[3-5]。为了有效地消纳风电，国内外研究机构对此进行了大量的研究。目前主要通过积极推进电储能参与调峰[6]、供热机组灵活性提升改造等方式[7]；采用风电储能混合系统改善风电的随机性和波动性[8-9]；同时也采用结合电锅炉进行供热的解决措施[10]。

目前的研究大都单独考虑了电储能、储热装置与电锅炉对于消纳弃风的作用，较少对三者联合运行的弃风消纳效果进行分析讨论[11]。本文针对于以上问题，提出组合热电联产机组、海上风电、电锅炉和储热的耦合系统，比较风火耦合、结合电锅炉以及结合储热的3种运行模式下，系统中热电联产机组运行特性以及其对于风电消纳比例的影响。

1 风电消纳的热电联产系统

通过在热电联产机组侧配置储热装置，能达到解耦热电耦合特性的目的，提高电力系统优化配置能力，增强电网消纳风电的能力[12-14]。本文建立了基于最大化风电消纳的综合协调供热系统数学模型。综合系统中包含热电联产机组、电锅炉和储热装置，其结构如图1所示。

图1 综合系统的结构图

2.1 燃煤纯凝机组模型

燃煤纯凝机组采用蒸汽朗肯循环的运行模式，在机组运行过程中不对外供热，因此描述燃煤纯凝机组的模型直接采用输出电功率来表示，其发电燃料成本以发电功率的二次式形式来表示，如式(1)所示：

(1)

式中：fG为发电成本；T为运行总时段；N为运行的机组数量；PG为机组的输出电功率；ai,0、ai,1和ai,2为机组i的发电煤耗系数。

2.2 燃煤热电联产机组

燃煤热电联产机组包含背压式机组和抽凝式机组，背压式机组中汽轮机的排汽全部用于供热，因此其运行过程中发电量受到供热量的限制。背压机组的供热量和发电量的关系可近似认为是线性关系，如式(2)所示：

hH,i,t=kiPH,i,t+βi

(2)

式中：hH,i,t为背压机组i在t时段的供热功率；ki为背压机组的热电系数；PH,i,t为背压机组i在t时段的发电功率；βi为常数。

因此，同时考虑背压机组的供热量和发电量，其燃料成本为

(3)

式中：bi,0—bi,5为背压机组i的煤耗系数。

对于热电联产机组中的抽凝式机组，锅炉产生的蒸汽进入汽轮机后，部分蒸汽从汽轮机中抽出用于供热，剩余的蒸汽继续做功，乏汽进入凝汽器内冷凝，机组的抽汽量在一定的范围内可以调节，因此抽凝机组的煤耗特性如式(4)所示：

(4)

式中：hCP,i,t为抽凝机组i在t时段的供热功率；PCP,i,t为抽凝机组i在t时段的发电功率；ci,0—ci,5为抽凝机组i的煤耗系数。

2.3 电锅炉模型

电锅炉是将电能转化为热能的装置，使用本地系统内的电能进行供热的补充，其增加了本地电负荷的使用，电锅炉的模型为

hEB,t=PEB,tηEB

(5)

式中：hEB,t为电锅炉在t时刻的制热功率；PEB,t为电锅炉在t时刻的耗电功率；ηEB为电锅炉的热效率。

带有储热功能的电锅炉具有极强供热调节特性，使得机组的热电供应范围更加宽泛，其运行模式打破了传统的“以热定电”的运行方式，通过储热装置的吸放热，提高了整个系统的热调节能力。在系统中弃风量较大时，提高电锅炉的出力，同时进行储热；在无弃风时，可以释放储存的热量，保证供热的同时提高热电联产机组的电功率输出。储热装置的数学模型为

(6)

式中：SHS,t为t时段蓄热容量；μ为散热损失；hHS_in,t和hHS_out,t为t时段内吸热和放热功率；λHS_in,t和λHS_out,t为t时段内的吸热和放热效率。

2.4 风电模型

风电机组在运行过程中，由于没有燃料的成本，因此考虑最小的弃风率即为系统优化运行的目标。风电机组输出的功率具有不确定性，其输出功率与所在地区的风速相关，具体风电输出功率可由式(7)描述：

(7)

式中：vi、v0和vn分别为风电机组的切入、切出和额定风速；Pwn为风电机组的额定功率。

优化系统运行的目标是减少弃风率，因此定义风电机组i在t时段内弃风发电功率与预测发电功率的比值为风电机组的弃风率ζi,t，可由式(8)进行描述：

(8)

fw=αwζi,t

(9)

式中：αw为风电机组弃风的成本系数，其值根据当地的相关标准选取。

3 优化模型及求解

3.1 目标函数

本文的研究目的是优化风-火耦合系统供热和供电的性能，同时为了实现系统的最大热电解耦能力，进而协同热电联产机组的出力，降低弃风率。因此，系统的总体目标是最小的运行成本，目标函数以式(10)进行描述：

f=min(fG+fH+fCP+fw)

(10)

式中f为系统的总运行成本。

3.2 约束条件

风-火耦合系统在实际运行过程中需要满足各种约束，主要包括电力、热力平衡、各单元的运行范围限制等，具体的约束条件如下文所述。

1) 电负荷平衡约束：

(11)

式中PLD,t为电力系统在t时段的电负荷。

2) 热平衡约束：

(12)

式中hLD,t为系统在t时段的热负荷。

3) 燃煤机组的出力约束。

常规燃煤纯凝机组仅输出电功率，因此其出力的约束主要是电力输出的能力，可以由式(13)表示：

PGmin,i,t≤PG,i,t≤PGmax,i,t

(13)

式中：PGmin,i,t和PGmax,i,t分别代表燃煤机组i在t时段内最小电功率输出和最大电功率输出。

图2 背压机组热电出力特性

背压机组的电热特性可以近似为直线，如图2所示。由于背压机组具有固定的热电比，因此其最小出力和最大出力均为固定值。背压机组的实际出力约束可由式(14)—(16)表示：

式中：hHmin,i,t和hHmax,i,t分别为背压机组的最小供热输出和最大供热输出；PHmin,i,t和PHmax,i,t分别为背压机组的最小供热输出和最大供电输出。

抽凝式机组的供热和供电可以在一定范围内变动，一般可表示为如图3所示的输出图形。

图3 抽凝式机组电热负荷出力特性

4) 燃煤机组的爬坡约束：

式中：Δhd,i和Δhu,i为机组在单位时段内减小和增加热负荷出力的爬坡能力；ΔPd,i和ΔPu,i为机组在单位时段内减小和增加电负荷出力的爬坡能力。

5) 电锅炉的电功率约束：

PEBmin,i,t≤PEB,i,t≤PEBmax,i,t

(19)

式中：PEBmin,i,t和PEBmax,i,t分别代表电锅炉电功率的最小值和最大值，相应的热功率可按式(5)进行计算。

6) 储热装置的约束条件：

QHSmin,i,t≤QHS,i,t≤QHSmax,i,t

(20)

式中：QHSmin,i,t和QHSmax,i,t分别为储热设备的最小和最大热功率输出。

式中：SHS_c,i,t和SHS_f,i,t分别为储热装置的储热量和放热量；SHSmax,i,t为储热装置的最大储热量；κi,t为储热装置i在t时段的储热比例。

4 计算实例

4.1 计算条件

本文以区域为例进行风-火耦合系统的运行优化计算，系统内配置了2台额定电功率为170 MW、额定供热能力为610 MW的燃煤热电联产机组，18台单机额定功率为5 MW的风电机组，同时虚拟考虑了2台15 MW的电锅炉以及总容量为600 MW的蓄热装置。按照每天的时段数量为24个，即每个时段的时长为60 min。

图4为预测的某日内风电负荷曲线，图5为预测的某日内电负荷曲线，图6为预测的某日内热负荷曲线。

图4 预测的风电负荷曲线

图5 预测的电负荷曲线

图6 预测的热负荷曲线

模拟计算中考虑了3种运行方式，分别为：

方式1：燃煤热电联产机组和风电机组进行联合调控，仅仅由燃煤热电联产机组提供热负荷输出，系统中电锅炉和储热不参与调节。

方式2：燃煤热电联产机组、风电机组和电锅炉进行联合调控，由热电联产机组和电锅炉提供热负荷输出，系统中储热不参与调节。

方式3：燃煤热电联产机组、风电机组、电锅炉和储热装置全部纳入联合调控中。

4.2 计算结果

图7为3种运行方式下热电机组热功率的对比图，图8为3种运行模式下风电消纳效果和风电预测曲线的对比图。风电功率在20: 00～04: 00出力较大，在此期间风速大，用电负荷小，热负荷大，由此风电机组在夜晚低电负荷时段产生大量弃风。

图7 不同运行方式下燃煤机组热功率输出

图8 不同运行方式下风电利用功率

图8描述了3种运行模式下的风电消纳率。经过计算给出了3种运行方式下的风电利用率，分别为77.9%、92.8%和97.3%。运行方式1是传统的热电联产机组结合风电调节，此时的弃风量最大。这主要由于，热电机组的电热调节能力差，热功率较高，约束了风电的上网率。运行方式2中增加了电锅炉调节，风电的利用比例得到了大幅度的提高。运行方式3，风电的利用比例最高，与风电预测值的误差最小，消纳了大部分的弃风量，为风电上网提供了空间，提高了热电调节的灵活性。

5 结论

本文针对我国风电消纳率不高以及存在的弃风问题，提出了结合热电联产机组、风电机组、电锅炉和储热的综合系统方案。通过建立综合系统的数学模型，以实现最大风电消纳及经济性运行的目标。分析了3种运行方式对于风电消纳率的影响，从而优化了系统的运行方式。主要结论如下：

1) 采用热电联产机组、风电机组、电锅炉和储热装置的综合系统可大幅度地提高风电的消纳率；

2) 通过热电联产机组的调节，对于风电的消纳能力为77.9%，采用结合电锅炉的运行模式可将风电消纳能力提升至92.8%，而采用电锅炉配合储热装置的运行模式，风电的消纳能力达到了97.3%。

本文建立的模型很好地显示了综合系统对于风电消纳的能力，研究结果对于风电的最大化消纳提供了可行的技术方案。