農(nóng)業(yè)大棚風(fēng)電供熱提高風(fēng)電消納的技術(shù)分析

□ 孫 超

（中南林業(yè)科技大學(xué) 湖南 長沙 410004）

我國風(fēng)能資源豐富，適合大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)。風(fēng)電裝機(jī)快速增長的同時，風(fēng)電消納卻越來越困難。根據(jù)能源局的統(tǒng)計，2020年風(fēng)電上網(wǎng)電量超過153TWh，平均棄風(fēng)率為8%，棄風(fēng)電量超過13TWh，棄風(fēng)電量造成約65億元的損失。在三北地區(qū)中，內(nèi)蒙古、甘肅、河北和新疆等地區(qū)由于風(fēng)電規(guī)模都已達(dá)到或接近千萬以上的規(guī)模，其棄風(fēng)問題相對于其他地區(qū)更加嚴(yán)重，迫切需要解決，其中減少供熱季的風(fēng)電棄風(fēng)是解決我國三北地區(qū)風(fēng)電消納的關(guān)鍵所在［1］。

在農(nóng)業(yè)大棚中應(yīng)用風(fēng)電供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和合理性的關(guān)鍵在于充分利用風(fēng)電場的棄風(fēng)電量。對于風(fēng)電廠來說，供熱季全天不會都出現(xiàn)棄風(fēng)，一般是夜間棄風(fēng)嚴(yán)重，白天基本沒有棄風(fēng)。而農(nóng)業(yè)大棚的供熱負(fù)荷全天都有，因此，必須在風(fēng)電供熱系統(tǒng)中配置參數(shù)合理的儲熱裝置，才能確保風(fēng)電供熱系統(tǒng)只使用電價低廉的棄風(fēng)電量。一方面要確定儲熱裝置最優(yōu)的儲熱容量參數(shù)，既要保證在白天不棄風(fēng)的時段內(nèi)，儲熱裝置能夠有足夠的熱量滿足農(nóng)業(yè)大棚的供熱負(fù)荷，又要避免出現(xiàn)儲熱容量設(shè)計過大，導(dǎo)致儲熱裝置的容量冗余過多，造價過高的問題。另一方面，還要確定儲熱裝置合理的儲/放熱功率參數(shù)，既要保證出現(xiàn)棄風(fēng)時儲熱裝置能夠及時地將棄風(fēng)電量轉(zhuǎn)化為熱量存儲起來，又要保證白天能夠?qū)Υ娴臒崃酷尫懦鰜頋M足農(nóng)業(yè)大棚供熱負(fù)荷的需要。在這一背景下，本文將結(jié)合最優(yōu)化的方法研究如何利用農(nóng)業(yè)大棚實現(xiàn)風(fēng)電消納，從而減少對儲熱裝置的依賴。這項研究具有重要的現(xiàn)實意義。

一、風(fēng)電供熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

風(fēng)電供熱大棚只有在有棄風(fēng)電量時使用風(fēng)電制熱才能產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，否則在經(jīng)濟(jì)上肯定是不利的。因而下面首先提出棄風(fēng)量評估模型用以定量評價電力系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的棄風(fēng)曲線，然后建立風(fēng)電大棚供熱模型，用于后續(xù)儲熱裝置儲熱容量和換熱功率的優(yōu)化設(shè)計。具體流程圖如圖1所示。

圖1 儲熱參數(shù)優(yōu)化設(shè)計流程

（一）棄風(fēng)評估模型

圖2 簡化后的抽汽式機(jī)組的電熱特性曲線

曲線上AB、BC、CD段分別對應(yīng)最小凝汽量工況、最大抽汽量工況、最大進(jìn)汽量工況。實際運(yùn)行時，抽汽式機(jī)組的熱功率一般在A～B范圍內(nèi)變化，影響機(jī)組運(yùn)行范圍的主要是最小凝汽量工況和最大進(jìn)汽量工況。最小凝汽量工況下，機(jī)組電功率和熱功率之間的關(guān)系和背壓式機(jī)組類似，為：

最大進(jìn)汽量工況下，電功率和熱功率之間的關(guān)系為：

因此，當(dāng)熱功率在A～B范圍內(nèi)變化時，可以通過調(diào)節(jié)進(jìn)汽量和抽汽量調(diào)節(jié)電、熱功率，在電網(wǎng)調(diào)度中，機(jī)組電出力的約束條件為：

沒有儲熱時，機(jī)組熱出力要滿足熱負(fù)荷需求，熱負(fù)荷給定。此外，機(jī)組出力變化時還需要滿足爬坡率約束：

實際系統(tǒng)的棄風(fēng)評估模型與常規(guī)電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型沒有本質(zhì)區(qū)別，都是通過調(diào)整常規(guī)機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的出力滿足系統(tǒng)電和熱負(fù)荷的需求來進(jìn)行計算。

（二）供熱大棚模型

下面給出供熱大棚模型。供熱大棚模型的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖3 電供熱風(fēng)電大棚模型

則對于風(fēng)電供熱大棚，應(yīng)有下述約束條件：（1）風(fēng)電供熱大棚供熱電功率約束；（2）風(fēng)電供熱大棚儲熱及熱負(fù)荷約束；（3）儲熱裝置約束。對儲熱裝置而言，也需要滿足儲熱裝置的自身運(yùn)行狀態(tài)的約束，下面進(jìn)行具體說明。

儲熱主要有三種形式：顯熱儲熱、潛熱（相變）儲熱和化學(xué)儲熱。顯熱儲熱是利用物體溫度的變化存儲和釋放熱能，其原理最簡單、技術(shù)也最成熟、成本最低，實際應(yīng)用最廣泛，但顯熱儲熱效果極大地依賴于儲熱材料的物性，包括密度、熱容等。顯熱儲熱又主要包括液體儲熱和固體儲熱兩種。相變儲熱是利用物質(zhì)相變過程存儲和釋放熱量，物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)為液體、由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)時，將吸收相變潛熱，實現(xiàn)蓄熱；進(jìn)行逆過程時，則將釋放相變潛熱，實現(xiàn)釋熱。與顯熱儲熱方式相比，相變儲熱材料在相變儲熱時近似恒溫，系統(tǒng)溫度易于控制，同時潛熱更大，儲熱效果更好，所需體積較小。化學(xué)儲熱是利用化學(xué)過程實現(xiàn)熱能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)化，從而存儲和釋放熱能，但成本較高，技術(shù)的成熟度相對較低［2］。

無論何種類型的儲熱方式，在運(yùn)行中儲熱裝置的狀態(tài)主要有兩個方面：①存儲了多少熱量，最多可以存儲多少熱量；②能否按照要求將熱量存儲進(jìn)去或釋放出來，即儲釋熱的速率（功率）。對應(yīng)著兩個約束：

一是容量約束。儲熱裝置的儲熱量不能超過儲熱容量的最大值；二是儲釋熱功率約束。儲熱裝置中換熱器存在最大功率的限制，某些顯熱儲熱裝置如熱水儲熱，儲熱和釋熱是通過熱水的注入和流出實現(xiàn)的，此時儲釋熱功率約束受流量的限制，也存在最大功率約束。儲釋熱功率是儲熱裝置設(shè)計開發(fā)的重要參數(shù)，儲熱裝置不僅要保證能夠存儲大量的熱量，還要保證熱量能夠快速地進(jìn)去、出來，才能滿足應(yīng)用的需求。

二、算例分析

下面針對上述提出的棄風(fēng)評估模型和電供熱風(fēng)電大棚模型進(jìn)行簡單的算例分析。以國內(nèi)某省級電網(wǎng)的實際數(shù)據(jù)為例進(jìn)行仿真計算，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 算例系統(tǒng)參數(shù)

圖4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述仿真參數(shù)的設(shè)定，對第2節(jié)提出的模型進(jìn)行求解，基于農(nóng)業(yè)大棚風(fēng)電供熱實現(xiàn)的風(fēng)電消納情況如圖5所示。通過對比無儲熱裝置的情形，當(dāng)系統(tǒng)中配備有相應(yīng)儲熱裝置時，那么是可以符合供熱熱負(fù)荷的要求的。從圖中還可以看出，隨著引入了風(fēng)電供熱大棚，可以實現(xiàn)接近500MW的風(fēng)電消納（參見5中紅色虛線）。即便風(fēng)力出電的功率存在波動，但是風(fēng)電消納情況并未能超過500MW，這主要是電供熱功率起到了限制作用。通過對24小時內(nèi)的總風(fēng)電消納功率進(jìn)行統(tǒng)計，最終數(shù)值等于5032.1MWh，相應(yīng)的可以計算得到總棄風(fēng)3816.4MWh。

圖5 風(fēng)電供熱大棚新增風(fēng)電消納情況

三、風(fēng)電供熱系統(tǒng)儲熱裝置的儲熱容量和換熱功率設(shè)計方法

顯然，農(nóng)業(yè)大棚通過引入風(fēng)電供熱系統(tǒng)可以消納一定量的風(fēng)力，然而依然不可避免地存在棄風(fēng)。為此，有必要為農(nóng)業(yè)大棚的風(fēng)電供熱系統(tǒng)提供儲能裝置。儲能裝置的使用可以使整套能源管理系統(tǒng)在不具備足夠風(fēng)電消納的情況下，將部分棄風(fēng)功率儲存起來，等到風(fēng)電最大出力開始下降的時候，再將儲存的能量釋放出現(xiàn)，這樣可以大大提高整體的風(fēng)電消納能力，同時也能夠全天候地供應(yīng)大棚能源消耗需求。儲熱裝置的配置應(yīng)當(dāng)遵循實用性與經(jīng)濟(jì)性的原則，因為雖然采用足夠大的儲熱裝置可以顯著降低棄風(fēng)功率，然而必然伴隨著投資成本與設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本的提高。因此，本文認(rèn)為可以基于棄風(fēng)功率曲線對儲熱容量進(jìn)行定量求解，儲熱裝置的容量很大程度取決于風(fēng)電出力較低水平下的大棚供熱需求，下面結(jié)合具體仿真進(jìn)行說明［3］。

分別取不同的棄風(fēng)制熱功率，求滿足最小需求的儲熱容量，及此時換熱器的最大換熱功率，如下表所示。

表2 不同制熱功率下的最小儲熱容量及換熱器最大功率

基于表中數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在從500MW到2000MW共四種電制熱功率下，儲熱裝置容量都等于2043MWh。與此同時，在棄風(fēng)量指標(biāo)方面，隨著電制熱功率的提升，存在一定的降低，這一現(xiàn)象可以采用如下解釋：盡管電制熱功率發(fā)生改變，然而當(dāng)采用相同的儲熱裝置時，在無棄風(fēng)功率區(qū)間內(nèi)工作狀態(tài)始終保持一致。通過仿真結(jié)果我們知道，令儲熱裝置的容量與風(fēng)電供熱大棚供熱需求相同時，即為前者的最低限，那么有以下設(shè)計依據(jù)：

同時從上式也可以看到，儲熱系統(tǒng)的換熱器功率，在電制熱側(cè)的換熱器功率主要取決于電制熱功率與熱負(fù)荷需求之差，而供熱側(cè)的換熱器功率主要取決于風(fēng)電供熱大棚的熱負(fù)荷，因而在進(jìn)行設(shè)計時可以參照下式大致選擇換熱器功率：

四、結(jié)語

本文通過建立與求解風(fēng)電大棚供熱系統(tǒng)的最優(yōu)化模型，得出了在農(nóng)業(yè)大棚中應(yīng)用風(fēng)電供熱技術(shù)可以在零污染的情況下一定程度解決風(fēng)電消納的結(jié)論。基于最優(yōu)化框架，從能源與電力利用于消耗角度論證了風(fēng)電大棚供熱系統(tǒng)的可行性，定量分析了農(nóng)業(yè)大棚風(fēng)電供熱系統(tǒng)中儲能裝置容量與換熱器功率的設(shè)計依據(jù)。當(dāng)然，本文仿真都是基于一定假設(shè)下開展的，例如假設(shè)風(fēng)電場棄風(fēng)量保持恒定等邊界條件，未來研究中將更加充分地考慮這些邊界條件，提高最優(yōu)模型的魯棒性（Robustness）。隨著我國風(fēng)電技術(shù)的不斷成熟，相信越來越多先進(jìn)的儲能技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將會有望引入到農(nóng)業(yè)大棚的能源管理之中，為我國東北、華北地區(qū)帶來更高的風(fēng)能利用效率，緩解當(dāng)?shù)鼗鹆岬男枨螅瑸槲覈贾泻汀⑻歼_(dá)峰目標(biāo)的實現(xiàn)貢獻(xiàn)力量［4］。