农业大棚风电供热提高风电消纳的技术分析

□ 孙 超

（中南林业科技大学 湖南 长沙 410004）

我国风能资源丰富，适合大规模风电开发。风电装机快速增长的同时，风电消纳却越来越困难。根据能源局的统计，2020年风电上网电量超过153TWh，平均弃风率为8%，弃风电量超过13TWh，弃风电量造成约65亿元的损失。在三北地区中，内蒙古、甘肃、河北和新疆等地区由于风电规模都已达到或接近千万以上的规模，其弃风问题相对于其他地区更加严重，迫切需要解决，其中减少供热季的风电弃风是解决我国三北地区风电消纳的关键所在［1］。

在农业大棚中应用风电供热系统的经济性和合理性的关键在于充分利用风电场的弃风电量。对于风电厂来说，供热季全天不会都出现弃风，一般是夜间弃风严重，白天基本没有弃风。而农业大棚的供热负荷全天都有，因此，必须在风电供热系统中配置参数合理的储热装置，才能确保风电供热系统只使用电价低廉的弃风电量。一方面要确定储热装置最优的储热容量参数，既要保证在白天不弃风的时段内，储热装置能够有足够的热量满足农业大棚的供热负荷，又要避免出现储热容量设计过大，导致储热装置的容量冗余过多，造价过高的问题。另一方面，还要确定储热装置合理的储/放热功率参数，既要保证出现弃风时储热装置能够及时地将弃风电量转化为热量存储起来，又要保证白天能够将储存的热量释放出来满足农业大棚供热负荷的需要。在这一背景下，本文将结合最优化的方法研究如何利用农业大棚实现风电消纳，从而减少对储热装置的依赖。这项研究具有重要的现实意义。

一、风电供热系统协调优化控制方法

风电供热大棚只有在有弃风电量时使用风电制热才能产生较好的经济效益，否则在经济上肯定是不利的。因而下面首先提出弃风量评估模型用以定量评价电力系统当前运行状态下的弃风曲线，然后建立风电大棚供热模型，用于后续储热装置储热容量和换热功率的优化设计。具体流程图如图1所示。

图1 储热参数优化设计流程

（一）弃风评估模型

图2 简化后的抽汽式机组的电热特性曲线

曲线上AB、BC、CD段分别对应最小凝汽量工况、最大抽汽量工况、最大进汽量工况。实际运行时，抽汽式机组的热功率一般在A～B范围内变化，影响机组运行范围的主要是最小凝汽量工况和最大进汽量工况。最小凝汽量工况下，机组电功率和热功率之间的关系和背压式机组类似，为：

最大进汽量工况下，电功率和热功率之间的关系为：

因此，当热功率在A～B范围内变化时，可以通过调节进汽量和抽汽量调节电、热功率，在电网调度中，机组电出力的约束条件为：

没有储热时，机组热出力要满足热负荷需求，热负荷给定。此外，机组出力变化时还需要满足爬坡率约束：

实际系统的弃风评估模型与常规电网的优化调度模型没有本质区别，都是通过调整常规机组和热电联产机组的出力满足系统电和热负荷的需求来进行计算。

（二）供热大棚模型

下面给出供热大棚模型。供热大棚模型的基本结构如下图所示。

图3 电供热风电大棚模型

则对于风电供热大棚，应有下述约束条件：（1）风电供热大棚供热电功率约束；（2）风电供热大棚储热及热负荷约束；（3）储热装置约束。对储热装置而言，也需要满足储热装置的自身运行状态的约束，下面进行具体说明。

储热主要有三种形式：显热储热、潜热（相变）储热和化学储热。显热储热是利用物体温度的变化存储和释放热能，其原理最简单、技术也最成熟、成本最低，实际应用最广泛，但显热储热效果极大地依赖于储热材料的物性，包括密度、热容等。显热储热又主要包括液体储热和固体储热两种。相变储热是利用物质相变过程存储和释放热量，物质由固态转为液体、由液态转为气态时，将吸收相变潜热，实现蓄热；进行逆过程时，则将释放相变潜热，实现释热。与显热储热方式相比，相变储热材料在相变储热时近似恒温，系统温度易于控制，同时潜热更大，储热效果更好，所需体积较小。化学储热是利用化学过程实现热能和化学能之间的转化，从而存储和释放热能，但成本较高，技术的成熟度相对较低［2］。

无论何种类型的储热方式，在运行中储热装置的状态主要有两个方面：①存储了多少热量，最多可以存储多少热量；②能否按照要求将热量存储进去或释放出来，即储释热的速率（功率）。对应着两个约束：

一是容量约束。储热装置的储热量不能超过储热容量的最大值；二是储释热功率约束。储热装置中换热器存在最大功率的限制，某些显热储热装置如热水储热，储热和释热是通过热水的注入和流出实现的，此时储释热功率约束受流量的限制，也存在最大功率约束。储释热功率是储热装置设计开发的重要参数，储热装置不仅要保证能够存储大量的热量，还要保证热量能够快速地进去、出来，才能满足应用的需求。

二、算例分析

下面针对上述提出的弃风评估模型和电供热风电大棚模型进行简单的算例分析。以国内某省级电网的实际数据为例进行仿真计算，系统参数如表1所示，系统结构如图4所示。

表1 算例系统参数

图4 仿真系统结构

根据上述仿真参数的设定，对第2节提出的模型进行求解，基于农业大棚风电供热实现的风电消纳情况如图5所示。通过对比无储热装置的情形，当系统中配备有相应储热装置时，那么是可以符合供热热负荷的要求的。从图中还可以看出，随着引入了风电供热大棚，可以实现接近500MW的风电消纳（参见5中红色虚线）。即便风力出电的功率存在波动，但是风电消纳情况并未能超过500MW，这主要是电供热功率起到了限制作用。通过对24小时内的总风电消纳功率进行统计，最终数值等于5032.1MWh，相应的可以计算得到总弃风3816.4MWh。

图5 风电供热大棚新增风电消纳情况

三、风电供热系统储热装置的储热容量和换热功率设计方法

显然，农业大棚通过引入风电供热系统可以消纳一定量的风力，然而依然不可避免地存在弃风。为此，有必要为农业大棚的风电供热系统提供储能装置。储能装置的使用可以使整套能源管理系统在不具备足够风电消纳的情况下，将部分弃风功率储存起来，等到风电最大出力开始下降的时候，再将储存的能量释放出现，这样可以大大提高整体的风电消纳能力，同时也能够全天候地供应大棚能源消耗需求。储热装置的配置应当遵循实用性与经济性的原则，因为虽然采用足够大的储热装置可以显著降低弃风功率，然而必然伴随着投资成本与设备运行维护成本的提高。因此，本文认为可以基于弃风功率曲线对储热容量进行定量求解，储热装置的容量很大程度取决于风电出力较低水平下的大棚供热需求，下面结合具体仿真进行说明［3］。

分别取不同的弃风制热功率，求满足最小需求的储热容量，及此时换热器的最大换热功率，如下表所示。

表2 不同制热功率下的最小储热容量及换热器最大功率

基于表中数据不难发现，在从500MW到2000MW共四种电制热功率下，储热装置容量都等于2043MWh。与此同时，在弃风量指标方面，随着电制热功率的提升，存在一定的降低，这一现象可以采用如下解释：尽管电制热功率发生改变，然而当采用相同的储热装置时，在无弃风功率区间内工作状态始终保持一致。通过仿真结果我们知道，令储热装置的容量与风电供热大棚供热需求相同时，即为前者的最低限，那么有以下设计依据：

同时从上式也可以看到，储热系统的换热器功率，在电制热侧的换热器功率主要取决于电制热功率与热负荷需求之差，而供热侧的换热器功率主要取决于风电供热大棚的热负荷，因而在进行设计时可以参照下式大致选择换热器功率：

四、结语

本文通过建立与求解风电大棚供热系统的最优化模型，得出了在农业大棚中应用风电供热技术可以在零污染的情况下一定程度解决风电消纳的结论。基于最优化框架，从能源与电力利用于消耗角度论证了风电大棚供热系统的可行性，定量分析了农业大棚风电供热系统中储能装置容量与换热器功率的设计依据。当然，本文仿真都是基于一定假设下开展的，例如假设风电场弃风量保持恒定等边界条件，未来研究中将更加充分地考虑这些边界条件，提高最优模型的鲁棒性（Robustness）。随着我国风电技术的不断成熟，相信越来越多先进的储能技术、风力发电技术将会有望引入到农业大棚的能源管理之中，为我国东北、华北地区带来更高的风能利用效率，缓解当地火力供热的需求，为我国碳中和、碳达峰目标的实现贡献力量［4］。