提升風電消納的熱電混合儲能系統優化控制策略

李軍徽，張志云，馬冬梅，闞中鋒，郭 健，韓 冬

(1.現代電力系統仿真控制與綠色電能新技術教育部重點實驗室(東北電力大學)，吉林 吉林 132012；2.國網吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132000)

在我國“三北”地區風電迅速發展，但是風電出力的隨機性與波動性使得棄風現象突出，特別是在供暖期，由于熱電聯產機組“以熱定電”的約束，進一步降低了風電接納空間，使得供暖期熱負荷高、電負荷低，電網調峰與供熱矛盾[1-3].儲熱式電鍋爐作為儲熱制熱裝置，可以使能量空間平移，從而實現熱電解耦，但是由于其機械特性，使得它不可以頻繁調節，所以如何在保證供熱以及電鍋爐使用壽命的前提下高效消納棄風這一問題亟待解決.

為了促進風電消納，提高風電接納空間，目前在利用儲熱式電鍋爐技術方面有了不少研究，大致有兩種方法，其一是熱電聯產機組解耦技術，即在熱電廠加裝儲熱或電鍋爐釋放熱電機組調峰空間，增加風電消納空間[4-5]；其二是風電供熱技術，即通過在棄風嚴重風電場配置儲熱式電鍋爐，盡量使電鍋爐消納棄風電量儲熱供熱[6].文獻[7]提出熱電廠加裝電鍋爐消納棄風的方案.配置電鍋爐可以分擔部分熱電廠熱負荷，增加機組的調峰空間，也可在夜間低谷時段消納夜間過剩風電電量.文獻[8]提出了在熱電廠建設儲熱式電鍋爐進行風電供熱的方法，建立了可含熱泵的風電供熱項目通用數學模型，電鍋爐協調運行方式下，不但減小了煤耗，還提高了棄風消納效果；文獻[9]以熱電機組和儲熱罐供熱的收益為目標函數建立模型，當熱電機組配置了儲熱裝置后，熱電-儲熱系統整體的消納棄風能力提高.文獻[10]在熱電耦合系統中，引入儲熱式電鍋爐以及熱泵，在難以調峰期間提供輔助熱源，依靠外部熱源的參與，可以拓寬人工發電量變化區間，以接納更多的風電.文獻[11-14]都建立了含儲熱熱電聯產與電鍋爐協調供熱的棄風消納調度模型，分析了配置電鍋爐前后熱電機組的運行特性和調峰能力變化，比較了熱電聯產機組在是否加裝儲熱裝置的情況下棄風消納的效果跟經濟性.綜上來看，目前利用儲熱式電鍋爐進行棄風消納都沒有考慮到電鍋爐的電極調節能力，即儲熱式電鍋電極調節次數受電極機械部件制約，頻繁調節不利于裝置使用壽命.而在限制電鍋爐電極不頻繁改變的條件下，電池儲能調節能力靈活可以彌補電鍋爐棄風消納的不足，對此，本文基于供暖期風電特性提出一種熱電混合系統消納棄風電量的優化運行策略，建立了混合儲能系統優化模型以及棄風消納量、系統經濟性的目標函數，比較了電鍋爐追蹤棄風方式、混合系統運行方式以及電鍋爐優化后混合系統消納棄風方式的效果，并分析了三種方式下系統運行經濟性.

1 熱電聯合系統的構成

熱電混合儲能系統由發電機組、電網、電池儲能系統、儲熱式電鍋爐、熱網、電/熱負荷組成，其結構如圖 1所示，當風電接納空間不足時，風電場產生棄風可以通過電池儲能儲存起來，作為電負荷高峰時的補充，也可以通過儲熱式電鍋爐將棄風轉換為熱能供給熱負荷.

如圖1所示，負荷側配置儲熱式電鍋爐可增加用電負荷，通過提高供熱期低谷時段電負荷水平來消納棄風；電池儲能通過“削峰填谷”方式提高系統整體的調峰能力，進而減少棄風電量[14].通過對電鍋爐、電池進行控制，優化系統運行情況，提高棄風消納效率，同時多余的儲能電量可以在負荷高峰時段供給電負荷，提高儲能裝置的利用率與經濟性.

圖1 熱電混合儲能系統構成圖

2 含熱電混合儲能系統的電力系統模型

含熱電混合儲能的電力系統模型由收益、成本以及相應的約束條件構成.

(1)成本模型

儲熱式電鍋爐與電池儲能的建設成本

Ceh=Ec，iuc+Eh，iuh+Pc，iupe+Ph，iuph，

(1)

公式中：Ec，i、Eh，i為電池儲能、儲熱式電鍋爐配置容量；uc、uh為單位電池儲能、單位儲熱式電鍋爐成本；Pc，i、Ph，i為為電池儲能、儲熱式電鍋爐配置功率；upe、uph為電池儲能、儲熱式電鍋爐單位功率成本.

熱電混合儲能系統運行維護成本由電儲能與儲熱式電鍋爐維護成本共同組成，即

Ctm=Ec，inemfe+Ec，inhmfh，

(2)

公式中：mfe、mfh為單位電儲能、儲熱式電鍋爐運維成本；ne、nh為電池儲能系統、儲熱式電鍋爐壽命期限.

傳輸損耗成本為系統在能量轉換及傳輸過程中產生能量損耗而產生的費用

Ctra=(Pqhηh+Pqeηe)Cf+Ch，

(3)

公式中：ηe、ηh為電池儲能儲放電的效率和儲熱式電鍋爐熱轉化的效率；Pqe、Pqh為電池儲能、儲熱式電鍋爐消納的棄風；Cf為與風電場商議的風電購入電價；Ch為輸配電成本.

電鍋爐向電網購電成本

Cg=PghCpe，

(4)

公式中：Pgh為電鍋爐向電網購電電量；Cpe為某時刻售電電價.

(2) 收益模型

環境收益

Rcom=Pqe×pen+Pqh×(Che+Kfb+Kfb)，

(5)

公式中：Pen為環境污染治理費用；Che為熱電聯產機組產生單位熱量所排放的廢氣治理成本(元/(MWh))；Kf為煤炭的價格(元/t)；b為電鍋爐煤耗率(t/(MWh))，c為純凝機組煤耗率(t/(MWh)).

熱電聯合系統在運行效益是通過峰谷差價以及售熱獲取的效益

Rrun=Pqe×(Cpe-Cf)+Pqh(KE-Cf)ηe，

(6)

公式中：Cf為與風電場商議的風電購入電價；KE為輸電企業外送單位熱量的價格(元/(MWh)).

調峰補償收益為熱電聯合系統通過調峰作用獲取的政府補貼收益

Rsub=(Pqe+Pqh)ps，

(7)

公式中：Rsub為調峰補償效益；ps為單位補償價格.

消納風電供電/供熱的節煤收益，Fc為混合儲能系統的節煤收益

Fc=(Pqhμcfu+Pqeμcu)pc，

(8)

公式中：Pqh為代替燃煤鍋爐供熱功率；Pqh為電池儲能消納棄風代替純凝機組供電功率；μcfu為燃煤鍋爐的煤耗率；μcu為純凝機組的煤耗率；pc為煤價.

(3)約束條件

儲熱式電鍋爐運行功率約束為

0≤Peb(t)≤Peb，max，

(9)

(10)

公式中：Peb，max為電鍋爐運行功率最大值；PHS，out，max(t)PHS，out，max(t)、PHS，in，max(t)為儲熱裝置最大儲放熱功率.

電池儲能運行功率及荷電狀態約束為

(11)

Stmin≤St≤Stmax，

(12)

公式中：Pcha(t)、Pdis(t)為電池儲能在第t個時段的充電、放電功率；St為t時段電池儲能裝置SOC狀態；Stmin、Stmax為電池SOC狀態上、下限.

3 熱電混合系統優化控制策略

為了改善電鍋爐采用追蹤棄風模式運行電極頻繁調節的弊端，本文從優化電鍋爐電極檔位以及改善電鍋爐檔位調節情況出發，采用電池儲能和儲熱式電鍋爐協調運行的方式，從而提高系統風電利用率、延長系統的使用壽命.

3.1 熱電單元優化運行策略

由于棄風功率的不確定性，當其正好處于兩個擋位之間時，應該如何選擇電鍋爐工作擋位是一個值得考慮的問題.根據遺傳算法選擇的思想，依據優勝劣汰的選擇機制，將群體中適應能力較強的個體選取出來并保留，而將適應能力較差的個體淘汰掉.據此，本文提出根據電鍋爐儲熱罐的SOC狀態來選擇運行擋位，每個擋位被選中概率與儲熱罐SOC狀態強相關，即儲熱式電鍋爐運行首先要滿足供熱需求，而后根據優化檔位概率選擇公式來選擇運行擋位，即儲熱罐SOC較大以及負荷高峰時，電鍋爐更大概率工作在低一點的擋位，反之如果儲熱罐的SOC狀態較小以及負荷低谷時，電鍋爐工作的功率更大概率運行在高一點的擋位，從而避免了儲熱罐因為儲熱過多或者過少而失去調節的靈活性，并且可以保證系統削峰填谷的能力.同時選擇也要考慮負荷處于高峰還是低谷狀態，擋位優化選擇率公式為

F1(x)=0.5cosπx+0.2+θ(x)+α(x)+β(x)，F2(x)=1-F1(x)，

(13)

公式中：F1(x)為儲熱式電鍋爐工作在比棄風高一個擋位的概率；F2(x)為儲熱式電鍋爐工作在比棄風低一個擋位的概率；x為儲熱罐SOC狀態.

(14)

(15)

(16)

(2)熱電混合系統協調運行策略

在負荷低谷存在棄風時，儲熱式電鍋爐與電池儲能誰具有動作優先性取決于兩者動作的經濟性，熱電混合系統參與電網調峰的單位效益函數為

(17)

3.2 優化目標函數

為實現儲熱式電鍋爐最大化消納棄風，建立以棄風消納最大為目標的優化控制模型，控制其最大化跟蹤棄風出力運行.以棄風消納最大為目標的目標函數為

maxP=Pqh+Pqe.

(18)

在熱電混合儲能的系統中，兩者協調還要使得系統收益最大化，表示為

minF=Rcom+Rrun+Rsub+Fc-(Ceh+Ctm+Ctra+Cg).

(19)

3.3 優化模型求解

針對上述模型在MATALB中通過YALMIP調用優化軟件CPLEX進行求解，CPLEX能夠求解線性規劃、二次規劃、二階錐規劃及相應的混合整數規劃問題[15-16]，求解流程如圖2所示.

圖2 優化求解流程圖

4 算例分析

以“三北”地區某風電場為例，給定條件如下：

(1)與風電場協商簽訂的風電電價為112元/MWh；與供熱廠簽訂的售熱價格為173.69元/MWh.

(2)儲熱式電鍋爐壽命為25年，電鍋爐單位功率價格為50萬元/MW，系統能量轉換率為95%，儲熱罐容量價格15萬元/MWh；電池儲能系統壽命為23年，效率為92%，容量價格為180萬元/MWh，功率價格為190萬元/MW；

(3)常規純凝火電機組、熱電聯產機組產生單位電量所造成的環境污染治理費用pen=145元/MWh，熱電聯產機組產生單位熱量所排放的廢氣成本Cf=156元/MWh，煤炭的價格Kf=500元/t，供熱機組煤耗率b取0.154 t/MWh，純凝機組的煤耗率c取0.35 t/MWh；

(4)電鍋爐單位運維成本為10元/(MW/天)，儲熱罐單位熱儲能運維成本為8元/(MWh/天)，電池儲能單位運維成本為140元/(MWh/天)；政府的調峰補償價格為130元/MWh.

(5)選取容量及功率為150 MWh/30 MW儲熱式電鍋爐以及80 MWh/20 MW的電池，儲熱式電鍋爐分為11個檔位，每個檔位功率差值為3，即 0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30.

三種運行方式：方式①：儲熱式電鍋爐跟蹤棄風的運行方式；方式②：熱電混合系統運行在上述雙目標模式下，但未對儲熱式電鍋爐電極進行優化；方式③：本文熱電混合儲能優化控制策略運行.

4.1 仿真結果分析

4.1.1 運行方式1、方式2結果分析

數據為典型日每15分鐘選取一點的96點的棄風出力數據，當系統采用運行方式1、方式2消納棄風時，運行情況如圖3、圖4所示.

圖3 跟蹤棄風運行方式下電鍋爐運行情況

圖4 電鍋爐電極優化前熱電混合儲能系統運行情況

由圖3、圖4可以看出運行方式1，棄風消納量情況還較為可觀，但電極調節次非常多，單日電極調節次數達到了33次，在運行方式2下，由于加入了人調節能力更為靈活的電池儲能系統，系統棄風消納量進一步提升，但是這并未改善電鍋爐電極頻繁調節的弊端.

4.1.2 運行方式3結果分析

采用優化運行方式3下的熱電混合系統運行情況如圖5、圖6、圖7所示.

圖5 熱電混合儲能系統優化運行功率圖

圖6 儲熱罐容量曲線圖

圖7 電池儲能SOC狀態圖

結合圖5～圖7可以看出0：00～5：00和22：00～24：00時間段的棄風電量下儲熱式電鍋爐轉化效益較高，故儲熱式電鍋爐按照優化電極方式先動作消納棄風，但由于此時為用電低谷電價低且熱儲能受充放熱功率約束等，需要電儲能一起動作消納棄風，儲熱量跟電量上升.7：00～11：00，18：00～22：00時間段為電熱負荷需求高的時段，且電售價高，此時儲熱罐動作供熱，電儲能動作放電，儲熱罐跟電儲能儲能量下降，采用此方式電鍋爐調節次數較方式1、方式2有顯著下降.

4.1.3 三種運行方式對比

對比三種不同方式下的棄風消納情況及電極調節次數情況如表2所示.

表2 三種方式下棄風消納及電極調節次數情況

由表1可以看出在采用本文所述熱電混合儲能系統優化運行策略，在檔位調節上較方式1，方式2均有明顯減少，這可以增加儲熱式電鍋爐的使用壽命，在消納棄風量上較方式1，方式2也有一定的增加，這是因為提高了電池儲能的利用率，電池儲能的進一步參與使得電鍋爐調節次數有所下降，這樣也能保證系統較高的風電消納率.

4.2 收益分析

熱電儲能單位時間轉化收益的關系曲線圖，如圖8所示.從圖8可知，當棄風非常小時，儲熱式電鍋爐與電儲能單位轉化收益均較低，但是隨著兩種裝置消納電量的增加，收益迅速增長而后呈現穩步增長.

圖8 熱電儲能單位轉化收益

熱電聯合系統三種運行方式下的收益情況，如表2所示.

表2 熱電聯合儲能系統典型日收益

可以看出運行方式1雖然投資低，但是電鍋爐由于頻繁調節，壽命縮短，導致等效投資成本等效增加，日收益為三種運行方式中最少的.方式2較方式1在收益方面有了很大提高，這是因為電池儲能雖然投資高，但同時運行收益也高，電鍋爐與電池儲能配合也使得棄風消納量進一步增大.方式3對電鍋爐電極進行了優化，電極調節次數明顯變少，等效增加了使用壽命，日收益也進一步增加.

5 結 論

針對熱電混合系統消納棄風，建立了混合儲能系統優化模型并對電鍋爐電極進行優化.從仿真結果可以看出：

(1)儲熱式電鍋爐可以在一定程度上進行熱電聯產機組的解耦，而本文所提混合儲能運行方法比跟蹤棄風方式在棄風消納量上提高了7.26%；

(2)由于對電鍋爐進行了檔位優化，混合系統運行方式下電極調節次數明顯降低，比跟蹤棄風方式下減少15次，可以有效提高電鍋爐使用壽命；

(3)就儲熱式電鍋爐與電池儲能的配合而言，棄風量較低時，由電鍋爐來消納比直接用電池儲能消納經濟性要好，但是隨著棄風量的增大，調節能力更為靈活的電池儲能參與進來可以使得棄風更多地被利用.