引入儲能技術的環保熱電聯產系統的經濟運行

文/張洋 文福栓 張忠梅 陸春校 嚴奕飛

在《嵌入碳排放限制的環保熱電聯產系統經濟運行分析》研究當中，已經建立了熱電聯產機組經濟運行模型，確保在“以熱定電”的運行模式下，在一定的運行周期內合理地分配機組出力及安排啟停計劃，使得系統的燃料費用最少，并考慮了碳排放限制使得電力生產更為環保。但是熱電聯產機組采用“以熱定電”的運行模式，能確保熱量供應充足但是限制了其調峰能力。對于整個系統運行而言，考慮熱負荷需求后的熱電聯產機組的電負荷區間成為了發電計劃制定中經濟運行的邊界條件，在實際生產中由于某些原因，一方面熱電聯產機組的電負荷上下限難以做到及時調整，另一方面在一個區域內的熱負荷在不同機組之間分配時并未考慮到機組的整體調峰能力，因此熱電聯產機組的實際調峰能力應該具有更大的挖掘潛力。引入儲能系統，合理配置儲能系統容量，制定與機組經濟運行相結合的儲能充放電策略，將系統出力進行最優分配，顯著改善熱電聯產機組的調峰能力，使得電力的發輸和使用更為經濟和高效，最終采用遺傳算法結合實際算例驗證建立模型的可行性，為今后的熱電聯產機組參與系統調峰問題提供參考。

1 熱電聯產機組參與系統調峰能力的經濟運行模型

熱電聯產機組“以熱定電”的運行模式導致其參與系統調峰能力不足，急需改善熱電聯產機組的調峰性能。目前關于熱電聯產機組參與系統調峰的研究各異，文獻中研究了熱電聯產機組在東北地區采暖期調峰能力并建立了熱力曲線數學模型。大部分研究只是在建立數學模型的基礎上分析說明機組相關參數的調峰能力。而熱電機組受自身調節范圍的限制，發電量的大小隨供熱量變化而改變，要在保證供熱量供應充足前提下讓熱電聯產機組參與系統調峰有一定的難度。

在《嵌入碳排放限制的環保熱電聯產系統經濟運行分析》研究當中，已經建立了熱電聯產機組經濟運行模型，確保在“以熱定電”的運行模式下合理地分配機組出力及安排啟停計劃，使得系統的燃料費用最少，并且考慮了碳排放限制使得電力生產更為環保。在此研究基礎之上，為讓熱電聯產機組參與到系統的調峰任務當中，引入儲能系統，合理配置儲能系統容量，制定與機組經濟運行相結合的儲能充放電策略，將系統出力進行最優分配，不僅顯著提高熱電聯產機組參與系統調峰的能力，而且保證系統運行的經濟和高效性，最終利用先進的智能計算機仿真與遺傳算法結合實際算例驗證所建立模型的可行性。

1.1 目標函數

1.1.1 燃料費用

熱電聯產機組包含普通純火電發電機組、熱電聯產機組、純發熱機組，是綜合考慮現有通用的機組類型。

式中：CTOTAL為總燃料費用；N為純火電發電機組、熱電聯產機組、純發熱機組的臺數及儲能系統的種類；Cpi為第i臺純火電發電機組燃料費用；Cci為第i臺熱電聯產機組燃料費用；Chi為第i臺純發熱機組燃料費用；CBi為第i種儲能系統的充放電費用。

在實際熱電聯產經濟運行問題當中，純火電發電機組中汽輪機進氣閥突然開啟時出現的拔絲現象稱為閥點效應，忽略該現象會使求解精度受到明顯影響。因此考慮閥點效應的純火電發電機組的燃料費用為：

式中: Ppi為第i臺純火電發電機組的出力；ai、bi、ci分別為第i臺純火電發電機組的燃料費用系數；ei、fi為純火電發電機組i的閥點效應系數；為純火電發電機組i的最小技術出力。

熱電聯產和純發熱機組燃料費用函數分別為：

式中：Pci、Hci分別為熱電聯產機組i的有功出力及熱功率；H_hi為純發熱機組i的熱功率；αi、βi、γi、δi、εi、ξi為熱電聯產機組 i的燃料費用系數；ψi、ηi、λi為純發熱機組i的燃料費用系數。

儲能系統的充放電費用函數為：

式中：πB是儲能的充放電費用系數，取0.6元/kWh；Δt為單位調度時間；和分別為時段t儲能的充電和放電功率。

1.1.2 碳排放計算函數

將熱電聯產機組在供熱和供電過程中燃料燃燒產生的CO2排放量考慮在內，具體的數學模型如下所述。

式中：ETOTAL為CO2總排放量；Epi、Eci、Ehi分別為純火電發電機組、熱電聯產機組與純發熱機組的CO2排放量；m為燃燒的燃料的量，單位為kg/年或m3/年；i為消耗的化石燃料種類；為化石燃料中CO2的排放系數，單位為tCO2/年/kg或tCO2/年/m3。

Vc為化石燃料的含碳量。

表1：不同模式下的總燃料費用、總排放量對比

1.2 儲能系統

儲能作為可靈活調節出力的單元，能夠對電能進行合理地轉移，在時間上解耦電能的生產和消耗。讓儲能充分參與到系統調峰任務當中，在負荷低谷時儲存電能，在負荷高峰期釋放電能，減小系統峰谷差，使得發電、用電趨于平衡。合理配置儲能系統容量，制定與機組經濟運行相結合的儲能充放電策略，將系統出力進行最優分配，不僅能夠提高熱電聯產機組參與系統調峰的能力，而且保證系統運行的經濟和高效性。儲能系統形式多樣，包括蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、超級電容、相變儲能、氫儲能等都是目前國內應用較為廣泛的儲能形式。而蓄電池儲能的功率和能量可根據不同應用場合需求靈活配置，響應速度快，不受地理等外部條件的限制，在電力系統調峰、調頻和調壓等方面發揮重要的作用，因此本次研究選用技術成熟，成本低，響應時間快的鉛酸蓄電池，其容量與充放電量的數學模型如下所述。

式中：EES(t)為時段t儲能容量； τ為電儲能自放電率；和 ηch、ηdis分別為時段t儲能的充放電功率及效率。

文獻[7]中提供了一種儲能容量配比的方法，儲能容量依據發電機組裝機容量的百分比配置，文中分別選取了15%、20%和25%的比值進行測試，對比三種不同比值下的機組運行成本和碳排放量數據，測試對比結果表明，儲能容量配比為發電機組裝機容量的20%時，機組的運行成本和碳排放量最低。因此，本次研究參考此種方法，確保系統經濟運行，擬配置25MWh的儲能系統。

1.3 約束條件

熱電聯產機組運行的約束條件包括: 電功率平衡約束、熱功率平衡約束、設備功率約束。

式中：PR、PL分別為系統的電負荷需求和網絡損耗；HR為系統的熱負荷需求；分別為純發電機組出力的上、下限；分別為熱電聯產機組發電出力的上、下限；分別為熱電聯產機組的熱功率上、下限；分別為純發熱機組的熱功率上、下限。

儲能系統約束條件：

2 遺傳算法

本次研究仍然采用遺傳算法，其基本原理是模擬自然選擇和遺傳中發生的復制、交叉和變異等現象，從任一初始種群出發，通過隨機選擇、交叉和變異操作，產生一群更適應環境的個體，使群體進化到搜索空間中越來越好的區域，這樣一代一代地不斷繁衍進化，最后收斂到一群最適應環境的個體，求得問題的最優解。

3 算例分析

本研究是建立在《嵌入碳排放限制的環保熱電聯產系統經濟運行分析》研究的基礎上，模型仍然是含有4臺純發電火電機組、2臺熱電聯產機組和1臺純發熱機組。該系統的電、熱負荷需求分別為650MW和200MW。本次算法程序語言編寫使用MATLAB R2014b進行。

以浙江省某地區實際數據為例。某天該系統出力曲線與引入儲能技術的系統出力曲線如圖1所示。儲能充放電功率曲線如圖2所示，調度時間段T=24h，單位調度時間Δt=1h。

從調峰性能的角度分析，引入儲能技術的經濟運行模式，低谷階段系統內用電量較低，儲能系統充能，可等效為負荷用電；高峰階段系統內用電量較高，儲能系統釋放電能，可等效為供電電源。儲能系統將能量進行適當轉移，有效削減了系統峰谷差，整體提高了熱電聯產機組參與系統調峰能力。而常規運行模式、考慮經濟運行模式和嵌入碳排放限制的經濟運行模式都不能有效改善系統的調峰能力，減少系統的峰谷差。

圖1：系統出力曲線與引入儲能技術的系統出力曲線

圖2：儲能充放電功率曲線

從總費用和總排放量的角度分析，考慮經濟運行模式與常規運行模式相比，總燃料費用減少了3%，但總排放量下降不明顯；嵌入碳排放限制的經濟運行模式與常規運行模式相比，總排放量下降了12%，但總燃料費用上漲；嵌入碳排放限制的經濟運行模式與考慮經濟運行模式相比，總排放量下降，同時總燃料費用增加。引入儲能技術的經濟運行模式與其它三種模式相比，總排放量下降，同時總燃料費用上漲。

綜上所述，考慮經濟運行模式相比于常規運行模式而言，總成本降低；嵌入碳排放限制的經濟運行模式相比于常規運行模式而言，減排效果顯著；引入儲能技術的經濟運行模式相比于常規運行模式而言，機組整體調峰能力增強，同時也能起到很好的減排作用。

4 結束語

本文是在《嵌入碳排放限制的環保熱電聯產系統經濟運行分析》研究基礎上借助已經建立的經濟運行模型，同時為改善熱電聯產機組參與系統調峰能力，引入儲能系統，合理配置儲能系統容量，制定與機組經濟運行相結合的儲能充放電策略，將系統出力進行最優分配，最終利用先進的智能計算機仿真與算法應用在實際算例當中驗證建立模型的可行性，得出以下結論：

（1）相對于傳統的熱電聯產機組運行方式而言，引入儲能技術的熱電聯產機組經濟運行方式可有效改善系統峰谷差，使系統內能量達到最優分配，成本雖有所上漲，但整體有利于電力系統安全運行。

（2）該方式大幅度提升了系統的調節能力和靈活性，為今后熱電聯產機組參與類似調峰任務提供參考。

（3）可依據本模型進一步研究不同儲能裝置、不同儲能配比容量與熱電聯產機組經濟運行結合提高系統調峰能力的差異性。