熱電聯產機組參與系統調峰的調度策略

黃大為，郭君宜

（東北電力大學電氣工程學院，吉林132012）

在“三北”地區，占火電裝機容量相當比例的熱電機組采用“以熱定電”原則制定運行方式，導致系統調峰能力下降[1]。據國家電監會2012-07發布的《重點區域風電消納監管報告》，2011年“三北”地區風電場平均利用1 907 h，同比下降266 h，棄風電量達123×108kW·h，棄風率約16%。如內蒙古電網因同時存在大量熱電聯產機組和風電機組，導致在電網負荷低谷時必須停掉大量風電機組，以保證熱電聯產機組供暖運行需要[2]。“三北”地區系統調峰能力不足仍然是制約電網接納風電的主要因素[3]，熱電聯產機組的調峰能力對增強系統的調峰能力有極其重要的現實意義[4～5]。

熱電聯產機組的熱電耦合約束問題是限制其調峰能力的關鍵因素。文獻[6]利用等效熱降理論建立熱電聯產機組熱力曲線數學模型，以實驗的方法改變新蒸汽參數，在相應的供熱負荷下確定機組的供電負荷可調整范圍，研究熱電聯產機組調峰能力；文獻[7]提出了基于水源熱泵技術的風電消納模式，將常規熱電廠冷卻循環水中蘊含的大量低溫余熱提取出來用于城市供熱，在保證城市供熱質量的基礎上提高熱電機組的調峰能力；文獻[8]針對采暖供給側和需求側，提出了基于智能電網的調度系統。該系統通過對終端用戶采暖方式的管理調節，控制熱電聯產機組采暖出力，以提高系統接納風電能力，達到節能調度的目的；文獻[9～10]根據供熱系統熱遲滯性的特點，在現有條件下，對供熱系統的熱力工況進行定量分析，在保證供熱質量的前提下，對調整供熱機組輸出功率的可行性進行了分析。

本文在分析供熱系統熱遲滯性的基礎上，考慮機組相關的技術約束，建立背壓式熱電機組參與系統調峰的優化調度模型，并給出求解該模型的簡化方法。

1 熱電機組運行與供熱系統特性

1.1 熱電機組運行特性

以背壓式熱電機組為例，其排氣全部用于熱用戶使用，沒有冷源損失，但要求有穩定可靠的熱負荷。背壓式熱電機組的原理示意與工況圖如圖1 所示。

圖1 背壓式熱電機組原理示意與工況圖Fig.1 Sketchmapandworkingareaofback-pressureunits

圖中p0和t0分別為熱電機組進氣口初始壓力和溫度；A 與B 分別為機組可用最小技術出力和最大出力[11]。則t 時刻背壓式熱電機組輸出有功功率PB，t與供熱流量Qt近似成正比關系，即

式中，K 為功率和供熱流量的比例系數。設t 時段的供熱流量為Qt，系統供水溫度及回水溫度分別為τg，t和τh，t，則有

式中：G 為熱網水流量，t/h；cp為定壓比熱容，J/（kg·℃）。

1.2 供熱系統的熱遲滯性分析

保證受熱端供熱質量直接體現在對采暖建筑物室溫變化范圍的要求上，而在實際熱網系統中，室溫受某時段供熱量改變的影響并不顯著，是過去多個時段熱網供熱量共同作用的結果[4]，這就是供熱系統的熱遲滯性。

以自回歸滑動平均混合模型ARMA（auto-regressive and moving average model）表示供熱系統的熱遲滯性，供熱系統熱遲滯性的多時段耦合約束條件為

式中：J 和E 分別為模型的階次，可通過采用廣義最小二乘法對于不同階次的系數αj、βj、γj、θe、φe、ωe進行辨識[12]；τn，t為t 時段的室內溫度，℃；τw，t-j和τw，t-e分別為t 時段對應階次的室外溫度，℃。

2 熱電機組調峰優化模型與求解方法

2.1 數學模型

本文所建立的模型是在保證供熱質量的前提下，背壓式熱電機組需要盡可能在谷荷時段降低出力，以增加系統整體調峰容量，而考慮其他潛在經濟因素，在所研究周期的其他時段盡量保持原有出力方式不變。背壓式熱電機組參與系統調峰的數學模型為

式中：Tb為所研究時段內的谷荷時段集合；m 為背壓式熱電機組總數；PBk，t和分別為第k 臺機組在t 時段參與系統調峰前后的輸出有功功率，MW；Δt 為時段的時間持續時間，為了與AMRA 模型表示的供熱系統熱遲滯性的時間尺度相一致，Δt 取為供熱系統最大允許供水溫度分別為室內最小溫度和最大溫度。

考慮到熱電機組不能頻繁調節，上述優化模型以所研究時間范圍內的谷荷時段背壓式熱電機組的總下調電量最大為優化目標；式（6）表示供熱系統供水溫度的約束關系；式（7）表示供熱質量約束，即室內溫度應該保證在允許區間內變化。

2.2 模型求解策略

由供熱系統熱遲滯性以及機組出力與供回水溫度之間的關系可知，表征t 時段供熱質量的室內溫度τn，t是由當前時段的機組出力和過去時段的室內溫度、供水溫度和室外溫度決定的。因此，在調節谷荷時段的熱電機組出力時，不僅要考慮當前時段的室內溫度，還要顧及由于出力的調節對未來時段室內溫度的影響。

熱遲滯性影響的時間范圍取決于模型的階次，優化模型的求解，可只考慮與谷荷時段相鄰的時間范圍。由于負荷變化具有明顯的周期性，對于所研究時段T 內的第i 個周期，i=1，2，…，M，分別對時段ΔTi進行優化即可。ΔTi稱為優化時段，由ΔTi′，ΔTi″和ΔTi?組成，如圖2 所示。

圖2 優化時段選取示意Fig.2 Sketch map of period selection of the optimization

圖中：ΔTi″為第i 個周期的谷荷時段，ΔTi″∈Tb，ΔTi″=Δt；ΔTi′和ΔTi?分別為谷荷前時段和谷荷后時段，ΔTi′=ΔTi?=Δt·max（J，E）。可通過將負荷數據轉化為Δt 的時間尺度，選取負荷最小的時段作為相應的ΔTi″；選定ΔTi″后，可分別向前和向后取相應的時間段作為ΔTi′和ΔTi?；對于第i 個周期內的其他時段，按熱電機組的原發電計劃安排其出力。

通過上述優化時段的選取，可將研究時段內的各周期進行獨立求解，而各個相鄰周期之間通過供熱系統熱遲滯性模型相互聯系，從而使求解過程得到簡化。具體的求解步驟如下。

（1）對歷史典型負荷數據進行處理，得到研究時段T 內的各個優化時段；

（2）在非優化時段，按照原發電計劃確定熱電機組各時段出力，計算相應室內溫度和供水溫度；

（3）采用線性規劃方法，分別對各周期的優化時段的熱電機組出力進行優化求解，確定熱電機組的調節策略。

3 算例分析

設參與調峰的熱電廠由19 臺背壓式熱電機組組成，具體型號參數及機組電機臺數見表1，并規定各熱電機組以額定值的85%出力作為參考運行方式，優化運行的各熱電機組出力在額定值的50%～100%之間。

表1 背壓式機組參數Tab.1 Back-pressure units parameter

選取東北某地區連續132 h 的負荷數據和室外溫度數據，具體參見表2 和表3；取最大室溫為21 ℃，最小室溫為19.5 ℃，最大供水溫度為125 ℃，熱遲滯性模型的相應參數見表4。

表2 東北某地區負荷Tab.2 Electric power load in a area of the northeast MW

表3 東北某地區室外溫度Tab.3 Outdoor temperature in a area of the northeast℃

表4 供熱系統各模型系數參數Tab.4 Parameters of the model coefficient of heating system

根據本文方法，確定熱電機組的優化時段，結果如表5 所示。

表5 背壓式機組參數Tab.5 Parameters of back-pressure units

熱電機組出力的總和在95～189 MW 之間，若按原出力計劃不作調整，則各時段出力總和為152 MW。根據本文提出的模型，優化熱電機組出力方式，熱電機組總出力的調節結果如圖3 所示。

圖3 熱電機組優化運行Fig.3 Optimal operation of back-pressure units

由圖3 可知，對比熱電機組原出力方式，優化后的熱電機組運行在優化時段內進行了不同程度的調整：在3 個谷荷時段，熱電機組總出力下調至95 MW，從而使谷荷時段增加調峰容量達到57 MW；為保證供熱質量，谷荷前階段和谷荷后階段相應增加了出力。

第3 個谷荷后時段熱電機組不同程度增加了機組出力，是因為前2 個優化周期機組出力的調節改變了室內溫度波動趨勢，為保證供熱質量，影響了第3 個優化周期機組出力。

圖4 為優化運行前后室內溫度變化對比。

圖4 優化運行前后室溫波動變化比較Fig.4 Fluctuation of indoor temperature before and after improvement of electric peak shaving

由圖4 可知，優化熱電機組運行后的室內溫度雖然在一段時間內進行波動，但其波動范圍在19.7～20.6 ℃之間，供熱質量得到保證。另外，在此期間供水溫度在72～120 ℃之間波動，回水溫度波動范圍較小，大約在42～55 ℃之間，均在合理范圍內。

4 結語

本文研究了熱電聯產機組參與系統調峰的策略，建立了背壓式熱電機組參與調峰的模型，并提出了求解該模型的簡化方法。利用供熱系統熱遲滯性特點，可以在保證供熱質量的前提下，使熱電機組在谷荷時段向下調節出力，從而增加系統的總調峰容量，緩解系統冬季調峰壓力。本文僅以背壓式熱電機組為例，但供熱系統熱遲滯性的特點亦適用于抽氣凝汽式熱電聯產機組。本文所提方法，將為進一步挖掘熱電機組調峰潛力提供必要的技術支持。

到目前為止我國電網的調峰補償機制還有待完善，以機組的調峰費用為優化目標的調峰優化調度問題將是未來重要的研究方向之一。

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