基于清潔供暖的多能互補系統能量管理策略研究

李春來 朱慧敏 苑舜 施濤

摘 要：從促進清潔能源消納的角度出發，在風光儲多能互補系統中引入清潔供暖，進一步增加清潔能源的消納空間。在此基礎上，研究考慮清潔供暖的風光儲多能互補系統能量管理問題，提出一種以能源消費成本最小化為目標的風光儲多能互補系統能量管理策略，并通過算例分析驗證了該策略的有效性。

關鍵詞：清潔供暖;多能互補;能量管理;能量自平衡

0? ? 引言

近年來，隨著風力發電、光伏發電等清潔能源發電技術的大規模推廣和應用，我國清潔能源發電的裝機容量不斷增長。截至2019年底，全國風力發電裝機容量達2.1億kW，光伏發電裝機容量達2.04億kW。與此同時，由于風電、光伏發電受風速、光照等自然資源和環境條件的影響，其出力呈現間歇性、隨機性和波動性的特征，受電力系統調峰調頻以及輸送能力等因素的影響，在某些地區出現了嚴重的棄風棄光限電問題，引起了社會各界的廣泛重視[1]。為了促進清潔能源的消納，一方面基于功率預測技術的進步提高風力發電、光伏發電功率預測的精度;另一方面利用風能、太陽能、電能、熱能等多種能源形式之間的轉化與互補特性構建多能互補系統，拓展清潔能源的消納空間[2-3]。文獻[4]提出了一種儲熱式供暖系統的簡化線性調度模型，并將其應用到風電供暖調度決策中，進而提高風電的消納水平。文獻[5]提出了一種光熱電站電加熱裝置功率優化配置方法，并將其應用到多能互補基地的配置方案中，有效減少了棄風棄光電量。文獻[6]對基于多能互補的綜合能源系統的基本理論和物理特性進行了闡述，歸納總結了當前多能互補系統生產優化面臨的關鍵技術問題。

本文從促進清潔能源消納的角度出發，研究考慮清潔供暖的多能互補系統能量管理問題，提出一種以能源消費成本最小化為目標的多能互補系統能量管理策略，并通過算例分析驗證了該策略的有效性。

1? ? 清潔能源供暖原理模型

當多能互補系統所在區域的本地負荷較小，外送通道有限，風電、光伏發電等清潔能源發電的理論發電量超出消納空間時，將會發生棄風棄光限電現象。如果結合現有電網改造，將原來由燃煤供暖改造為電蓄熱鍋爐供暖，增大系統的負荷，則可以增加清潔能源發電的消納空間，減少棄風棄光。圖1為棄風棄光電量轉化為電蓄熱鍋爐供暖示意圖。

電蓄熱鍋爐作為清潔供暖的能量載體，其電熱轉換特性如下式所示：

Ceh·Ph=Phin+Phd? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

0≤Ph≤Phmax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，Ceh為電熱轉換系數，此處取1;Ph為電鍋爐用電功率;Phin為蓄熱罐蓄熱功率;Phd為電鍋爐直接供熱功率;Phmax為電鍋爐最大用電功率。

電鍋爐蓄熱過程需滿足蓄熱罐蓄熱容量和蓄/放熱功率的限制，即：

0≤Qhs≤Qhs，max? ? ? ? ? ? ?（3）

0≤Phin≤Phin，max? ? ? ?（4）

0≤Phout≤Phout，max? ? ? ? ? ? （5）

式中，Qhs為蓄熱罐儲熱量;Qhs，max為蓄熱罐儲熱容量;Phout為蓄熱罐放熱功率;Phin，max、Phout，max分別為蓄熱罐蓄熱和放熱功率最大值。

2? ? 能量管理優化模型

2.1? ? 目標函數

在風光儲多能互補系統的基礎上，引入清潔能源供暖設施，建立以多能互補區域內能源消費成本最小化為目標的能量管理優化模型，目標函數如下所示：

min f=Pex，i·λi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，f為調度周期T內的能源消費總成本;Pex，i為第i時刻多能互補系統供電區域與外部公共電網的電力交互功率（注入為正，流出為負）;λi為第i時刻外部公共電網的分時購售電價。

2.2? ? 約束條件

風光儲多能互補系統需滿足電/熱功率平衡、儲能系統功率/容量限制等約束條件。

（1）電功率平衡約束：

PLe=PWG+PPV+Pes+Pex? ? ? ? ? ? （7）

式中，PLe為多能互補區域內的電力負荷;PWG為風力發電功率;PPV為光伏發電功率;Pes為電池儲能放電功率;Pex為外部公共電網的注入功率。

（2）熱功率平衡約束：

PLh=Phd+Phout? ? ? ? ? ? （8）

式中，PLh為多能互補區域內的熱力負荷。

（3）電池儲能充/放電約束：

0≤|Pes|≤Pes，max? ? ? ? ? ? ?（9）

0≤|Ees|≤Ees，max? ? ? ?（10）

式中，Pes為電池充/放電功率;Pes，max為電池儲能設施充/放電功率上限;Ees為電池能量存儲狀態;Ees，max為電池能量存儲空間上限。

（4）蓄熱設施蓄/放熱約束：

電鍋爐蓄熱設施蓄/放熱需滿足式（1）～（5）所規定的約束條件。

（5）聯絡線交互功率約束：

0≤|Pex|≤Pex，max? ? ? ? ?（11）

式中，Pex，max為聯絡線交互功率上限。

3? ? 算例分析

本文以某多能互補基地為例進行分析。該基地內包含光伏發電20 MW，風力發電20 MW;儲能電池2 MW/2 MWh;電蓄熱式鍋爐10 MW，其蓄熱能力為2 MW/4 MW。某典型日00：00—24：00點電力負荷、熱力負荷以及光伏、風電的功率預測數據如表1所示，其中，電力負荷不含電鍋爐的用電負荷。儲能系統初始能量狀態取20%額定容量。

外部公共電網的購售電價采取分時電價，充分發揮價格的杠桿作用，調動用戶自覺調整生產計劃，參與削峰填谷、均衡用能等需求側響應的積極性，如表2所示。

基于上述功率預測信息，利用能量管理優化模型求解可得多能互補系統的優化調度方案。其中，光伏發電量131.18 MWh，全額消納;風力發電量274.30 MWh，全額消納;外部公共電網供電量316.88 MWh。電鍋爐和蓄熱罐蓄/放熱計劃如圖2所示，總供熱負荷為144.43 MWh。通過電池儲能充放電和蓄熱罐蓄/放熱的靈活調節，實現多能互補系統整個調度周期內的能源生產和消費成本最小化，即19.2萬元。

4? ? 結語

清潔供暖是當前拓展清潔能源發電空間，提高清潔能源消納水平的重要舉措。本文在風光儲多能互補的基礎上，進一步引入電蓄熱鍋爐系統，基于熱電負荷耦合特性，通過多能互補和協調優化實現多能互補系統區域內能源生產和消費成本最小化目標。與此同時，多能互補系統的配置方案并不局限于清潔供暖、儲電蓄熱等形式，下一步將重點研究風電制氫、冷熱電聯產等多能耦合條件下的能量管理策略問題，為清潔能源的規模化開發和高效利用提供技術支撐。

[參考文獻]

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[2] 朱凌志，陳寧，韓華玲.風電消納關鍵問題及應對措施分析[J].電力系統自動化，2011，35（22）：29-34.

[3] 舒印彪，張智剛，郭劍波，等.新能源消納關鍵因素分析及解決措施研究[J].中國電機工程學報，2017，37（1）：1-8.

[4] 周瑩，戴遠航，陳磊，等.儲熱式電供暖系統的簡化線性調度模型及其應用[J].東北電力技術，2018，39（12）：1-5.

[5] 劉成，李富春，史龍，等.光熱電站電加熱裝置功率優化配置研究[J].電力勘測設計，2019（12）：65-69.

[6] 喬彥哲，顏寧，馬少華，等.考慮多能互補的綜合能源系統聯合規劃及發展綜述[J].電器與能效管理技術，2019（19）：15-22.

收稿日期：2020-03-11

作者簡介：李春來（1980—），男，遼寧朝陽人，高級工程師，從事風電、太陽能等新能源發電及并網技術領域的研究工作。