促進風電消納的多源協調調度策略

陳曉光, 榮 爽，關萬琳，郝文波，徐明宇

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

中國北方富風區與供暖區高度重疊，由于電熱負荷矛盾，電力系統調峰能力在供暖季谷荷時段尤顯緊張[1-2]。然而，隨著風電大規模接入電網，其反調峰特性會增加電網對電源參與調峰能力的需求。此外，“以熱定電”的CHP(combined heat and power)機組規劃與運行政策限制了其調節能力，激化了供暖期風電場限電率居高不下的問題[3-4]。以黑龍江省為例，2016-2017年全省風電棄電率一直保持在15%以上，各年供暖期內的棄風電量均占到當年總棄電量的90%以上。

針對風電的間歇性、波動性和反調峰特性問題，當前主流應對方法是增設儲能系統(Energy Storage System，ESS)，通過能量的轉化與存儲來實現對間歇性、波動性能源的平抑[5-7]。導致供暖季棄電率高的主要原因之一是電熱負荷之間的峰谷矛盾。高比例的熱電聯產機組在提高能源使用效率的同時也降低了電熱源種類的豐富性，CHP機組的電熱耦合關系也加劇了熱電負荷的強連接性。因此，可以考慮為供暖系統提供附加熱源，如電鍋爐、儲熱罐等，豐富熱源種類，降低CHP機組熱需求，柔化電熱負荷耦合關系，提高供暖期風電消納的能力[8-9]。

針對風電非線性、高離散等特點，諸多包含風電的儲能設備協調調度優化算法已被提出，如啟發式算法[10-11]、拉格朗日松弛法[12-13]、現代智能優化算法[14-16]和動態規劃法[17-18]等。現有研究多針對單一能量存儲技術進行分析，而含有多種能量存儲特點的復合型能量存儲系統可對間歇性能源進行更好的消納。

研究供暖期電力谷荷時段附加熱源的多源協調配合問題，明確各類電源、熱源及儲能設備的工作方式并分析其運行成本，以保證一定棄風消納效果為前提，以綜合附加熱源系統運行總費用最低為優化目標，制定供暖期電力谷荷時段多熱源協調調度策略，為科學降低黑龍江省供暖期棄風高發問題提供可行的解決方案和理論支持。

1 電源、熱源、儲能設備控制方式

1.1 CHP機組控制方式

熱電聯產機組同時擔當電網的電源和熱網的熱源，按照“以熱定電”政策要求，對CHP機組輸出功率進行調節時需以保證供熱穩定為前提。因此，在電力谷荷時段，降低CHP機組的電輸出功率需要附加熱源和熱網的配合。CHP機組控制方式如圖1所示。

圖1 CHP機組控制方式Fig.1 Control mode of CHP unit

1.2 儲熱罐控制方式

儲熱罐在每個調度周期前，需要根據電熱負荷的預測信息設置本調度周期內各調度時段的儲放策略。儲熱罐調度方式如圖2所示。

圖2 儲熱罐調控模式Fig.2 Control mode of heat storage tank

一般來說，儲熱成本要低于電供暖成本，因此，當出現棄風時，應先利用儲熱罐內的熱能促進風電消納。當網上棄風需要進一步利用電鍋爐來進行消納時，可根據儲熱罐剩余熱量狀態，確定儲熱罐吸收熱能功率。

1.3 電鍋爐控制方式

電鍋爐具有調節速度快且可實現無極調節的特點。因此，電鍋爐有較強的凈負荷跟蹤能力。當電網出現棄風時，根據棄風功率來調整系統內所有電鍋爐工作總負荷功率。電鍋爐的工作負荷應依據對應的儲熱罐能荷狀態及CHP機組此時的運行成本來確定，并根據儲熱罐能荷狀態和棄風消納情況來確定其所產生熱能的輸出去向。電鍋爐控制方式如圖3所示。

圖3 電鍋爐調控模式Fig.3 Control mode of electric boiler

2 多熱源協調調度模型

2.1 多源協調調度優化目標及運行約束

2.1.1優化目標

在保證風電消納量的前提下，以電熱混合系統運行成本最低作為協調調度的優化目標，根據已制定的日前發電、供熱計劃，參考電網及熱網預測信息對日內滾動發電計劃進行調整。

運行成本主要由CHP機組、電鍋爐、儲熱罐的運行費用構成。其他電源不參與供暖調節，故其運行費用不予考慮。協調調度運行成本優化目標可由式(1)表示。

minCdis=CCHP+CEB+CHS

(1)

式中：Cdis為系統運行成本，萬元；CCHP為CHP機組運行成本，萬元；CEB為電鍋爐運行成本，萬元；CHS為儲熱罐運行成本，萬元。

CHP機組運行成本可由式(2)表示。

(2)

(3)

式中：ai為發電經濟系數；bi為供熱經濟系數；ci為運行經濟系數；cm,i為機組電/熱出力比率。

電鍋爐運行成本主要由購電費用構成，可由式(4)表示。

(4)

2.1.2運行約束

電熱混合系統運行時不僅需要考慮電網和熱網的能量平衡約束，還要考慮CHP機組的爬坡速率約束、CHP機組的熱電耦合約束以及電鍋爐和儲熱罐運行時所需考慮的約束條件。

1) 能量平衡約束

電力平衡約束

(5)

熱力平衡約束

(6)

2)CHP機組運行約束

電出力約束

(7)

熱出力約束

(8)

CHP機組熱電耦合約束

在電力谷荷時段，為了壓縮上網電量，CHP機組一般以背壓工況運行，其電、熱出力呈線性關系。

Hn,t≤Cm,n·Pn,t+Kn

(9)

式中：Cm,n為機組n在背壓工況下熱電比；Kn為常數。

CHP機組爬坡速率約束

(10)

3) 電鍋爐及儲熱罐運行約束

電鍋爐及儲熱罐熱出力約束

(11)

電鍋爐及儲熱罐電出力約束

(12)

儲熱罐儲能約束

(13)

2.2 兩級式優化調度模型

將多源協調調度分為系統級和機組級兩個層級分別進行優化。在第一層級，以風電消納量最高為優化目標，確定每種熱源應承擔的熱負荷量；第二層為機組及設備間優化，分為兩個階段，第一階段根據各CHP機組的運行經濟性優化各CHP機組出力，第二階段依據各類附加熱源的工作特點，協調調度各類附加熱源用電及熱輸出功率，補充因熱電聯產機組熱出力下降而產生的熱能缺額。兩級式協調調度模型如圖4所示。

圖4 兩級式多熱源協調調度優化模型Fig.4 Two-level optimal model of multi-heating sources coordinative dispatching

2.2.1 第一層級優化

第一層級優化調度在系統級進行，以消納最多棄風電量為優化目標，以求得的棄風功率和各類熱源、附加熱源應參與的調度份額為輸出結果。

棄風消納由兩部分構成：通過CHP機組電出力降低提供的風電上網空間和電鍋爐及儲熱罐的用電負荷。

(14)

對CHP機組的熱力補充主要包含兩部分：儲熱罐的熱出力及電鍋爐轉化的熱能。

(15)

式中：ΔHCHP,j,t為CHP機組j在t時刻減少的熱出力，MW；HHS,j,t和HEB,j,t分別為電鍋爐和儲熱罐j的熱出力，MW。

2.2.2 第二層級優化

1)CHP機組出力分配階段

利用動態規劃法以CHP機組總運行費用最低為目標，對各CHP機組的運行進行優化。

動態規劃法是屬于運籌學的一種優化方法，以求解決策過程最優化為優化目標。它將全局問題分解為若干個子問題，以此求解各子問題，各個子問題之間并不獨立，相互之間存在影響。在求解每個子問題的過程中，窮舉所有可行解，依據決策判據在所有可行解中得到最優局部解。以此類推，對全部子問題進行尋優，再從累積的局部解集合中尋求解決全局問題的最優解。將各CHP機組應承擔電出力下降份額作為全局問題，以所有CHP機組總調節費用最低作為全局優化目標。將總下降功率切分為若干個功率下降區間，將各個功率下降區間作為子問題，在求解子問題過程中，計算各臺CHP機組承擔該功率調整區間所產生的調節費用，將其列為子問題的可行解；將子問題的決策條件設定為調節費用最低；令該子問題的最優解為子解，由該子解對應的CHP機組承擔該功率下降區間，其他機組出力不變；最后，求得所有CHP機組在所有子功率區間的累計值作為CHP機組出力分配優化結果。

2)儲熱罐、電鍋爐協調調度階段

根據CHP機組出力優化結果，確定每臺CHP機組對應的電鍋爐和儲熱罐應補充的熱出力。

電鍋爐所消耗的電能主要來自電網，雖可享受峰谷電價及清潔供暖價格補貼，但其熱能成本一般仍高于儲熱罐。因此，對CHP機組的熱補充應先充分利用成本較低的儲熱罐儲熱。

電鍋爐可以通過降低CHP機組電出力和提供電網負荷兩種途徑促進風電消納，故其有更高的風電消納能力。電鍋爐的用電功率調節速度快且可實現無極調控，因此，除了協同消納儲熱罐無法單獨消納的棄風外，還可利用其快速調節能力來消納因CHP機組爬坡速率約束所不能消納的棄風。

3 算例分析

3.1 仿真模型及參數設計

算例模型以文獻[19]中的仿真算例為基礎，并加以適當修改。算例系統內各供暖區的熱電聯產機組編號、經濟參數如表1所示。

表1 熱電聯產機組編號及其經濟參數Table 1 Number and economic parameters of CHP unit

附加熱源配置如表2所示。為保護儲熱罐裝置的健康使用，當儲熱罐剩余熱量不足30%時，停止向外送熱，當超過90%時停止向內儲熱。

表2 各附加熱源配置Table 2 Configuration of each auxiliary heating source

取哈爾濱第三熱電廠2018-2019年供暖季某連續3日熱負荷數據作為算例的熱負荷數據來源，如圖5所示。

圖5 日熱負荷變化曲線Fig.5 Variation curves of daily heating load

3.2 計算仿真與結果分析

算例仿真計算應用兩級式協調調度模型，對算例系統內CHP機組和附加熱源的調度運行進行優化，依據優化結果制定出混合算例系統的滾動發電、供熱計劃。圖6所示為在谷荷時段系統級風電消納能力的優化結果。隨著附加熱源的投入，大部分棄風電量可被消納，在相同配置條件下，電鍋爐的棄風消納能力要強于儲熱罐，這源于電鍋爐可通過電、熱兩個方面實現對棄風的消納。在電力谷荷時段前期，儲熱罐和電鍋爐都能積極參與棄風消納，而在03:45之后，儲熱罐內存儲熱量多已釋放，谷荷時段后期的棄風消納則主要由系統內的電鍋爐承擔。

圖6 谷荷時段系統級風電消納Fig.6 Wind power consumption at system level in valley load period

從圖6可以發現，即便有了附加熱源的參與，仍有部分風電不能完全消納，其主要原因有如下幾點：

1)系統內的電功率超過系統可消納的范圍；

2)儲熱罐儲熱量耗盡，不能向系統提供熱能，附加熱源整體棄風消納能力降低。

圖7所示為利用動態規劃法優化后CHP機組在電力谷荷時段的運行情況。

圖7 谷荷時段各CHP機組熱出力Fig.7 Output of heating power of each CHP unit

由圖7可知，3號熱電聯產機組調節費用最低。因此，首先對3號機組的熱出力進行調節，而后調節1號、2號，最后調節4、5、6號機組。當調節單臺機組不能滿足要求時，應優先調節成本低的機組。

圖8為電力谷荷時段各儲熱罐的調度情況。

圖8 谷荷時段各儲熱罐調度情況Fig.8 Dispatching of each heat storage tank in valley load period

由于儲熱罐放熱功率直接影響CHP機組熱出力，因此對儲熱罐放熱的選擇由CHP機組調度成本決定。已知3號CHP機組調度費用最低，因此3號CHP機組對應的儲熱罐熱備最先投入工作，而后依次為1、2號機組。4號機組的調度費用最高，因此只在棄風最嚴重的情況下對其進行調度，如圖8(a)。圖8(b)為各儲熱罐的儲能變化情況。在電力谷荷時段，儲熱罐的能量剩余與其熱出力相關，熱出力越大，儲熱罐儲量下降速度越快。

圖9所示為供暖期電力谷荷時段附加熱源各電鍋爐用電情況。在01：00前，電網棄風功率較低，主要消納棄風的任務由附加熱源中的儲熱罐承擔，電鍋爐主要承擔對凈負荷預測誤差導致的棄風消納。而后，隨著網上棄風功率的提高，電鍋爐的工作狀態由主要消納凈負荷預測誤差棄風轉為消納因風電-電力負荷峰谷矛盾導致的棄風，各電鍋爐均以較高的用電水平工作。03：45后，因儲熱罐的剩余熱量水平接近設計下限，此時段對棄風的消納主要由電鍋爐完成。因電鍋爐轉化的熱能可以存儲至儲熱罐，因此，在對電鍋爐選擇時，優先選擇余熱量狀態較低的儲熱罐所對應的電鍋爐。

圖9 電鍋爐電功率Fig.9 Electric power of electric boilers

4 結 語

提出了在高風電滲透率背景下供暖期電力谷荷時段復合能源系統內熱電聯產機組與作為附加熱源的儲熱罐和電鍋爐之間的協調調度策略，該策略以保證棄風消納效果為前提，以調度成本最低為目標，利用兩級調度優化模型，實現了對多種電熱源的調度優化。通過算例分析，證明了該方法可在有效降低棄風電量的同時，合理經濟地調配包括熱電聯產機組、電鍋爐和儲熱罐在內的多種電熱源。