基于电锅炉与储热装置协调供热的弃风消纳调度模型研究

张敬轩，陈 洁，徐泽鹏

（新疆大学 电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

0 引 言

传统化石燃料发电虽然促进了经济社会的高速发展，但其造成的资源短缺和环境污染问题日益严重。近年来，风力发电因具有环保、经济和可持续性等优势得到快速发展，我国风电装机规模不断扩大，但是风电消纳仍是影响风电发展的主要问题。我国风能资源丰富却消费不足，同时受制于输送能力，风电外送十分困难，特别是在“三北地区”。此外，在热负荷需求最高的冬季供暖期，热电联产机组受制于“热电耦合”的运行特性，造成风电上网空间挤压问题。因此，改善机组运行特性，实现风电就地消纳对解决弃风问题具有重要意义。

为改善机组特性，国内外学者对储热装置与电锅炉参与供热进行了大量研究。在储热装置参与供热时，文献[6]在源侧通过储热装置改善“以热定电”进行解耦分析，同时引入分时电价策略，在负荷侧进行引导，从源荷两侧提高了风电消纳的能力。文献[7]对储热装置安装在不同位置分别建立模型，在更大的空间对储热装置消纳风电的效果进行了评估。文献[8]对储热装置与电锅炉弃风原理进行了对比分析，虽然都实现了对弃风的消纳，但在储热方式中，弃风电量替代了原凝气发电量，在电锅炉方式中替代的是热化发电量。在电锅炉参与供热时，文献[9]建立了包括风电、热电联产及电锅炉的系统模型，并通过极值点线性表示法对电热特性线性模型进行简化，降低了计算量。文献[10]从风功率的预测出发，进行了对不确定空间的处理，建立电锅炉供热模型，使模型更贴合实际。文献[11]考虑设备自身约束与使用寿命，从启停电锅炉出发，采用智能优化算法，得到了经济性最优的电锅炉启动功率。然而上述文献只分析对比了储热装置与电锅炉分别提供热负荷的情况，极少分析储热装置与电锅炉协调供热对于系统消纳弃风的作用。因此，本文在电负荷与热负荷约束下，提出相对应的控制策略，使协调供热模型更为合理。

基于已有研究，本文通过计算热电耦合下的机组最小电出力，并将储热装置与电锅炉在系统中的影响转化为对弃风消纳空间的作用，建立电锅炉与储热装置协调供热的弃风消纳调度模型，比较三种运行模式下的弃风消纳效果及运行成本，并对模型的有效性和经济性进行验证，以期为改善风电消纳能力提供理论基础。

1 协调供热综合系统原理

电锅炉与储热装置协调供热可以改善热电联产机组的运行特性，使得机组的最低电出力降低，接纳风电的空间提高，降低了弃风现象的发生。

1.1 传统热电联产机组工作原理

热电机组的发电功率与供热功率之间存在一定的耦合关系，即“电热特性”。根据不同的电热特性把热电机组分为四类。目前我国的热电机组通常为大容量抽气式机组，因此，本文研究均以抽汽式机组为例。

如图1所示，机组在纯凝工况下的最大、最小有功出力分别为和，机组的整体运行区间为。以供热功率为为例，可以看出，当供热功率为时，电功率的调节范围为[P,P]，因此消纳弃风的能力十分有限。

图1 抽气式热电机组工作特性

1.2 配置电锅炉与储热后热电联产机组的工作原理

配置电锅炉及储热装置后的机组工作特性如图2所示。对于发电功率P，其对应的热功率为，在配置储热装置协调供热后，其最大的供热功率会提高，变为+=P，此时其最大电功率不发生变化。因此相当于图中的段和段向右平移，此时整体运行区间变为，同时在加入电锅炉后，部分热负荷由电锅炉承担。因此向左平移变为-，此时对于相同的供热功率，电负荷的最大调节区间从[P,P]变为[P,P]，消纳弃风功率的能力显著提升。

图2 配置电锅炉与储热装置的热电机组工作特性

1.3 弃风机理分析

风电在负荷低谷期出力相对较大，在负荷高峰期出力则相对较小，表现出极为明显的“反调峰特性”。同时热电联产机组在热负荷需求的约束下，工作在“以热定电”的运行方式下，导致机组的可调节能力变弱。在风电高发时段，调峰能力不能满足需求，因此产生大量弃风。弃风机理图如图3所示。

图3 弃风机理图

2 协调供热系统结构及控制策略

配置储热装置与电锅炉后，能达到改善热电耦合特性的目的，提高电网接纳风电的能力。本节建立了以风电机组、火电机组、热电联产机组、储热装置及电锅炉作为主体的协调供热系统，并提出对整个系统的控制策略。

2.1 协调供热系统结构

系统结构如图4所示，其中储热装置在非弃风时段蓄热，在弃风时段放热降低机组的最低电出力，提高风电消纳空间。

图4 协调供热系统结构图

电锅炉一方面可以协调供热进一步提高机组电出力的调节空间，同时作为可控电负荷提高系统调峰能力。

2.2 协调供热系统控制策略

对于风电的消纳主要通过提高风电消纳空间。在时段内提高风电消纳空间P的方式主要有两种：一是由电锅炉提供的风电消纳空间，即P；另外一种就是通过储热装置改善热电联产机组的特性来改变其电出力贡献风电消纳空间，即P。其中：

考虑到对热电联产机组进行调节的过程中需要满足热负荷的需求，因此在系统中采用“先热后电”的模式。首先进行热负荷的分配，由热电联产机组与协调供热装置提供，然后根据热负荷的分配得到机组的最低电出力，再对所有机组进行电负荷的分配。计算公式为：

式中：H 与H 为热电联产机组和电锅炉在时段的供热功率，单位为MW；H 与H 为储热装置的储热和放热功率，单位为MW；H 为实时的热负荷，单位为MW；P，P和P为热电联产机组、风电机组和火电机组在时段的电功率，单位为MW；P为实时电负荷，单位为MW。

电锅炉仅以弃风作为热源，因此电锅炉的启停取决于时段是否发生弃风。定义电锅炉的启停标志ST为：

电锅炉的热输出和功率消耗成正比关系，因此电锅炉产生的风电消纳空间为：

式中为电锅炉的热电转换效率。

储热装置利用其能量时移的特性进行调峰，在非弃风时段，增大汽轮机的抽汽功率进行储热；在弃风时段，减少发电功率进行下调峰，同时由储热装置供给部分热负荷。储热装置的动态热储量为：

式中为储热罐的初始热储量。

3 协调供热系统调度模型

3.1 目标函数

消纳弃风的调度模型通常把发电成本最小作为系统的目标函数，这将导致严重的弃风。因此，为了提高风电消纳量，加入考虑弃风成本的惩罚函数。该目标函数在提高风电消纳的同时对保护环境具有重要意义。因此，目标函数为：

式中：(,)为常规火电机组的发电成本函数；(,)为热电联产机组的发电成本函数；和为各种类型的单位数；为弃风成本的惩罚因子；()为时刻的弃风功率，单位为MW；为调度时间，单位为h。

1）常规火电机组的发电成本函数

风电并网直接关系火电机组出力的大小，此外还会对于机组运行时的启停调峰有很大影响。因此，火电机组的发电成本包括运行成本以及启停成本。

式中：(P)为火电机组的运行成本；(u)为火电机组的启停成本。，计算公式分别为：

式中：a，b和c为火电机组的发电成本系数；u为机组在时刻的启停状态。

2）热电联产机组的发电成本函数

由于热电联产机组有供热约束，因此不会出现停机状况，所以其发电成本只包括运行成本。根据热电联产机组的运行特性，其在时刻的运行成本为电功率与热功率进行折算数据之和，计算公式为：

式中：a，b和c为热电联产机组的运行成本系数；P为机组在时刻的电功率，单位为MW；P为机组在时刻的热功率，单位为MW。

3.2 约束条件

1）电平衡约束

式中：P为时刻的风功率，单位为MW；P为时刻的电锅炉功率，单位为MW；P为时刻的电负荷，单位为MW。

2）热平衡约束

式中H 为时刻的热负荷，单位为MW。

1）机组出力约束

式中：P和P为第台火电机组最小和最大发电功率，单位为MW；P和P为第台热电机组最小和最大发电功率，单位为MW。

式中H 为机组的最大热出力，单位为MW。

2）机组爬坡约束

式中：P和P为第台火电机组供电向下和向上爬坡率。

式中：P和P为第台热电机组供电向下和向上爬坡率。

式中：H 和H 为第台热电机组供热向下和向上爬坡率。

3）电锅炉约束

式中：为电锅炉额定最大电功率，单位为MW。

4）储热装置约束

容量约束：

式中为储热装置的最大储热量。

储、放热能力约束：

式中：和为储热装置的最大储、放热功率，单位为MW；H 为时刻的储热量。

式（22）求和为0表示在一个周期内储热装置热容量不变约束。

3.3 模型求解

采用CPLEX算法对上述联合机组调度模型进行求解。CPLEX是IBM的软件，该软件具有运行效率高、实施策略快等优点，能快速解决复杂机组组合问题，且所使用的CPLEX版本为12.7。

4 算例分析

4.1 基础数据

为验证所建立的协调供热系统模型的有效性，对加入储热装置及电锅炉前后系统消纳风电情况及经济性的变化进行分析，简化某地区的电源装机结构如表1所示。假设该区域热负荷不变，取1 800 MW，并且区域电网与外部电网无能量交换，储热罐储热容量为600 MW·h，其最大蓄、放热功率为50 MW。电锅炉的最大功率为200 MW。

表1 电网装机容量

各机组详细数据参考文献[10]，风电发电量由历史风速数据取得，调度时间为24 h，算例使用以下三种运行模式进行仿真比较：

模式1：仅通过热电联产机组进行供热，电锅炉与储热装置不参与供热，极易出现弃风情况。

模式2：储热装置参与供热，电锅炉不参与供热，储热装置改善机组特性，增加了风电上网空间，弃风情况有所改善。

模式3：电锅炉与储热装置共同参与供热，电锅炉供热进一步增加风电消纳空间，弃风情况得到进一步改善。

4.2 算例结果及分析

三种运行模式下的风电消纳空间如图5所示，实际风电消纳结果如图6所示。可以看出，模式1的风电消纳空间有限，弃风现象较为严重；模式2和模式3在储热装置与电锅炉的作用下提高了接纳风电的空间，降低了弃风量。三种运行模式下的风电消纳情况表明，储热装置与电锅炉可以有效改善电热耦合的特性，进而使得风电消纳空间增加，弃风情况得到改善。

图5 三种运行模式下的风电消纳空间

图6 三种运行模式下的风电消纳结果对比

三种模式下的调度结果如图7～图9所示。可以看出模式1中，在负荷低谷时段，热电机组受热负荷限制，最小电出力始终保持在1 150 MW以上，从而产生大量弃风。模式2中配置了储热装置，相比于模式1，储热装置在非弃风时段进行蓄热，并不会对此时的风电上网产生影响；在弃风时段放热，降低热电机组的热负荷，进而降低其最小电出力，提高风电消纳空间，降低弃风。模式3中电锅炉与储热装置协调供热，在模式2的基础上增加了电锅炉进行供热同时作为电负荷，进一步改善机组特性，可以消纳大部分弃风。

图7 模式1下各机组电出力

图9 模式3下各机组电出力

图10为电锅炉在一个周期内的出力情况，在弃风时段跟踪弃风功率运行，直接消纳弃风功率，同时提供部分热负荷，降低了热电机组的最小电出力约束，提高风电上网的空间，在非弃风时段，电锅炉不工作。

图8 模式2下各机组电出力

图10 模式3下电锅炉出力

三种运行模式经济调度结果如表2所示。在储热装置单独运行时，弃风情况虽然得到改善但仍有大量弃风，此时加入电锅炉提供额外热功率，在电锅炉跟踪弃风功率的运行模式下，弃风接近完全消纳，并且经济调度成本比传统模式减少了15.13%，获得最佳经济性。

表2 三种运行模式的经济性比较

5 结 论

对于供暖期风电消纳问题，分析了产生弃风的主要原因，提出通过降低机组最小电出力来增加风电消纳空间。以系统运行成本最小为目标，建立电锅炉与储热装置协调供热调度模型并提出控制策略，通过算例比较了三种运行模式下的弃风消纳情况及经济调度结果，得到以下结论：

1）电锅炉与储热装置协调供热可以有效改善以热定电的特性，减少弃风，提高消纳风电能力，同时降低系统的调度成本，比传统模式减少了15.13%。

2）加装电锅炉与储热装置后，计算了其对弃风消纳空间的影响，可以有效地降低机组的最小电出力，增加风电上网的空间。

3）储热装置单独参与供热时，其经济调度成本比不加装储热装置时降低了4.18%。