電鍋爐-儲能聯合消納棄風的方法研究

楊效嘉，楊俊友

(沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

在當前全球能源安全問題突出、環境污染問題嚴峻的大背景下，大力發展風電、太陽能發電、水電等可再生能源勢在必行[1]。隨著科技的發展，繼水能之后，風能成為世界范圍內公認的最具發展潛力的可再生能源，它不像水能利用需要天然的地理優勢與資源條件，因此，風電深受世界各國的青睞，世界各國都投入大量資金增加對風電場的建設。然而，隨著風電規模的不斷擴大，因風電場的隨機波動特性不利于電網穩定運行，導致大量風電不能并網，棄風電量越來越多。尤其是在我國的 “三北”地區，風電裝機容量大，同時熱電聯產的熱電耦合效應使得“三北”地區棄風頻繁發生。如何消納風電己經成為制約我國風力發電發展的關鍵問題之一[2]。

為有效解決風電消納問題，國內外許多專家和研究機構對此進行了大量研究。目前，實現風電消納的方法主要分為兩大類：一是利用可控柔性負荷，電網通過調控手段實現風電消納；二是利用儲能設備，通過儲能用能參與抑制風電波動，減少風電上網對電網穩定性的影響，從而增加風電上網量，減少棄風。文獻[3-4]對可控負荷蓄熱式電鍋爐的技術和經濟特性作了詳細分析，包括它的技術、經濟特性和未來發展前景，通過分析可知，蓄熱式電鍋爐的性價比要高于燃煤鍋爐。文獻[5]中為解耦“以熱定電”約束，降低熱電機組熱負荷峰值，提高電網負荷谷值，提出在二級熱網中增設調峰電鍋爐的方法，該方法能有效減少棄風。文獻[6]將可控負荷熱泵加到熱電聯產機組的調度模型里，解耦了“以熱定電”約束，使風電上網量增加，減少了電網棄風。文獻[7-8]指出除抽水蓄能外，電池儲能、超級電容儲能、壓縮空氣儲能均可以提高電網中可再生能源利用率和系統穩定性。文獻[9]將儲能技術和需求側管理結合起來，通過控制負荷分配，提高風電利用量，減少了棄風現象。文獻[10]搭建了蓄熱、風電供熱及抽水蓄能3種消納棄風方案的經濟調度模型，并對3種方案下的節電效果和經濟性進行了分析比較。通過上述分析可知，目前對于利用電鍋爐或蓄電池消納棄風的方案都有了較為深入的研究，但無論是電鍋爐還是蓄電池都存在一些不足之處。利用風電供暖消納棄風，電鍋爐因電極棒受調節速度、深度和頻率制約，功率調節受到限制，難以快速與風功率相匹配；而蓄電池則由于技術、設備和經濟的原因，其大容量工程利用還存在一定的困難。

本文針對電鍋爐與儲能消納棄風時存在的問題，將兩種方式相結合，對電鍋爐-儲能協同消納棄風進行研究。首先，介紹了電鍋爐-儲能協調消納棄風的基本原理；其次，提出電鍋爐跟蹤風電棄風控制策略以及蓄電池常參數功率差協調控制策略；最后，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件，仿真比較了僅電鍋爐工作以及電鍋爐與儲能裝置協同作用的消納棄風能力，仿真結果表明儲能協調電鍋爐消納棄風的有效性。

1 電鍋爐-儲能消納棄風基本原理

利用電鍋爐風電場采暖雖可以消納一定棄風，但限于電鍋爐調節特性的制約，不能與風電功率很好匹配。儲能技術具有電能雙向流動、能量時移等特點，將儲能技術與電鍋爐結合起來進行棄風消納，則能有效匹配風電固有特性，風電消納更為徹底。儲能協調電鍋爐消納風電的系統總體結構如圖1所示。利用電鍋爐和蓄電池與風電出力配合，根據棄風的實際情況對兩者進行調節，一方面，將棄風功率轉化成熱功率可以增加本地負荷，達到提高風電消納能力的效果；另一方面，當電鍋爐不足以完全消納所產生的棄風時，此時可利用蓄電池的儲能特性，將多余的棄風儲存起來，更進一步提高了風電的消納能力，棄風功率得到更加充分利用，從而達到棄風消納的目的。

圖1 系統總體結構

2 電鍋爐-儲能消納棄風的控制策略

2.1 電鍋爐跟蹤棄風控制策略

電鍋爐跟蹤棄風優化運行控制基于電鍋爐系統自身的運行約束，考慮時序棄風功率對電鍋爐運行的影響，可將電鍋爐看作是一種可控柔性負荷，將棄風功率作為決策因素來控制電鍋爐的運行狀態以及運行功率。

若當前t時刻棄風功率高于電負荷需求，則電鍋爐進行風電直接供熱消納棄風電量。不同時段棄風功率有差異，導致電鍋爐的運行功率有所差異，其運行功率可在0到額定功率之間任取。當棄風功率Pqf≥電鍋爐額定運行功率Peh時，電鍋爐以額定功率Peh運行；當棄風功率0

2.2 蓄電池常參數功率差控制策略

常參數功率差控制策略根據日負荷預測曲線，計算得出儲能系統參與充電的上限功率與放電的下限功率。具體計算流程如圖2所示。

圖2 蓄電池常參數功率差控制策略流程

圖2中，Pf、Pg分別為用電峰、谷時刻的負荷功率；Ec為總充電量；Ed為總放電量；ε為某一接近0的常數；E為儲能系統容量；Δt為單位時間。經以上步驟計算，可確定儲能系統放電時負荷的下限功率P1與儲能系統充電時負荷的上限功率P2。

3 算例仿真與結果分析

3.1 算例參數

利用DIgSILENT /PowerFactory仿真軟件，搭建1個包含風電的電鍋爐-儲能消納棄風的小型電力系統，其系統結構如圖3所示。風電場規模為200 MW，系統配置電鍋爐容量為30 MW，電熱轉換效率取1。儲能系統為釩液流電池，額定功率為30 MW，額定容量為100 MWh。遼寧省某地區典型日負荷曲線和風電預測出力曲線如圖4、圖5所示。同時，基于電價考慮，將蓄熱式電鍋爐運行時間設置為每日22：00至次日5:00。該地區電采暖分時電價如表1所示。

圖3 電鍋爐-儲能聯合系統仿真圖

項別峰段平段谷段時段7:00—11:0019:00—23:0011:00—19:0022:00—5:00電價/元0.699 80.489 80.279 8

為了突出所構建模型棄風消納的能力，本文算例分2種工況進行仿真。

工況1：電鍋爐與蓄電池均不工作，風電完全由電負荷消納，在夜間電負荷減少，風電增加，棄風現象嚴重。

工況2：電鍋爐與蓄電池協同工作，同時對電鍋爐和蓄電池進行控制，極大提高了電網棄風消納能力。

圖4 風電預測功率曲線

圖5 電負荷需求

3.2 結果分析

采用電鍋爐融合儲能方式消納風電，系統運行方式如圖6—圖8所示。

圖6 電鍋爐運行功率曲線

圖7 蓄電池運行功率曲線

圖8 配置電鍋爐-儲能前后風電出力曲線

圖6—圖7中，在夜間22 ：00—24 ：00時段，棄風功率低于電鍋爐的額定運行功率，電鍋爐以20 MW的功率跟蹤棄風電量運行，此時通過電鍋爐采暖供熱能完全消納棄風，蓄電池處于靜置狀態；在1：00—5：00時段，電負荷處于低谷時段，而風電則明顯增多，此時棄風功率高于電鍋爐的額定運行功率，電鍋爐以最大功率30 MW運行，利用風電采暖供熱消納棄風，同時，控制蓄電池進行工作，配合電鍋爐消納棄風，將電鍋爐利用不了的剩余棄風以電能的形式儲存到蓄電池中，供白天用戶使用；在11：00—13 ：00 、16 ：00—19 ：00和20 ：00—22 ：00時段，用電負荷處于高峰期，蓄電池將夜間儲存的電能釋放供用戶使用，減少了其他供電機組的發電，節約了燃料，提高了經濟效益。

圖8中給出了采用本文提出的電鍋爐融合儲能的協調優化控制方法消納風電的情況。未配置電鍋爐儲能系統時，24 h棄風電量高達305 MWh；接入電鍋爐儲能系統后，棄風電量為45 MWh，電鍋爐儲能系統共消納260 MWh的棄風電量。

4 結論

本文針對“三北”地區冬季棄風現象嚴重的問題，提出將電鍋爐與儲能裝置相結合主動消納棄風的技術方案，通過算例結果比較了配置電鍋爐儲能聯合系統前后消納棄風的能力，得到以下結論。

a.在電網中配置電鍋爐儲能聯合系統，能有效擴大系統的棄風消納空間。與不加電鍋爐儲能聯合系統時相比，系統總的棄風電量從305 MWh減至45 MWh。

b.電鍋爐融合儲能跟蹤棄風功率運行方式可最大程度地消納棄風，同時，可以利用儲能解決電鍋爐與風電不能很好匹配的問題，且能有效減少系統的運行成本。

綜上所述，本文所提出的方法可進一步增加電網消納棄風的能力。