電熱能源集成系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度的二階段策略

劉健松，魏立明， 袁紅斌， 司永利

( 1. 吉林建筑大學(xué) 電氣與計算機學(xué)院，長春130011；2. 國網(wǎng)吉林省電力有限公司白城供電公司，吉林 白城137000)

0 引 言

隨著世界各國長期以來對傳統(tǒng)化石能源的大規(guī)模使用，世界環(huán)境問題的日益嚴峻和化石能源逐漸枯竭，而以風(fēng)電為代表的清潔能源逐漸在世界各國快速發(fā)展，尤其風(fēng)電在我國的發(fā)展規(guī)模一次又一次突破，已經(jīng)成為我國第三大主力電源[1]。但是，在“三北”地區(qū)冬季供暖期間卻出現(xiàn)大規(guī)模的棄風(fēng)現(xiàn)象，因為“三北”地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)不算合理，具備靈活調(diào)節(jié)能力的電源占比顯然不足，存在調(diào)峰困難。同時冬季供暖期間持續(xù)時間較長，室外的平均溫度較低，采暖熱負荷水平較高，熱電聯(lián)產(chǎn)機組(combined heat and power，CHP)總量大、占比高，同時需要優(yōu)先保障采暖熱負荷需求，CHP機組采用“以熱定電”運行模式會使其電功率輸出受到機組采暖熱負荷的限制，風(fēng)電的上網(wǎng)空間會受到極大限制[2]。

由于風(fēng)電出力的隨機性、波動性和反調(diào)峰特性，會造成風(fēng)電出力不能隨意調(diào)度和調(diào)控，增加調(diào)度計劃的難度。由于電負荷預(yù)測曲線和風(fēng)電的功率預(yù)測曲線呈相反趨勢，且現(xiàn)有的預(yù)測方法對預(yù)測風(fēng)電功率會產(chǎn)生誤差，造成在冬季供暖期的夜間，風(fēng)電正處于高出力水平，而采暖熱負荷需求高且電負荷需求低。為保證供暖需求，CHP機組會增加出力，當(dāng)機組的調(diào)節(jié)范圍達到極限時，無法為風(fēng)電提供上網(wǎng)空間，給系統(tǒng)的運行和控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3]。

針對“三北”地區(qū)的電源結(jié)構(gòu)特性，為了讓風(fēng)電有足夠的上網(wǎng)空間，保證系統(tǒng)的最優(yōu)經(jīng)濟性，電熱集成系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度問題是系統(tǒng)運行中最重要的優(yōu)化問題，許多學(xué)者對此進行了廣泛研究。文獻[4]提出了關(guān)于熱電聯(lián)產(chǎn)機組的經(jīng)典經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻[5]綜合考慮棄風(fēng)成本和電動汽車調(diào)度成本等，針對區(qū)域電熱集成系統(tǒng)提出了一種日前經(jīng)濟調(diào)度模型。文獻[6]提出以電熱集成系統(tǒng)的運行成本為最小優(yōu)化目標(biāo)的一種整體優(yōu)化調(diào)度方法，但文中忽略了集中供熱管網(wǎng)和采暖建筑物的熱慣性。考慮到電傳輸、熱傳輸損耗和網(wǎng)絡(luò)傳輸約束，文獻[7]提出排隊競爭算法。文獻[8-9]提出了一種基于時變加速的粒子群優(yōu)化算法，來處理熱電聯(lián)產(chǎn)機組的多目標(biāo)優(yōu)化問題。在定義熱傳輸損耗系數(shù)后，文獻[10-11]提出了一種基于分布式神經(jīng)動力學(xué)優(yōu)化的方法來解決電熱集成系統(tǒng)的經(jīng)濟調(diào)度問題，但尚未建立功率和熱傳輸損失模型，文中只是將兩者在一定程度上視為常量。目前考慮到集中供熱管網(wǎng)熱慣性是相對新穎并且復(fù)雜的經(jīng)濟調(diào)度問題。綜上所述，文中借鑒國內(nèi)外研究學(xué)者的工作成果，在他們的研究基礎(chǔ)上繼續(xù)挖掘電熱集成系統(tǒng)的調(diào)峰能力和優(yōu)化調(diào)度策略。

目前研究工作中對電熱集成系統(tǒng)中優(yōu)化調(diào)度問題的求解方面涉及不多，并且通常可以表示為約束優(yōu)化問題。現(xiàn)有的經(jīng)濟調(diào)度優(yōu)化算法主要有迭代式優(yōu)化方法、牛頓法、線性規(guī)劃法[12]。

為了提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組參與系統(tǒng)的調(diào)峰能力，為風(fēng)電上網(wǎng)提供更大的空間，建立最小供熱負荷模型。合理分配熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱負荷，來滿足供熱區(qū)域的熱用戶處于適宜溫度的最小供熱量，研究電熱能源集成系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度的二階段策略，優(yōu)化結(jié)果將作為供熱計劃提供給機組的傳統(tǒng)運行模式。

1 影響電熱系統(tǒng)集成的機制因素分析

1.1 電價因素

1.1.1 常規(guī)火電機組

通過系統(tǒng)中電負荷的變化情況，利用低谷、平段、高峰等多個時段來平分24 h，以此來提高電網(wǎng)中資源的利用效率。

(1)

1.1.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機組

熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電功率Pe和供熱功率Ph間的耦合關(guān)系，如圖1所示。

圖1 熱電機組電熱特性

在考慮分時電價原則后，需要保證熱電聯(lián)產(chǎn)機組的發(fā)電總價最高。

(2)

1.1.3 風(fēng)電

風(fēng)電的收益僅與電價因素有關(guān)：

(3)

1.2 調(diào)峰補償因素

1.2.1 常規(guī)火電機組

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，為了減少常規(guī)火電機組提供深度調(diào)峰時的電量損失，電網(wǎng)將對這一部分進行補償。

(4)

式中：C2為調(diào)峰補償增量；Γ為深度調(diào)峰總時段；φ′為調(diào)峰補償電價；mt為t時段常規(guī)火電機組的額外損耗費用。

1.2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機組

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的調(diào)峰補償增量主要由調(diào)峰時段發(fā)電減少量的補償、調(diào)峰時段供熱熱量的減少量的補償及調(diào)度周期對供熱系統(tǒng)提供供熱量不足造成的賠償三部分組成。

(5)

1.3 煤耗量成本因素

1.3.1 常規(guī)火電機組

常規(guī)火電機組的煤耗量成本也影響機組的經(jīng)濟收益。

(6)

同時，常規(guī)火電機組在參與系統(tǒng)調(diào)峰時，得到新的調(diào)度計劃后，其收益增量C應(yīng)為

C=max(C1+C2-C3)

(7)

該文建立的調(diào)度模型實質(zhì)屬于電力經(jīng)濟調(diào)度范疇，常規(guī)火電機組僅涉及常規(guī)調(diào)峰階段，故常規(guī)火電機組收益增量變?yōu)?/p>

C′=max(C1-C3)

(8)

1.3.2 熱電聯(lián)產(chǎn)機組

熱電聯(lián)產(chǎn)機組的煤耗量成本也影響機組的經(jīng)濟收益。

(9)

同樣，熱電聯(lián)產(chǎn)機組在參與系統(tǒng)調(diào)峰時，得到新的調(diào)度計劃后，其收益增量C″應(yīng)為

(10)

2 建筑物蓄熱特性分析

現(xiàn)將某一供熱區(qū)域等效成采暖建筑物，因此供熱區(qū)域的熱量平衡如圖2所示。其中熱源通過介質(zhì)利用二級管網(wǎng)對采暖建筑物進行供熱，以此控制采暖建筑物的室內(nèi)溫度，但是所提供熱量會有部分被采暖建筑物內(nèi)空氣和物品等吸收，還有一部分會通過建筑物的圍護結(jié)構(gòu)對外進行散熱。

圖2 建筑物供熱系統(tǒng)示意圖

傳熱介質(zhì)的傳輸時間可以忽略，采暖建筑物室內(nèi)熱平衡方程可表示為

(11)

熱源提供給采暖建筑物的熱量主要取決于二級管網(wǎng)的供水溫度和回水溫度，當(dāng)考慮熱量傳輸過程的損失時，二級管網(wǎng)的傳熱方程為

(12)

室內(nèi)外溫度會影響采暖建筑物的散熱量，采暖建筑物的圍護結(jié)構(gòu)散熱方程為

(13)

因此，通過利用建筑物的室內(nèi)溫度與機組的出力之間關(guān)系，在調(diào)峰出現(xiàn)困難時，僅需下調(diào)機組熱出力，就可以增加深度調(diào)峰的空間。

3 日前優(yōu)化調(diào)度的二階段策略

3.1 深度調(diào)峰時段的最小供熱負荷計算

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)調(diào)峰困難時，熱電聯(lián)產(chǎn)機組需進行深度調(diào)峰，設(shè)深度調(diào)峰連續(xù)時段集合為Γ。通過采暖建筑物的蓄熱特性可以減少CHP機組在深度調(diào)峰時段的熱負荷，因此提出最小供熱負荷模型，用以計算在深度調(diào)峰時段熱負荷需求：

(14)

(15)

3.2 熱負荷優(yōu)化分配模型

由于CHP機組受到“以熱定電”運行方式限制，首先需滿足采暖用戶的熱負荷來確定機組的熱出力，以熱出力為基準確定機組的電出力靈活性調(diào)節(jié)空間，并以此確定風(fēng)電上網(wǎng)空間。

因此當(dāng)供熱區(qū)域的熱源為多臺CHP機組聯(lián)合供熱時，需要對CHP機組的熱負荷進行優(yōu)化分配。其優(yōu)化分配模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

(16)

(17)

4 算例分析

4.1 算例描述

以一個含有10臺常規(guī)火電機組、3臺CHP機組和一個風(fēng)電機組的電熱能源集成系統(tǒng)為例，分析各機組參與系統(tǒng)調(diào)峰的情況。其中常規(guī)火電機組參數(shù)和CHP機組參數(shù)分別參考文獻[8]和文獻[9]，風(fēng)電機組的容量上限為200 MW。同時將某一日劃分為高峰時段、平時段及低谷時段，高峰的電價0.91元/(kW·h)，對應(yīng)時段為9∶00～11∶00和19∶00～23∶00；平時段的電價0.63元/(kW·h)，對應(yīng)時段為7∶00～8∶00和12∶00～18∶00；低谷時段的電價0.38元/(kW·h)，對應(yīng)時段為24∶00～6∶00。

現(xiàn)依靠CHP機組利用采暖建筑物在室溫為19.3 ℃下，利用其蓄熱特性接納風(fēng)電，同時將此運行方式與CHP機組的傳統(tǒng)運行模式進行對比。

4.2 結(jié)果分析

首先系統(tǒng)中CHP機組在傳統(tǒng)的運行方式下，通過式(14)建立的最小供熱負荷模型可得出符合采暖建筑物室內(nèi)標(biāo)準室溫時的最小供熱量。通過式(16)建立的熱負荷分配模型，使CHP機組的熱出力合理化，最后確定最終發(fā)電計劃。

如圖3所示為CHP機組在傳統(tǒng)運行方式下，風(fēng)電的并網(wǎng)功率，同時可以得到各機組出力計劃。當(dāng)?shù)玫匠Ｒ?guī)火電機組的出力計劃和啟停狀態(tài)后，通過利用采暖建筑物的蓄熱特性來調(diào)節(jié)CHP機組的電出力空間，為風(fēng)電上網(wǎng)提供空間。此時，通過CHP機組對系統(tǒng)調(diào)峰的響應(yīng)來分析調(diào)度策略的可行性。

圖3 “以熱定電”模式風(fēng)電功率圖

4.2.1 電價因素

在一個調(diào)度周期內(nèi)，CHP機組在傳統(tǒng)運行方式下與利用采暖建筑物蓄熱特性調(diào)整后各機組的發(fā)電量對比情況如表1所示。

表1 調(diào)度計劃調(diào)整前后發(fā)電量對比

通過表1可以得出：在利用采暖建筑物的蓄熱特性后，可以明顯降低CHP機組的電出力，以此提高系統(tǒng)消納風(fēng)電的空間，其中機組1的電出力變化較為明顯，為主要調(diào)峰機組。

在一個調(diào)度周期內(nèi)，CHP機組在傳統(tǒng)運行方式下與利用采暖建筑物蓄熱特性調(diào)整后各機組的發(fā)電總價對比情況如表2所示。

表2 調(diào)度計劃調(diào)整前后發(fā)電總價對比

通過表2可以得出：利用采暖建筑物的蓄熱特性后，CHP機組1-2的發(fā)電總價發(fā)生減少，但CHP機組3的發(fā)電總價卻升高。因此，從發(fā)電總價的角度來說，CHP機組1-2參加系統(tǒng)調(diào)峰時處于被動。

4.2.2 調(diào)峰補償

根據(jù)相關(guān)規(guī)則，對于深度調(diào)峰的機組來說，電補償和熱補償分別為50元/MW和87元/GJ，而對于熱量賠償來說，熱電廠對采暖用戶賠償為30元/GJ(表3)。

表3 調(diào)峰瓶頸時段熱電機組調(diào)峰補償

通過表3可以得出：CHP機組1-3都獲得了一定程度的電熱補償。但通過在調(diào)峰困難時期，利用建筑物的蓄熱特性，來下調(diào)CHP機組的熱出力，會導(dǎo)致在整個調(diào)度計劃中的熱出力都會發(fā)生改變。并且最后僅CHP機組1的熱出力符合要求，同時作為調(diào)峰重要機組，獲得的補償費用以及總補償最大。

4.2.3 煤耗量

一個調(diào)度周期內(nèi)的煤耗量對比情況如表4所示。

表4 調(diào)度計劃調(diào)整前后煤耗量對比

由表4可以得出：利用采暖建筑物的蓄熱特性后，參與系統(tǒng)調(diào)峰的CHP機組煤耗量降低，同時節(jié)約了96.8 t煤。當(dāng)設(shè)標(biāo)準煤480元/t，則CHP機組調(diào)整前后的費用如表5所示。

表5 調(diào)度計劃調(diào)整前后熱電機組利潤對比

通過表5可知，在系統(tǒng)處于傳統(tǒng)運行方式及利用采暖建筑物的蓄熱特性時，CHP機組均有收益,但不同CHP機組調(diào)整前后的收益卻不同。當(dāng)利用采暖建筑物的蓄熱特性時，僅CHP機組1會對系統(tǒng)調(diào)峰發(fā)生響應(yīng)。將CHP機組1-3看作一個整體，則調(diào)度計劃調(diào)整后會多收益2.89萬元。

5 結(jié) 語

提出日前調(diào)度的二階段策略，從電價因素、調(diào)峰補償因素和機組煤耗量三部分來研究電熱能源集成系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力。考慮采暖建筑物的蓄熱特性會使系統(tǒng)的風(fēng)電消納空間增大，同時在調(diào)度計劃調(diào)整后會降低系統(tǒng)的運行成本，通過對調(diào)度計劃調(diào)整前后各項數(shù)據(jù)對比分析，最終驗證了各機組對系統(tǒng)調(diào)峰的響應(yīng)因素為電價因素、調(diào)峰補償因素和機組煤耗量三個因素。