儲熱式電鍋爐消納風電技術研究

王暉 董桂林

摘要：目前我國風電發展非常迅速，但依然存在著大量的棄風問題。棄風問題不僅造成了資源的嚴重浪費，也給國民經濟等帶來了不可估量的損失。結合我國當前電力系統運行特點及風力發電實際區域情況，對電網棄風原因進行具體分析，提出了一種儲熱式電鍋爐消納棄風供熱技術方案及其數學模型，這對于促進風電供熱就地消納、緩解冬季風電并網運行困難具有非常重要的意義。

關鍵詞：儲熱式電鍋爐;消納棄風;儲熱;風電供熱

0 ? ?引言

近年來，伴隨著新能源發電技術的高速發展，風電機組裝機容量也在飛速增長，但依然存在著大量的棄風問題。根據2016年國家能源局發布的風電相關統計數據，我國在2016年總共棄風電量高達497億kWh。

為推進風電相關產業更加快速發展，研究新能源領域如何更好地消納棄風電量已經迫在眉睫。本文提出了一種儲熱式電鍋爐消納棄風供熱的技術方案及其數學模型，以期合理解決棄風問題。

1 ? ?儲熱式電鍋爐消納棄風供熱機理

以儲熱式電鍋爐消納棄風電量進行供熱的原理是將儲熱式電鍋爐作為熱源代替普通燃煤鍋爐。儲熱式電鍋爐主要由兩部分組成，分別是電極鍋爐部分和蓄熱管部分。儲熱式電鍋爐是一種高效、清潔、安全的新式電加熱設備。儲熱式電鍋爐在電力系統中也可以看作用電負荷，負荷低谷期開啟儲熱式電鍋爐，將電能轉換為熱能，一部分可以用來為居民供熱，另一部分可以進行儲存，等到白天用電高峰期再進行供熱。通過儲熱式電鍋爐進行風電消納，可以有效降低用電低谷期的棄風電量。

儲熱式電鍋爐基本運行體系如圖1所示。

儲熱式電鍋爐跟蹤棄風波動運行模式，比固定時間和功率恒定運行模式風電消納能力有很大提升，但儲熱式電鍋爐仍依賴電擊棒調節運行功率，電擊棒頻次、調節速度和深度都不能與隨時改變的風電相匹配。

電鍋爐功率實時跟蹤棄風功率，這種模式可提高系統消納棄風電量能力。同時儲能系統可以有效解決儲熱式電鍋爐跟蹤棄風調節頻次與響應速度不匹配的問題[1]。

2 ? ?儲熱式電鍋爐消納棄風數學模型及求解

2.1 ? ?數學模型確定

有關風電消納的數學模型一般有兩種，一種是消納棄風電量最大，另一種是系統運行成本最小。其中系統運行成本最小是指在保證了電力系統安全穩定運行以及負荷供應的情況下，使得方案整體花費電價總成本最小，方案中允許有一定規模的合理[2]棄風。本文建立的數學模型為棄風消納電量最大的數學模型，所以不對上述方案加以敘述。

2.2 ? ?消納棄風電量最大數學模型建立

建立消納棄風總電量最大數學模型，此模型可實現風電全額收購，最大棄風消納電量就是在此模式下可接受風電電量。

該模式下，儲熱裝置在負荷低谷時期作為熱負荷吸收熱量，實現對電網的調峰，使風電上網空間得到增加。當儲熱裝置達到飽和狀態不能繼續儲存熱量[3]時，再將多余風電棄掉。

根據已知風電場實際功率和預測功率，可求出棄風功率，在本模型中這些功率都是已知數據。設實際某時刻消納棄風功率為Ps·t，其中t是1～96的整數，并且設當日24：00為次日00：00[2]。

目標函數：

max Wa=Pa·t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：T是調度周期，周期為1天，時長為15 min，所以T=96;t為調度時段;Pa是儲熱式電鍋爐在t時段消納棄風功率（MW）。

3 ? ?約束條件

該數學模型約束條件很多，例如電鍋爐以及儲熱罐約束、其他約束等。

3.1 ? ?儲熱式電鍋爐供熱約束

儲熱式電鍋爐運行期間，存在著出力約束問題，包括最大出力約束和最小出力約束。設儲熱式電鍋爐直接供熱最小功率[2]為0，最大功率為Pmax。系統配備儲熱式電鍋爐相關參數都是已知，可知Pmax=30 MW。

儲熱式電鍋爐供熱約束為：

0≤P≤Pmax ? ? ?（2）

式中：P是儲熱式電鍋爐加熱功率（MW）;Pmax為儲熱式電鍋爐運行最大功率（MW）。

3.2 ? ?儲熱罐相關約束

在電鍋爐運行期，儲熱罐也存在儲熱和放熱約束問題。設儲熱罐功率為Pi（t），當Pi（t）>0時，儲熱罐進行儲熱;當P1（t）<0時，儲熱罐再放熱。設儲熱罐在儲熱時期最大功率為P1max，最小功率為P1min，根據已知參數，得P1max=30 MW和P1min=0 MW;

設儲熱罐在放熱時期最大功率為P0max，最小功率為P0min，根據已知參數，得P0max=30 MW和P0min=0 MW。

約束條件為：

P1min≤Pi（t）≤P1max

0≤Pi（t） ? ? ? ? （3）

Pi（t）≤0

P0min≤-Pi（t）≤P0max ? ? ?（4）

圖2為儲熱罐一天儲熱量變化情況。

除上述約束條件外，某一時刻儲熱罐所儲存熱量與此時刻儲熱罐儲熱放熱情況以及上一時刻儲熱罐內儲存熱量都相關。設某一時刻儲熱罐儲存總熱量為H（t），有關系為：

H（t）=H（t-1）+Pi（t） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）