考慮風電消納的熱電廠蓄熱罐效益成本分析

張輝，顧秀芳，陳艷寧，羅振鵬，王宸

（1. 內蒙古工業大學電力學院，內蒙古自治區 呼和浩特市010051；2. 國家電網山西省電力公司長治供電公司，山西省 長治市046000）

0 引言

近年來，隨著中國風電裝機容量逐年遞增，風電消納面臨的形勢也越來越嚴峻，棄風現象非常嚴重[1]。特別是在我國“三北”地區，在冬季供暖期熱電聯產機組為滿足熱負荷而不得不大幅提高其最小出力，導致風電上網空間不足[2-4]。

為了解耦“以熱定電”約束，國內外很多學者提出了在熱電聯合系統中配置蓄熱裝置以降低機組強迫出力，提高熱電機組的調節能力，促進風電消納[5-7]。文獻[8]對熱電廠配置蓄熱、抽水蓄能、風電供熱3 種消納風電的方案進行了節煤效果和國民經濟性對比。文獻[9]將儲熱裝置安裝在不同的位置，并對比分析其運行模式與風電消納效果的差異性。上述研究在分析蓄熱罐對系統的風電消納及運行成本的影響時，都將其容量設為給定值或使其足夠大，會降低整體的經濟性及儲熱的利用率，且并未考慮蓄熱罐的投資和維護成本。

近年來，關于蓄熱罐配置的經濟成本和效益方面也已經有相關的研究。文獻[10]通過將儲熱裝置與風電?熱電機組聯合優化，可以使系統獲得的總收益大于風電場和熱電機組單獨運行所獲得的收益，并且能夠提高系統對風電的消納能力。文獻[11]在風電-熱電-蓄熱罐-碳捕集虛擬電廠運行模型中，增設蓄熱罐投資和維護成本，并將其折算為日折舊與日維護成本，建立了以實現虛擬電廠總投資運行成本最低為目標的函數。文獻[12]以綜合效益最大化為目標，考慮儲熱系統投資成本、運維成本、風熱轉化收益、節省供熱燃煤收益、補償收益等因素，建立一種儲熱系統輔助電網調峰的優化配置模型。以上文獻僅考慮了成本最低或者經濟收益最大，對熱電廠配置蓄熱罐的年綜合效益的研究鮮見報道。

本文基于以上研究，在含儲熱的電力系統電熱綜合調度模型的基礎上，考慮了熱電廠配置蓄熱罐產生的經濟效益、環境效益，以及配置蓄熱罐的投資與維護成本，建立熱電廠配置蓄熱罐的效益成本模型，對熱電廠配置蓄熱罐年周期內產生的總收益進行分析，驗證了在不同風電出力情況下，熱電廠配置蓄熱罐的必要性。

1 含儲熱電力系統電熱綜合調度模型

計算熱電廠配置蓄熱罐的成本和效益，必須知道各熱電機組和風電機組在每個時段的出力。本文基于往年數據考慮，對供暖期每個時段按天進行日仿真調度。

1.1 目標函數

調度模型以全天風電機組棄風成本和熱電機組運行成本之和最小為目標[13]，可表示為

式中：μ為純凝機組平均供電標準煤耗；Pwp,t、Pw,t分別為風電場在t時段的預測出力和實際出力；Fi,t(Pi)為熱電聯產機組i的煤耗量；Vcol為當前標準煤煤價；NT為機組數量。

調度模型以全天風電機組棄風成本和熱電機組運行成本和最小為目標[13]。在保障電力系統安全運行的前提下，以系統煤耗成本和棄風成本之和最小為目標函數，可以最大程度地促進風電上網，減少化石能源消耗[13]。

1.2 約束條件

1.2.1 功率平衡約束

系統調度的最大作用就是在火電、風電機組之間合理地分配有功出力，使之滿足用戶的用電需求，功率平衡約束[14]為

式中：PLD,t為t時刻系統用電負荷的預測值；PG,i,t為常規純凝機組i在t時刻的出力；PW,j,t、PqW,j,t分別為風電機組j在t時刻的出力預測值和實際出力；Pchp,k,t為抽汽式熱電機組k在t時刻的出力；NG、NW、NC分別為常規純凝機組、風電機組、抽汽式熱電機組的數量。

1.2.2 熱力系統約束

若將配置儲熱后的熱電機組納入到當前的調度體系中，就需對儲熱裝置的特性進行研究并對其約束，如儲熱裝置的容量的大小、儲/放熱功率的限值及其運行狀態都將對系統的運行及分配方式產生影響[14-15]。

1）儲熱量約束

儲熱裝置中的熱量St[16]大小需滿足

式中Smax為最大儲熱容量。

2）儲/放熱功率約束

3）狀態約束

式中：kloss為漏熱損失系數(一般不超過5%)；St、S0、SN分別為儲熱罐在t時刻、初始時刻、調度周期結束時的儲熱量。此外，儲熱裝置運行一個周期(如1天)后，儲熱量需要恢復到初始量[17]。

4）熱負荷約束

1.2.3 熱電聯產機組約束

風電棄風的主要原因是由于熱電聯產機組“以熱定電”的運行模式，強迫機組的最小電出力變大，致使風電的上網空間減少，熱電聯產的運行特性將會對風電消納產生很大影響[16]。

1）熱電比約束

對于背壓式熱電機組，該類型的第i臺機組電出力完全由其熱出力決定[13]，即

在滿足運行條件下，抽汽式熱電機組的熱電比可以通過調節抽汽量來調整，其約束為

式中：Pmax,k,t、Pmin,k,t分別為t時刻抽汽式熱電機組k在純凝工況下對應的最大、最小發電出力；cb、K、cv2,k均為機組k的常數參數。

在發電機組實際運行中，如果風電出力大時，為保證風電有足夠的上網空間，抽汽式熱電機組一般都運行在最小凝氣工況，此時抽汽式熱電機組也不具有調節能力，相當于運行在背壓機組工況。

2）機組熱出力約束

式中Hmaxchp為熱電機組的最大熱出力[17]。

3）機組爬坡速率約束

4）儲熱裝置連接約束

1.2.4 常規機組約束

常規機組指的是不參與供熱的純凝機組，這部分機組主要承擔調峰任務，作為系統備用。

1）常規機組出力約束

2）正、負旋轉備用約束

式中Psr為系統旋轉備用額度，取系統發電最高負荷的5%。

2 方案效益模型

熱電廠配置蓄熱罐消納棄風帶來2 方面的效益：1）風電代替火電的經濟效益，因風電機組運行過程中無能量消耗，風電代替火電有很好的節煤效果；2）風電代替火電的環境效益，風電在發電過程中不產生SO2、CO2、煙塵等[17-19]污染。

2.1 經濟效益

熱電廠配置蓄熱罐后整個供暖期內總的凈節煤效益為

式中：ΔCw為消納棄風量所帶來的經濟效益；ΔCr為熱電廠加裝蓄熱罐后減少的煤耗量，t。

ΔCw的表達式為

式中：Pwt(Ghsub)、Pwt(0)分別為蓄熱罐容量為Ghsub、0 時風電機組電出力，MW；η為考慮蓄熱罐蓄熱損失及水泵耗電后的綜合利用效率。

ΔCr的表達式為

式中：Fi,t(Ghsub)為蓄熱罐容量為Ghsub時熱電廠內機組i在第t時段的煤耗量；Fi,t(0)為蓄熱罐容量為0時熱電廠內機組i在t時刻的煤耗量；Vcoal為當前標準煤煤價。

2.2 環境效益

本文考慮CO2、SO2、煙塵等煤炭燃燒的主要污染物，對熱電廠配置蓄熱罐消納棄風帶來的環境效益進行分析。熱電廠年排污成本變化Cp為

式中：GSO2、GCO2、Gy分別為SO2、CO2、煙塵的排放率，分別取2.7、1878.9、1.2 kg/t；δSO2、δCO2、δy分別為SO2、CO2、煙塵的當量值，kg；pHB為排污征費指標，萬元/當量。

2.3 收益現值

根據熱電廠配置蓄熱罐消納棄風方案的經濟及環境效益分析，可得在年周期內對應的收益為

3 方案成本模型

熱電廠配置蓄熱罐消納棄風方案的成本主要包括建設投資成本、固定維護成本。其中建設投資成本以蓄熱罐的建設成本為主，固定維護成本以蓄熱罐等設備的維護成本為主，一般用蓄熱罐建設成本的一定百分比乘以蓄熱罐使用年限來計算。

1）等年值初始投資費用

等年值初始投資費用是規劃初期購買、安裝蓄熱罐的一次性投資折算到生命周期內每年的等值費用，與蓄熱罐的容量與壽命有關[20]，計算公式為

式中：Vx表示蓄熱罐的體積；Pri表示蓄熱罐單位體積的造價；n表示蓄熱罐的壽命；r表示資本的年利率。

2）蓄熱罐的維護成本

設每年的維護成本為其建設成本的某個百分比ξ，則維護成本為

3）方案總收益模型

根據上述熱電廠配置蓄熱罐消納棄風方案的收益現值以及成本現值模型，可確定系統配置所述容量蓄熱罐時的總收益為

4 模型求解

本文采用使用MATLAB工具箱YALMIP建模工具在MATLAB仿真軟件中建立含儲熱電力系統電熱綜合調度模型，它能夠讓用戶直接通過YALMIP 的語法去調用各類解析器。本文采用GUROBI求解器求解混合整數線性規劃[21]。

5 算例分析

5.1 系統參數

為驗證本文模型的有效性和計算火電靈活改造項目的成本效益，本文以中國“北方”實際電網的簡化結構為參考，構建算例仿真模型[22]。系統參數如表1所示。

表1 電網裝機容量Tab.1 Installed capacity of power grid

算例中，熱電廠、蓄熱罐和熱電機組參數如表2—4 所示，表4 中a,b,c為機組煤耗參數。典型日的電負荷和風電場發電功率預測值如表5 所示。機組承擔的熱負荷根據某省實際機組所承擔的熱負荷計算，假設該日內熱負荷基本不發生變化，熱負荷為1770 MW。其中，系統與其他電網無電功率交換。

表2 熱電廠參數Tab.2 Thermal power plant parameters

表3 蓄熱罐參數Tab.3 Heat storage tank parameters

表4 熱電機組參數Tab.4 Thermoelectric unit parameters

表5 電負荷及風電預測功率Tab.5 Electric load and wind power forecast power

5.2 調度結果分析

算例分別采用以下2種方式進行仿真：

1）熱電廠未配置儲熱裝置，采用傳統的熱電聯產機組對熱負荷進行供熱，采用以熱定電的方式運行。

2）熱電廠配置儲熱裝置，系統通過對熱電聯產機組及儲熱裝置靈活調節進行供熱。

某典型日熱電、風電機組出力情況分別如圖1、2 所示。圖1 是風電場的出力情況，可以清晰地看出在熱電廠不配置蓄熱罐時，風電場的棄風狀況嚴重。全天發生棄風的時段為0:00—09:00，共有9 h 之多，尤其在05:00 時，風電出力僅有174.7 MW·h。而對比加裝儲熱后的風電出力情況，可以看出通過蓄熱罐的作用的確可以減少風電場棄風電量，全天的風電消納量比無蓄熱罐裝置多870.3 MW·h，表現出巨大的風電消納效益。

圖1 不同場景下風電機組電出力Fig.1 Power output of wind turbinds under different scenarios

同時，對比圖2中00:00—09:00熱電機組的出力情況，可知熱電機組為給風電機組提供上網空間而降低了出力。而這時不滿足供熱負荷的部分由蓄熱罐的儲熱量來提供，達到了熱電解耦的效果，提高了熱電機組的靈活性。

圖2 不同場景下熱電機組電出力Fig.2 Electric output of thermoelectric units under different scenarios

當蓄熱罐容量為2000 MW·h時，熱電廠所配置的儲熱裝置在一日內儲熱量的變化曲線及熱出力變化曲線分別如圖3、4所示。可以看出，在非棄風時段儲熱裝置不停地在儲熱，并在23:00達到最大值(2000 MW·h)。而在00:00—06:00 的棄風嚴重的時段，蓄熱罐不斷放熱，對供熱機組降低的熱出力進行補償。

圖3 2000 MW?h蓄熱罐容量變化Fig.3 Change of 2000 MW?h heat storage tank capacity

圖4 2000 MW?h蓄熱罐熱出力變化Fig.4 Thermal output change of 2000 MW?h heat storage tank

本算例中，熱電廠配置儲熱裝置后，一日內系統可實現節煤量約114 t，增加風電消納量870 MW·h，表現出巨大的節煤和風電消納效益。

5.3 成本效益結果分析

在分析成本效益結果時，本算例采用蓄熱罐容量分別為1500、3000、4500、6000 MW·h，本方案的年棄風消納量和年成本效益變化如表6所示。

從表6 可以看出，隨著儲熱系統配置容量的增加，減少的棄風量隨之增加，經濟效益也逐漸增加；但是在蓄熱罐容量達到4500 MW·h 時，風電消納量達到了一個峰值(227019 MW·h)，此時經濟效益開始下降。可以看出，過多的配置儲熱容量降低了整體的經濟性及儲熱的利用率。

表6 風電裝機容量為900 MW?h的效益分析Tab.6 Benefit analysis of wind power plant with installed capacity of 900 MW?h

5.4 蓄熱罐配置必要性分析

通過改變風電的滲透率，計算蓄熱罐在不同的風電裝機結構下產生的正向經濟效益，分析熱電廠配置蓄熱罐的必要性，如表7、8所示。

表7 風電裝機容量為500 MW?h的效益分析Tab.7 Benefit analysis of wind power plant with installed capacity of 500 MW?h

從表7 中可以看出，當風電裝機容量占總裝機容量比較小時，電力系統中產生的棄風較少，因此消納的棄風量也比較少，在蓄熱罐容量達到3000 MW·h 時，就穩定在653 MW·h 不再增加。蓄熱罐容量配置僅僅在40 MW·h時就可以產生正的總收益，當蓄熱罐容量逐漸增大時，其配置成本遠遠大于其經濟效益，不適合配置蓄熱罐。

從表8 可以看出，當風電滲透率較大，蓄熱罐容量大于1500 MW·h時，棄風消納量就穩定在133013 MW·h不再增加，此時在典型日內熱電機組和凝氣機組共出力42543 MW·h，由于蓄熱罐在非棄風時段儲熱的特性，導致系統對風電的接納量達到了飽和，蓄熱罐容量增大已經對風電消納量的增加不起作用；相應地，產生的經濟效益也不再增加，導致該方案的總收益快速下降。這是因為風電裝機規模越大，同樣情況下風電功率越大，則在電負荷一定的情況下棄風功率越大，棄風持續時間也越長，能夠用于儲熱的非棄風時段也就越短，蓄熱罐所能存儲的熱量就越少，消納棄風的效果越差[23-26]。

表8 風電裝機容量為1500 MW?h的效益分析Tab.8 Benefit analysis of wind power plant with installed capacity of 1500 MW?h

6 結論

考慮了熱電廠配置儲熱產生的經濟效益、環境效益，以及配置蓄熱罐的投資與維護成本，建立了熱電廠配置蓄熱罐的效益成本模型，通過算例仿真，得出如下結論：

1）過多配置儲熱容量將會降低整體的經濟性及儲熱的利用率。在風電裝機容量為900 MW·h時，逐步增加蓄熱罐的容量到4500 MW·h，棄風消納量開始穩定在227019 MW·h保持不變，但是總收益達到了5780萬元以后卻開始不斷下降。說明盲目配置過多儲熱并不能提高整體的收益，因此存在最優儲熱系統配置容量，使整體效益最佳。

2）不同的風電裝機容量下，配置蓄熱罐所產生的效益是不同的，根據建立的效益成本模型，可以證實在給定的電力系統條件下熱電廠配置蓄熱罐的必要性。

3）蓄熱罐必要性分析不僅適用于蓄熱罐，亦適用于其他蓄熱裝置，只需將其函數和參數進行替換即可。