基于采暖需求側管理的電網節能調度研究

龍虹毓，馬建偉，張競博，吳 鍇，趙 媛，蘇 嶺

（1.西安交通大學 電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；3.河南電力試驗研究院，鄭州 450052）

《節能發電調度辦法實施細則》規定：“燃煤熱電聯產發電機組按照以熱定電的原則安排發電負荷；無調節能力的風能具有第一發電優先性序位”。然而對于包含大量熱電聯產機組的我國北方地區電網，卻往往出現與上述規定相背離的實際運行狀況。例如：

（1）某省級電網夜間負荷低谷期，電網調度中心核定采暖期熱電聯產機組發電出力下限為該機組額定負荷的70%，導致電網負荷不能參與節能調度，一些高效環保的300MW、600MW純凝汽機組被迫在額定負荷的50%下運行，偏離額定設計工況，效率急劇下降［1］。

（2）某包含大量風電機組的省級電網夜間低谷期出現風電機組停機棄風現象［2］。因為燃煤熱電聯產機組有供暖與發電出力工況約束［3—4］，而熱電聯產機組為了保證供暖，導致某些電網中采暖發電量很大，即使是最小發電出力也已經滿足絕大部分電網需求，因而無法按照《節能發電調度辦法實施細則》實現對風電機組的優先并網調度。

上述問題的根源在于現有的電網節能調度研究都是在以熱定電的原則下進行的。首先保證采暖負荷都由熱電聯產的熱水出力承擔，從而確定了采暖約束，這就導致剩下的優化調度只能針對發電出力進行。然而，在確定的供暖出力下，熱電聯產機組發電出力可調范圍十分有限。很少有研究注意到，通過改變采暖終端負荷中的熱水消費和電力消費比例，可以同時改變采暖熱水負荷與總電力負荷這2個約束條件，進而在熱電聯產機組和純凝汽火電機組之間、熱電聯產機組和風電機組之間建立新的最優負荷分配與調度。

智能電網技術為調度中心對終端用戶采暖方式的控制與需求側管理提供了可能，調度中心還可以對熱電聯產機組、純凝汽火電機組和風電機組實現綜合控制調度。

1 綜合控制系統

基于智能電網技術，提出同時面向熱電聯產機組和終端采暖用戶的采暖與電力綜合調度系統與方法［1，5—7］。

1.1 采暖與電力綜合調度系統

（1）調度中心對熱電聯產機組的遠程監測與控制系統［1］如圖1所示。

圖1 熱電聯產機組遠程監測與控制系統

該系統按照《電力二次系統安全防護規定》要求進行了網絡設計及安全防護措施設計。現場實時數據通過遠程終端單元從發電廠收集，再通過EMS系統寫入數據庫，實現對熱電聯產機組發電出力、供暖出力和燃料輸入這3個物理量的監測與控制。

（2）調度中心對終端采暖用戶的遠程監測與控制系統如圖2所示。

圖2 電暖水氣遠程控制與管理

該系統利用電力線載波通信和控制終端，控制暖氣節能調控閥門。通過單、三相電能表控制對應的空調熱泵開關，針對終端采暖用戶進行需求側管理，實現遠程關閉熱水式采暖散熱器，開啟對應空調熱泵采暖，使得總采暖熱水負荷減少和總電力負荷增加。

1.2 采暖與電力綜合調度控制方法

改變現有的采暖負荷全部由熱電聯產機組輸出的采暖熱水來提供的模式，引入高效空調熱泵提供采暖服務，實現采暖終端需求側管理，減少采暖熱水負荷、增加采暖電力負荷，改變終端采暖消費與電力消費的比例，最終實現采暖和電力負荷優化調度。具體方案如下：①關閉部分終端用戶熱水式采暖散熱器，開啟對應終端用戶的空調熱泵采暖；②減少熱電聯產機組供暖出力（即熱水輸出）；③針對新的采暖熱水負荷和采暖電力負荷，以及現有的非采暖電力負荷，在熱電聯產機組和純凝汽火電機組之間、熱電聯產機組和風電機組之間，進行最優負荷分配及調度。

2 純凝汽火電機組的節能調度

假設電網中現有一臺300MW純凝汽火電機組以及若干熱電聯產機組。建立目標函數

式中：F為總燃料消耗；FCHP為熱電聯產機組燃料消耗；FCON為純凝汽火電機組燃料消耗。

全文統一功率單位為MW，電能單位為MWh，發電煤耗單位為g/kWh。

2.1 以熱定電調度方式

熱電聯產機組在以熱定電的現行調度方式下

根據《民用建筑能效測評標識技術導則（試行）》

式中：EHR為耗電輸熱比，按0.03計。300MW純凝汽火電機組煤耗量與發電出力關系如式（6）所示，該機組對應燃煤消耗如式（7）［8］所示。

2.2 采暖與電力負荷綜合調度方式

根據文獻［3—4］，熱電聯產機組的采暖熱水出力，和與其對應的最小、最大發電出力之間的約束關系如式（8）、式（9）所示。

熱電聯產機組的燃料消耗、采暖出力和發電出力之間的關系如式（10）所示。

式中：Fi、Ei分別為采暖與電力綜合調度方式下第i個熱電聯產機組的燃料消耗和發電出力。在采暖與電力負荷綜合調度方式下

式中：COP為終端用戶空調熱泵采暖制熱系數，根據《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》，以4.0計；EEHP為采暖與電力綜合調度方式下空調熱泵采暖耗電負荷，為非負變量；ECON為采暖與電力綜合調度方式下純凝汽火電機組發電出力；Qmaxi為采暖與電力綜合調度方式下第i個熱電聯產機組最大允許供暖出力；FCHP為采暖與電力綜合調度方式下熱電聯產機組的總燃料消耗；BCON、FCON分別為采暖與電力綜合調度方式下純凝汽火電機組的發電煤耗和燃料消耗。式（11）表示采暖熱負荷由熱電聯產機組的采暖熱水和空調熱泵共同提供；式（12）表示熱電聯產機組和純凝汽火電機組的發電出力在滿足了空調熱泵的電力消耗以后，還必須負擔非采暖電力負荷消耗；式（13）、式（14）要求熱電聯產機組的發電和采暖出力必須滿足其機組熱電運行工況圖的物理約束；式（15）為純凝汽火電機組的發電出力物理約束；式（16）為熱電聯產機組的燃煤消耗關系；式（17）、式（18）為純凝汽火電機組的燃煤消耗關系。

2.3 模擬計算

以3臺C135/N150-13.24/535/535/0.400型汽輪機熱電聯產機組與1臺300MW純凝汽火電機組組成節能調度優化算例，模擬時間T=1 h。式（19）—式（21）表示該熱電聯產機組工況，圖3顯示了該機組的熱電工況圖。假設總采暖熱水負荷為445.2MW，總電力負荷為381.9MW。表1顯示了現行模式下熱電聯產機組和300 MW純凝汽火電機組運行狀況，以及采用混合整數非線性規劃方法求解得到的綜合調度方式下的機組運行狀況。計算環境：CPU為Intel Core 2 Duo 2.66GHz；內存4G；軟件General Algebraic Modeling System（GAMS）。用時49 s。

圖3 汽輪機熱電聯產機組工況圖

表1 含純凝汽火電機組的節能調度優化結果MWh

表1顯示在采用采暖與電力綜合調度方式后可節省燃料61.6MWh，節能效益約為4.12%。按標準煤發熱量為29 271 kJ/kg計算，每小時燃煤消耗節省約7.58 tce。

1.1與1.2節說明了本文提出的采暖與電力綜合調度方法與系統的可行性，通過模擬計算檢驗了該方法的合理性。但是由于我國目前城市供暖與供電系統之間相互獨立，使得本方法暫時不能在實際系統中運行。

3 風力發電機組的節能調度

由12臺C135/N150-13.24/535/535/0.400型汽輪機熱電聯產機組與100MW風電機組組成算例。針對文獻［2］提出的風電機組因為大量采暖負荷被迫停機棄風的問題，由式（1）—式（4）、式（7）—式（13）和式（15）形成新的約束條件。其中式（2）由式（22）代替，式（11）由式（23）代替。采暖與電力綜合調度方式下，目標函數為熱電聯產機組一次燃料消耗量FCHP最小。

式中：EWIND為風電機組發電出力；ηWIND為風電機組供電效率，按0.95計。模擬計算時，假定某區域電網總電負荷為878.0MW，總采暖負荷為1 780.9MW，模擬時間間隔T=1 h。現行每臺熱電聯產機組均以153MW供暖和85.9MW發電。100MW風電機組被迫停機沒有并網，發電出力為0。采用混合整數非線性規劃，用時357 s，優化結果如表2所示。

表2 含風力發電機組的節能調度優化結果MWh

表2顯示采用新方式每小時可節省燃料342.4MWh，節能效益約為8.83%。即若按標準煤發熱量為29 271 kJ/kg計算，每小時燃煤消耗節省約42.14 tce。

4 結束語

本文介紹了一種優化熱電聯產機組和純凝汽火電機組或風電機組的電網節能調度系統和方法。實現了：①控制終端用戶的采暖方式，減少利用熱電聯產集中供應熱水采暖，增加電力空調熱泵采暖，改變采暖熱水負荷和電網總電力負荷比例，實現采暖需求側管理；②依據新的采暖熱水負荷和電網總電力負荷約束條件，在熱電聯產機組和純凝汽式火電機組之間、熱電聯產機組和風電機組之間完成新的最優化負荷分配與調度；③通過建立新的熱電聯產機組和純凝汽式火電機組、熱電聯產機組和風電機組負荷分配與優化調度數學模型，證明了所提出新調度方法的節能潛力。

［1］ 馬建偉，葛挺，荊百林，等.熱電聯產機組的節能發電調度技術研究與實踐［J］.中國電力，2009，42（4）：14-17.

［2］ 白雪飛，王麗宏，杜榮華.風電大規模接入對蒙西電網調峰能力的影響［J］.內蒙古電力技術，2010，28（1）：1-4.

［3］ 王功濤，王錫凡.適用于熱電聯產系統隨機生產模擬的“以熱定電搜索”新算法［J］.電網技術，1999，23（11）：5-9.

［4］ Thorin E，Brand H，Weber C.Long-term optimization of cogeneration systems in a competitivemarketenvironment［J］.Applied Energy，2005，81（2）：152-169.

［5］ 吳鍇，龍虹毓，趙媛，等.一種熱電聯產供能方法及系統：中國，200810018116.2［P］.2010-01-13.

［6］ 龍虹毓，吳鍇，趙媛，等.一種包含熱電聯產機組和純凝汽式火電機組的系統及調度方法：中國，201010261190.4［P］.2010-08-24.

［7］ 龍虹毓，吳鍇，趙媛，等.一種熱電聯產機組配合風能發電機組節能調度的系統和方法：中國，201010261188.7［P］.2010-08-24.

［8］ 李今朝.國產300MW火電調峰機組調峰方式的研究［D］.保定：華北電力大學，2004.