基于棄風(fēng)-熱的采暖負荷的聯(lián)合調(diào)度補償方法研究

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830011;2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 834200； 3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引 言

風(fēng)電由于其可再生和無污染的特點，在減少大氣污染和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中起著重要的作用[]。但是由于近幾年新能源機組和負荷嚴重的不匹配增長[2]，是導(dǎo)致新疆地區(qū)“棄風(fēng)”的主要原因。目前提高新能源消納的方法有柔性負荷主動參與調(diào)峰[3-4]、火電機組改造[5]、抽水蓄能電站建設(shè)[6]、特高壓外送通道建設(shè)[7]以及電能替代[8]等措施。

負荷主動參與到電力系統(tǒng)的調(diào)度中，可以減少電網(wǎng)或者電源的建設(shè)費用。文獻[9]提出了基于等舒適度損失原則的空調(diào)調(diào)溫策略。文獻[10]根據(jù)人體舒適度，建立不同的空調(diào)負荷控制模式。文獻[11]通過單條饋線上風(fēng)速和電采暖負荷的分布，計算電采暖和風(fēng)速分布的相關(guān)性。文獻[12]根據(jù)溫度預(yù)報的電采暖控制，挖掘了電采暖在電力系統(tǒng)的巨大潛力。文獻[13]通過對比不同供熱方式，驗證了新能源電采暖方式的環(huán)境和價格優(yōu)勢。文獻[14]提出了間歇供暖的方式，但是在嚴寒地區(qū)可能造成壁面結(jié)露，在新疆地區(qū)并不適應(yīng)。文獻[15]分析了新疆某地區(qū)不同電采暖負荷的優(yōu)缺點。

但是上述文獻均是將某條線路上電源與負荷或者局部電源與負荷結(jié)合分析，沒有專門針對棄風(fēng)或者棄光進行分析；而在電力市場研究中，采用構(gòu)造極端數(shù)據(jù)而沒有具體結(jié)合到實際算例[16]進行研究。

下面將“棄風(fēng)”電量和采暖負荷相結(jié)合，進行聯(lián)合調(diào)度，通過補償平衡各方利益，促進新能源的消納；提出了一種基于采暖負荷跟隨風(fēng)電出力變化從而實現(xiàn)系統(tǒng)成本最低的調(diào)度方法。通過新疆某地區(qū)的實際算例，驗證了所提聯(lián)合調(diào)度方法在技術(shù)上的有效性，并在實際的補償方法中具有較高的效率指數(shù)，對實際電采暖負荷的推廣有指導(dǎo)意義。

1 采暖負荷模型、聯(lián)合調(diào)度方法及補償方法

1.1 采暖負荷建模

采暖負荷的建模僅考慮了熱的暫態(tài)過程實現(xiàn)熱的暫態(tài)平衡，沒有考慮熱的動態(tài)過程。首先根據(jù)等效房間計算出不同內(nèi)、外溫條件下所需的單位面積供熱功率，然后計算出當(dāng)?shù)丶泄峥偯娣e下的供熱功率。

在構(gòu)建等效的房間內(nèi)熱力學(xué)模型時，考慮了每天的散熱指標(biāo)以及房間內(nèi)空氣參數(shù)、不同墻體之間導(dǎo)熱的差異性，構(gòu)建了房間內(nèi)溫度和其他相關(guān)參數(shù)的狀態(tài)方程[16]。等效單位房間面積上單位時間內(nèi)等效用戶的采暖計算公式為

(1)

式中：Q為單位房間內(nèi)單位時間的傳輸熱量；A、S分別為用戶房間的總面積、外表面積;ξ為房間散熱指標(biāo);Tin(t)為室內(nèi)溫度;Tout(t)為室外溫度。

推導(dǎo)出簡化的熱力學(xué)參數(shù)方程[12]，描述電采暖的動態(tài)過程為

(2)

1.2 聯(lián)合調(diào)度方法

首先計算出該地區(qū)房間內(nèi)恒溫度所需的采暖負荷量；然后根據(jù)棄風(fēng)量，在約束條件下采用不同的溫度調(diào)度方法；最后根據(jù)各方的電量信息，平衡各方收益來確定補償方法。聯(lián)合調(diào)度模型如圖1所示。

圖1 聯(lián)合調(diào)度模型

1.3 補償方法效率評價指數(shù)

風(fēng)電企業(yè)將采暖用戶多付出的電費用補償后，在剩余的利潤中，通過不同的方案補償燃氣供熱機組并計算出其效率化指標(biāo)。

當(dāng)供熱全部由風(fēng)力發(fā)電提供的情況下，效率是最高的，將其效益指標(biāo)均一化為1，然后計算出其他模式下的效率化指數(shù)。

第1種方法是風(fēng)電企業(yè)完全補償燃氣供熱機組的利潤；第2種方法是對燃氣供熱機組售價進行補償；第3種方法是燃氣供熱機組供熱按照電費售價進行補償。3種補償方式分別由S1、S2、S3表示。

1)計算出雙方不同溫度控制目標(biāo)下不同補償模式收益的平均值

(3)

2)計算出不同溫度控制目標(biāo)下不同補償模式的標(biāo)準(zhǔn)差δi。

(4)

3)計算出公平性指標(biāo)f

f=δi/δe

(5)

式中：δe是風(fēng)電完全供熱的收益；δi為3種補償模式下的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 電采暖負荷跟隨風(fēng)電出力的調(diào)度方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

聯(lián)合調(diào)度目標(biāo)是在不增加采暖用戶費用的基礎(chǔ)上，減少更多的棄風(fēng)，同時平衡供熱機組與風(fēng)電企業(yè)的利潤。

系統(tǒng)成本最小的調(diào)度目標(biāo)函數(shù)為

(6)

供熱機組的供熱成本為

(7)

式中：CH為供熱負荷的成本；d、e、f為供熱機組的運行參數(shù)。

原調(diào)度方法的供熱機組的收益Rw1為

(8)

第2種補償方法中供熱機組參與聯(lián)合調(diào)度的收益Rw2為

(9)

第3種補償方法中供熱機組的收益Rw3為

(10)

式中，re為電采暖價格。

由于是棄風(fēng)電量參與聯(lián)合調(diào)度，因此可以認為風(fēng)電企業(yè)該部分的成本為0。

風(fēng)電企業(yè)的收益為

(11)

式中：Rw為風(fēng)電企業(yè)收益；rd為電網(wǎng)企業(yè)支付給風(fēng)電企業(yè)的費用；rt為國家對風(fēng)電企業(yè)的補貼費用。

電采暖負荷實施需求響應(yīng)的補貼成本為

(12)

2.2 約束條件

1)熱功率平衡約束

(13)

2)供熱機組約束

出力約束：

(14)

爬坡約束：

ht/ht-1≤RAMPup

(15)

ht/ht-1≤RAMPdown

(16)

式中，RAMPup、RAMPdown分別為供熱機組功率最大上行和下行爬坡速率。

電采暖的響應(yīng)時間非常短，沒有爬坡約束條件；電采暖的功率約束條件為

(17)

人體對溫度舒適度的約束如圖2所示。

圖2 人體溫度與舒適度隸屬度關(guān)系

3 算例仿真

3.1 地區(qū)情況分析

新疆某地區(qū)風(fēng)電裝機容量1791 MW，由于其常規(guī)負荷較小，棄風(fēng)率可達20%。其中算例當(dāng)天風(fēng)力實際發(fā)電為16 537.5 MWh，理論風(fēng)力發(fā)電量為19 849.7 MWh，棄風(fēng)電量為3 312.2 MWh；該地區(qū)集中供暖面積為6.65×106m2，其中供熱機組1臺，技術(shù)參數(shù)如表1所示[3]。供熱的價格為350元/MWh，供電的價格為400 元/MWh。

表1 供熱機組參數(shù)

圖3 溫度曲線

該地區(qū)2017—2018年采暖季節(jié)的最低溫度為13 ℃，選取該地區(qū)1月29日作為算例研究，該日的溫度變化曲線如圖3所示。該地區(qū)風(fēng)力的實際發(fā)電量、理論發(fā)電量和棄風(fēng)電量如圖4所示。

圖4 風(fēng)力發(fā)電曲線

等效建筑物的建筑面積為120 m2，參數(shù)如表2所示。

表2 等效房間參數(shù)

按照式(2)計算出該地區(qū)隨氣溫變化下室內(nèi)溫度分別為20～24 ℃所需要的采暖負荷的功率如圖5所示。

圖5 采暖負荷的功率

3.2 調(diào)度與補償方法研究

采用系統(tǒng)成本最小的調(diào)度方法，棄風(fēng)沒有任何價值，如果將棄風(fēng)轉(zhuǎn)化為電采暖，系統(tǒng)的成本則會最小。聯(lián)合調(diào)度是線性混合規(guī)劃問題，采用lingo12進行計算，供熱機組功率如圖6所示。

電采暖負荷和棄風(fēng)情況分別如圖7和圖8所示；不同溫度控制目標(biāo)下的各補償情況如表3所示。

因為風(fēng)電產(chǎn)生的效益更高，此時取風(fēng)電全供暖情況，然后計算出3種補償方法的公平系數(shù)，不同補償方法的對比結(jié)果如表4所示。

圖6 供熱機組功率

圖7 電采暖負荷功率

圖8 棄風(fēng)情況

由表4可知，第3種補償方法的公平性指標(biāo)較其他補償模式均有較大的提高，在減少棄風(fēng)的聯(lián)合計劃中，對減少棄風(fēng)有較大的幫助。

4 結(jié) 語

采用棄風(fēng)-熱采暖負荷聯(lián)合調(diào)度的方式可以大幅提高風(fēng)電的消納率，減少棄風(fēng)；同時可以減少環(huán)境污染，節(jié)約能源，促進可持續(xù)發(fā)展。

在新的聯(lián)合調(diào)度補償方法中，將供熱機組供熱按照全電量補償方法，可以較大地提高交易中的效率指標(biāo)，平衡各方利潤，促進棄風(fēng)電量的消納。

在所提的聯(lián)合調(diào)度模型中，仍然有棄風(fēng)的現(xiàn)象，需要配置儲能或儲熱裝置，或者增加其他的負荷參與調(diào)度，進而實現(xiàn)風(fēng)電的零棄風(fēng)。

表3 不同溫度控制目標(biāo)下的各補償方法情況 單位：萬元

表4 不同補償方法效率指數(shù)對比