引入儲能技術(shù)的環(huán)保熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

文/張洋 文福栓 張忠梅 陸春校 嚴(yán)奕飛

在《嵌入碳排放限制的環(huán)保熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析》研究當(dāng)中，已經(jīng)建立了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，確保在“以熱定電”的運(yùn)行模式下，在一定的運(yùn)行周期內(nèi)合理地分配機(jī)組出力及安排啟停計(jì)劃，使得系統(tǒng)的燃料費(fèi)用最少，并考慮了碳排放限制使得電力生產(chǎn)更為環(huán)保。但是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用“以熱定電”的運(yùn)行模式，能確保熱量供應(yīng)充足但是限制了其調(diào)峰能力。對于整個系統(tǒng)運(yùn)行而言，考慮熱負(fù)荷需求后的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電負(fù)荷區(qū)間成為了發(fā)電計(jì)劃制定中經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的邊界條件，在實(shí)際生產(chǎn)中由于某些原因，一方面熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的電負(fù)荷上下限難以做到及時調(diào)整，另一方面在一個區(qū)域內(nèi)的熱負(fù)荷在不同機(jī)組之間分配時并未考慮到機(jī)組的整體調(diào)峰能力，因此熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的實(shí)際調(diào)峰能力應(yīng)該具有更大的挖掘潛力。引入儲能系統(tǒng)，合理配置儲能系統(tǒng)容量，制定與機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相結(jié)合的儲能充放電策略，將系統(tǒng)出力進(jìn)行最優(yōu)分配，顯著改善熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰能力，使得電力的發(fā)輸和使用更為經(jīng)濟(jì)和高效，最終采用遺傳算法結(jié)合實(shí)際算例驗(yàn)證建立模型的可行性，為今后的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰問題提供參考。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰能力的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行模式導(dǎo)致其參與系統(tǒng)調(diào)峰能力不足，急需改善熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰性能。目前關(guān)于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的研究各異，文獻(xiàn)中研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在東北地區(qū)采暖期調(diào)峰能力并建立了熱力曲線數(shù)學(xué)模型。大部分研究只是在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上分析說明機(jī)組相關(guān)參數(shù)的調(diào)峰能力。而熱電機(jī)組受自身調(diào)節(jié)范圍的限制，發(fā)電量的大小隨供熱量變化而改變，要在保證供熱量供應(yīng)充足前提下讓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰有一定的難度。

在《嵌入碳排放限制的環(huán)保熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析》研究當(dāng)中，已經(jīng)建立了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，確保在“以熱定電”的運(yùn)行模式下合理地分配機(jī)組出力及安排啟停計(jì)劃，使得系統(tǒng)的燃料費(fèi)用最少，并且考慮了碳排放限制使得電力生產(chǎn)更為環(huán)保。在此研究基礎(chǔ)之上，為讓熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與到系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)當(dāng)中，引入儲能系統(tǒng)，合理配置儲能系統(tǒng)容量，制定與機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相結(jié)合的儲能充放電策略，將系統(tǒng)出力進(jìn)行最優(yōu)分配，不僅顯著提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的能力，而且保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)和高效性，最終利用先進(jìn)的智能計(jì)算機(jī)仿真與遺傳算法結(jié)合實(shí)際算例驗(yàn)證所建立模型的可行性。

1.1 目標(biāo)函數(shù)

1.1.1 燃料費(fèi)用

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組包含普通純火電發(fā)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、純發(fā)熱機(jī)組，是綜合考慮現(xiàn)有通用的機(jī)組類型。

式中：CTOTAL為總?cè)剂腺M(fèi)用；N為純火電發(fā)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、純發(fā)熱機(jī)組的臺數(shù)及儲能系統(tǒng)的種類；Cpi為第i臺純火電發(fā)電機(jī)組燃料費(fèi)用；Cci為第i臺熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組燃料費(fèi)用；Chi為第i臺純發(fā)熱機(jī)組燃料費(fèi)用；CBi為第i種儲能系統(tǒng)的充放電費(fèi)用。

在實(shí)際熱電聯(lián)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題當(dāng)中，純火電發(fā)電機(jī)組中汽輪機(jī)進(jìn)氣閥突然開啟時出現(xiàn)的拔絲現(xiàn)象稱為閥點(diǎn)效應(yīng)，忽略該現(xiàn)象會使求解精度受到明顯影響。因此考慮閥點(diǎn)效應(yīng)的純火電發(fā)電機(jī)組的燃料費(fèi)用為：

式中: Ppi為第i臺純火電發(fā)電機(jī)組的出力；ai、bi、ci分別為第i臺純火電發(fā)電機(jī)組的燃料費(fèi)用系數(shù)；ei、fi為純火電發(fā)電機(jī)組i的閥點(diǎn)效應(yīng)系數(shù)；為純火電發(fā)電機(jī)組i的最小技術(shù)出力。

熱電聯(lián)產(chǎn)和純發(fā)熱機(jī)組燃料費(fèi)用函數(shù)分別為：

式中：Pci、Hci分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組i的有功出力及熱功率；H_hi為純發(fā)熱機(jī)組i的熱功率；αi、βi、γi、δi、εi、ξi為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組 i的燃料費(fèi)用系數(shù)；ψi、ηi、λi為純發(fā)熱機(jī)組i的燃料費(fèi)用系數(shù)。

儲能系統(tǒng)的充放電費(fèi)用函數(shù)為：

式中：πB是儲能的充放電費(fèi)用系數(shù)，取0.6元/kWh；Δt為單位調(diào)度時間；和分別為時段t儲能的充電和放電功率。

1.1.2 碳排放計(jì)算函數(shù)

將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在供熱和供電過程中燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放量考慮在內(nèi)，具體的數(shù)學(xué)模型如下所述。

式中：ETOTAL為CO2總排放量；Epi、Eci、Ehi分別為純火電發(fā)電機(jī)組、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與純發(fā)熱機(jī)組的CO2排放量；m為燃燒的燃料的量，單位為kg/年或m3/年；i為消耗的化石燃料種類；為化石燃料中CO2的排放系數(shù)，單位為tCO2/年/kg或tCO2/年/m3。

Vc為化石燃料的含碳量。

表1：不同模式下的總?cè)剂腺M(fèi)用、總排放量對比

1.2 儲能系統(tǒng)

儲能作為可靈活調(diào)節(jié)出力的單元，能夠?qū)﹄娔苓M(jìn)行合理地轉(zhuǎn)移，在時間上解耦電能的生產(chǎn)和消耗。讓儲能充分參與到系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)當(dāng)中，在負(fù)荷低谷時儲存電能，在負(fù)荷高峰期釋放電能，減小系統(tǒng)峰谷差，使得發(fā)電、用電趨于平衡。合理配置儲能系統(tǒng)容量，制定與機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相結(jié)合的儲能充放電策略，將系統(tǒng)出力進(jìn)行最優(yōu)分配，不僅能夠提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰的能力，而且保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)和高效性。儲能系統(tǒng)形式多樣，包括蓄電池儲能、壓縮空氣儲能、超級電容、相變儲能、氫儲能等都是目前國內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的儲能形式。而蓄電池儲能的功率和能量可根據(jù)不同應(yīng)用場合需求靈活配置，響應(yīng)速度快，不受地理等外部條件的限制，在電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和調(diào)壓等方面發(fā)揮重要的作用，因此本次研究選用技術(shù)成熟，成本低，響應(yīng)時間快的鉛酸蓄電池，其容量與充放電量的數(shù)學(xué)模型如下所述。

式中：EES(t)為時段t儲能容量； τ為電儲能自放電率；和 ηch、ηdis分別為時段t儲能的充放電功率及效率。

文獻(xiàn)[7]中提供了一種儲能容量配比的方法，儲能容量依據(jù)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的百分比配置，文中分別選取了15%、20%和25%的比值進(jìn)行測試，對比三種不同比值下的機(jī)組運(yùn)行成本和碳排放量數(shù)據(jù)，測試對比結(jié)果表明，儲能容量配比為發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的20%時，機(jī)組的運(yùn)行成本和碳排放量最低。因此，本次研究參考此種方法，確保系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，擬配置25MWh的儲能系統(tǒng)。

1.3 約束條件

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的約束條件包括: 電功率平衡約束、熱功率平衡約束、設(shè)備功率約束。

式中：PR、PL分別為系統(tǒng)的電負(fù)荷需求和網(wǎng)絡(luò)損耗；HR為系統(tǒng)的熱負(fù)荷需求；分別為純發(fā)電機(jī)組出力的上、下限；分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電出力的上、下限；分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的熱功率上、下限；分別為純發(fā)熱機(jī)組的熱功率上、下限。

儲能系統(tǒng)約束條件：

2 遺傳算法

本次研究仍然采用遺傳算法，其基本原理是模擬自然選擇和遺傳中發(fā)生的復(fù)制、交叉和變異等現(xiàn)象，從任一初始種群出發(fā)，通過隨機(jī)選擇、交叉和變異操作，產(chǎn)生一群更適應(yīng)環(huán)境的個體，使群體進(jìn)化到搜索空間中越來越好的區(qū)域，這樣一代一代地不斷繁衍進(jìn)化，最后收斂到一群最適應(yīng)環(huán)境的個體，求得問題的最優(yōu)解。

3 算例分析

本研究是建立在《嵌入碳排放限制的環(huán)保熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析》研究的基礎(chǔ)上，模型仍然是含有4臺純發(fā)電火電機(jī)組、2臺熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組和1臺純發(fā)熱機(jī)組。該系統(tǒng)的電、熱負(fù)荷需求分別為650MW和200MW。本次算法程序語言編寫使用MATLAB R2014b進(jìn)行。

以浙江省某地區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)為例。某天該系統(tǒng)出力曲線與引入儲能技術(shù)的系統(tǒng)出力曲線如圖1所示。儲能充放電功率曲線如圖2所示，調(diào)度時間段T=24h，單位調(diào)度時間Δt=1h。

從調(diào)峰性能的角度分析，引入儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，低谷階段系統(tǒng)內(nèi)用電量較低，儲能系統(tǒng)充能，可等效為負(fù)荷用電；高峰階段系統(tǒng)內(nèi)用電量較高，儲能系統(tǒng)釋放電能，可等效為供電電源。儲能系統(tǒng)將能量進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)移，有效削減了系統(tǒng)峰谷差，整體提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰能力。而常規(guī)運(yùn)行模式、考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式和嵌入碳排放限制的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式都不能有效改善系統(tǒng)的調(diào)峰能力，減少系統(tǒng)的峰谷差。

圖1：系統(tǒng)出力曲線與引入儲能技術(shù)的系統(tǒng)出力曲線

圖2：儲能充放電功率曲線

從總費(fèi)用和總排放量的角度分析，考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式與常規(guī)運(yùn)行模式相比，總?cè)剂腺M(fèi)用減少了3%，但總排放量下降不明顯；嵌入碳排放限制的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式與常規(guī)運(yùn)行模式相比，總排放量下降了12%，但總?cè)剂腺M(fèi)用上漲；嵌入碳排放限制的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式與考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式相比，總排放量下降，同時總?cè)剂腺M(fèi)用增加。引入儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式與其它三種模式相比，總排放量下降，同時總?cè)剂腺M(fèi)用上漲。

綜上所述，考慮經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式相比于常規(guī)運(yùn)行模式而言，總成本降低；嵌入碳排放限制的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式相比于常規(guī)運(yùn)行模式而言，減排效果顯著；引入儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式相比于常規(guī)運(yùn)行模式而言，機(jī)組整體調(diào)峰能力增強(qiáng)，同時也能起到很好的減排作用。

4 結(jié)束語

本文是在《嵌入碳排放限制的環(huán)保熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析》研究基礎(chǔ)上借助已經(jīng)建立的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，同時為改善熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與系統(tǒng)調(diào)峰能力，引入儲能系統(tǒng)，合理配置儲能系統(tǒng)容量，制定與機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相結(jié)合的儲能充放電策略，將系統(tǒng)出力進(jìn)行最優(yōu)分配，最終利用先進(jìn)的智能計(jì)算機(jī)仿真與算法應(yīng)用在實(shí)際算例當(dāng)中驗(yàn)證建立模型的可行性，得出以下結(jié)論：

（1）相對于傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行方式而言，引入儲能技術(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式可有效改善系統(tǒng)峰谷差，使系統(tǒng)內(nèi)能量達(dá)到最優(yōu)分配，成本雖有所上漲，但整體有利于電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（2）該方式大幅度提升了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和靈活性，為今后熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與類似調(diào)峰任務(wù)提供參考。

（3）可依據(jù)本模型進(jìn)一步研究不同儲能裝置、不同儲能配比容量與熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行結(jié)合提高系統(tǒng)調(diào)峰能力的差異性。