蓄熱式電鍋爐的風電消納研究

李丹東

(西安諾博爾稀貴金屬材料股份有限公司,陜西 西安 710065)

1 研究背景和意義

風能以其清潔可再生的優勢已成為世界新能源技術的關注點。我國已探明可開發陸上風能約為10億kW。至2020年底,我國預計風電建設總投資將超過7 000億元。風力發電的出力受限于風速的波動,無法提前規劃,導致電網為了滿足調峰調頻要求和保證系統安全,只能對風電場進行棄風限電。以火電和熱電為基礎的電網運行機制不能適應風電的大規模并網。我國的棄風電量嚴重,僅以2016年為例,就達到497億kW·h,棄風率高達20.6%,造成的經濟損失占當年風力發電投資的14%。隨著國家對棄風的日益重視,提出力爭在2020年將棄風率控制在5%以下。因此,我國關于大規模的風電消納的研究雖處于起步階段,但政府、電網和風電企業都在探尋消納過剩風能的有效方法。

由于我國的風電跨區域輸送設施和輸送技術仍不完善,風電消納只能以就地消納為主。風電就地消納的方法分為以下幾種：蓄水儲能、棄風輸送、棄風儲能、風電供熱。其中風電供熱蓄熱在經濟效益和消納不確定棄風上具有更好的表現。2017年國家能源局下發《關于促進可再生能源供熱的意見》,鼓勵和推進北方地區冬季風電供熱。

風電供熱的方式包含以下幾種形式：離網風電機組獨立供暖、風電互補供暖、風光互補供暖、風光電互補供暖、熱-電機組或風-電機組或蓄熱式電鍋爐互補供暖,其中利用蓄熱式電鍋爐完成電熱能量在時間上的轉移,消納供暖期內的棄風電量,是目前就地解決棄風現象的有效方案。

2 蓄熱式電鍋爐工作原理

蓄熱式電鍋爐的本質為電熱轉換的電負荷,是一種高效、清潔的電加熱設備。在電力系統中,蓄熱式電鍋爐負荷低谷時通過風電進行制熱蓄熱,提高電網低谷時段的用電負荷,消納供暖期的電網無法利用的風電出力,同時在負荷高峰時利用儲蓄的熱能進行供熱,降低熱電聯產機組的負荷,實現能量的時段轉移,打破“以熱定電”的限制,穩定電力系統的安全運行。

相對于傳統的煤炭鍋爐,在利用風電場冬季采暖期棄風供熱的同時,把傳統的化石燃料和灰渣輸送變為電力輸送,改變了我國北方地區傳統的熱電機組和燃煤鍋爐構成的集中供熱模式,不僅有效降低了區域內的環境污染,節約了投資成本和殘渣的處理成本,而且蓄熱式電鍋爐具有靈活可控性,不需要時刻保持運行狀態。蓄熱式電鍋爐消納風電供熱示意圖如圖1所示。

圖1 電-熱時移特性棄風消納示意

從上述的分析可以看出,在一年中供暖需求高峰的冬季,以及一天中用電低谷的夜晚時段,風能資源豐富,風電機組出力高,但是電網中由于熱電機組占據了大量的消納空間,導致發出的風電被迫要放棄。考慮到這些時間段內的熱需求高,棄風大,結合蓄熱式電鍋爐的電熱時移特性,利用棄風電力作為蓄熱電鍋爐的電源。蓄熱式電鍋爐工作產生的熱量一部分與現有熱點網絡的低溫熱網循環水加熱系統并聯運行,實現對需求側用戶供熱,一部分用于儲蓄,在負荷高峰進行供暖,減輕熱電聯產機組的壓力,為風電調度并網提供更多空間。

圖2 固體蓄熱式電鍋爐原理結構示意圖

蓄熱式電鍋爐的供給源為風電,運行功率可以表示為：

式中Pbi—蓄熱式電鍋爐加熱時的功率；

Pw—風電發電功率；

η—風能轉化效率；

α—制熱的損耗率。

需求側的供熱負荷決定了蓄熱式電鍋爐的供暖功率,供熱負荷受到多種因素的影響,包括溫度,濕度等氣象因素,以及管道、建筑的散熱效率等,其中溫度的變化是影響供暖需求最主要的原因。為了保持室內供暖溫度的穩定性以及降低能源損耗,供熱負荷需要對室內與室外溫度進行動態調節：

式中Pbo—蓄熱式電鍋爐供暖時的功率；

J—熱電站供熱范圍內的建筑數量；

qi—建筑j的單位面積散熱指標；

Si—建筑j的面積；

Tji—建筑j的室內溫度,一般為16～20℃；

Tjo—建筑j的室外溫度；

ΔPr—位傳輸過程中的熱損失。

蓄熱式電鍋爐實現了電-熱能量的轉化和時移,在夜晚風電高發期利用原本的棄風電量進行制熱蓄熱,而在電負荷較高的白天時段利用儲存的熱能向用戶供熱,緩解了熱電機組的熱負荷,提高了系統調度的靈活性。從經濟性上看,蓄熱式電鍋爐將過剩風電加以利用,起到一定的削峰填谷功能,降低熱電聯產機組出力,減少化石能源的使用,達到節能減排的目的,降低系統總體的運行成本。

3 基于風速預測與蓄熱式電鍋爐的風電消納研究

風力發電收到風速變化波動性與隨機性的限制,具有嚴重的不確定性,加上冬季供暖期內的“風熱沖突”依然是影響風電消納的主要原因,蓄熱式電鍋爐一方面作為電網負荷,在風電高發期利用風電進行制熱蓄熱,另一方面解耦熱電聯產機組“以熱定電”的運行約束,實現了電熱的時移轉換,提高了系統的調峰能力。需要對蓄熱式電鍋爐的運行策略的分析,建立優化調度模型,從風電消納和經濟效益兩方面驗證了基于風速預測的運行策略的有效性。

3.1 基于蓄熱式電鍋爐的風電消納控制策略

風速的季節性變化較為明顯,風速波動范圍比較大,根據波峰風速和谷底風速對應的時間,6月至9月平均風速與平均風功率密度較小,11月至次年2月(冬季)平均風速與平均風功率密度較大,風速與風功率密度的月變化趨勢基本一致,存在比較明顯的波動性與間歇性。風電高發期與我國的供熱期重疊程度較高,風電消納量也明顯高于非供熱期,而此時由于熱電機組“以熱定電”的運行狀態,嚴重壓縮了電網中消納風電的空間,雖然電網系統為了應對風電隨機波動會預留一定調控容量。但是在供熱時段內的負荷低谷期,調峰容量十分有限,造成大量風電棄風。

蓄熱式電鍋爐在高棄風時段進行工作,產生的熱量一部分與現有熱點網絡的低溫熱網循環水加熱系統并聯運行,實現對需求側用戶供熱,一部分用于儲蓄,在負荷高峰進行供暖,實現電熱的時移,減輕熱電聯產機組的壓力,為風電調度并網提供更多空間。相比于傳統的鍋爐,蓄熱式電鍋爐利用風電供熱不僅有效緩解化石能源造成的環境污染問題,同時可以大量利用優質風資源,達到降低風電棄風的目的。

本文采用的蓄熱式電鍋爐消納風電的運行策略有兩種：

(1)基于分時電價的兩階段運行方式

我國為了鼓勵風電的就地消納,針對風電供熱項目的用電執行大工業用戶用電,每日根據不同的時間段,將用電分為“峰、谷、平”三個時段,具體時間段的劃分如下：

表1 不同用電時段劃分

在此基礎上,為了節約運行成本,蓄熱式電鍋爐可以根據分時電價設置兩階段運行方式：在每日的部分用電谷段以及部分用電平段,即每日21：00至次日7：00,由于該時間段內的風力資源豐富,風電出力較高,電網接納風電的能力較低,在該時間段內蓄熱式電鍋爐以額定功率運行,以較低的電價進行蓄熱；在這段時間之外,電價恢復正常水平,蓄熱式電鍋爐停止運行,僅向外進行供暖,降低熱電聯產機組的負荷,為電力系統獲取更多接納風電的空間。

(2)跟蹤風電功率的運行方式

將蓄熱式電鍋爐作為電網中的可調節負荷,對其運行功率根據風功率的預測出力進行調節。但是短時間內過多的調節次數會嚴重損害其使用壽命,為了降低跟蹤風電功率運行方式的調節次數,根據蓄熱式電鍋爐的額定制熱功率將其運行功率劃分為多個檔位,基于第三章建立的風速預測模型獲得未來的一小時內的風速預測序列,根據風電機組的處理模型進行風功率預測,將風電功率和蓄熱式電鍋爐的剩余容量作為決策變量來控制運行狀態以及運行功率。

如圖3所示,依據當前時刻的剩余熱量容納空間,若風電功率Pw(v)大于等于額定功率時,并且直到下一次功率改變前產生的熱量小于剩余容量,則電鍋爐以額定功率運行,否則將運行功率下降一個檔位并重新判斷,直到選擇出合適的制熱功率；當風電功率Pw(v)大于0小于時,并且在該功率下運行直到下一次功率改變前產生的熱量小于剩余容量,電鍋爐以風電功率Pw(v)所處檔位運行,否則將運行功率下降一個檔位并重新判斷,直到選擇出合適的制熱功率。在該策略中,蓄熱式電鍋爐能夠配合風電出力盡可能消納風電,同時避免在風電出力較低的情況下,電鍋爐的運行功率過大造成的經濟損失。

圖3 跟蹤風電運行策略流程圖

式中Pd—蓄熱式電鍋爐在檔位d下的運行功率；

Qbr—剩余容量,Qdmax為額定功率下1小時儲蓄的熱量；

Qd—檔位d下1小時儲蓄的熱量。

3.2 基于蓄熱式電鍋爐的優化調度系統

根據上述分析,建立包含蓄熱式電鍋爐的電力調度系統,如圖4所示。

圖4 引入蓄熱式電鍋爐的調度系統示意圖

系統中主要包含電能和熱能的生產、傳輸、轉化、存儲與使用。兩種能量之間存在著較為復雜的耦合關系,因此首先將各個部分的模型從能量角度對主要構成部分進行詳細描述,忽略傳輸和損耗部分,以此簡化系統的數學模型。從結構上進行劃分,系統中存在著能量供給部分,能量轉化和存儲部分以及能量輸出部分。

3.3 實驗模型與實驗結果分析

3.3.1 實驗情景與參數

為了驗證基于風速預測出力的儲能系統能夠配合電網更有效地進行風電消納,針對以下三種情景根據上述的約束條件對目標函數進行實驗分析。三種情景分別為：

情景Ⅰ)實驗僅包含火電機組、熱電聯產機組、風電機組,不考慮蓄熱式電鍋爐；

情景Ⅱ)在情景Ⅰ的基礎上,加入蓄熱式電鍋爐,同時蓄熱式電鍋爐采用兩段式運行方式；

情景Ⅲ)在情景Ⅱ的基礎上,加入蓄熱式電鍋爐,同時蓄熱式電鍋爐采用跟蹤風電預測功率的運行方式,將蓄熱式電鍋爐的功率以每2 MW劃分為一個檔位,獲得[0、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20]合計分成11個檔位進行實驗。

根據上述情景分析,利用PSCAD仿真軟件,在IEEE3機9節點模型的基礎上進行仿真實驗,其中7,9節點分別接入火電機組和熱電機組,風電機組和蓄熱式電鍋爐接入8節點。

調度模型中各機組、蓄熱式電鍋爐的仿真參數如表2、3、4所示,電負荷和熱負荷需求如圖5所示,風電預測出力曲線如圖6所示。

圖6 風電場預測出力曲線

表2 火電機組和熱電機組的仿真參數

表3 蓄熱式電鍋爐仿真參數

表4 調度系統參數

圖5 電、熱負荷需求曲線

3.3.2 實驗結果分析

綜合上述分析,表5給出了三種情景下的風電消納量,棄風電量和棄風率,表6給出了三種情景下各機組的運行成本、棄風成本以及典型日內的總體發電成本。

表5 各情景模式風電消納數據對比

表6 各情景模式運行成本對比 單位：元

可以看出情景Ⅱ在引入蓄熱式電鍋爐后,風電消納量增加了93.74 MW,有效提高了系統對于風電的利用率,同時棄風成本下降了8 870.42元,并且由于解耦了熱電機組的運行約束,降低其出力水平,系統總體運行成本下降了10 344.2元。而情景Ⅲ利用短期風速預測模型有效跟蹤風功率水平,從而調節蓄熱式電鍋爐運行功率,避免了在風電出力較低的時段以額定功率運行,提高了風電消納能力,雖然熱電機組相較于情景Ⅱ出力變高,但是總體運行成本下降了4 351.86元,總體來看,情景Ⅲ的風電消納能力和運行成本在三種運行方式中最優。若按情景Ⅲ的風電消納情況進行估計,該系統利用電網谷段電力比例為89.16%,每年利用電網谷段電力約為11.6 GWh,假設這部分谷段電力全部來自風電出力,所對應的風電場可以減少棄風小時數約234.4 h,占風資源等效利用小時數的9.3%,同時節約煤耗3 823 t。

3.4 結論

針對冬季供暖期內影響風電消納的“風熱沖突”因素,在傳統的電力調度系統中引入蓄熱式電鍋爐,建立了風電消納的優化調度模型,采用基于分時電價的兩段式運行方式和短期風速預測模型,跟蹤預測風功率的運行方式,以系統棄風量最小和運行成本最優為目標函數,以及能量轉化平衡和各個模塊之間的運行約束,對三種不同場景下的風電消納能力與經濟效益進行仿真實驗分析。結果表明：蓄熱式電鍋爐能夠有效提高系統接納風電的能力,解耦熱電聯產機組“以熱定電”的運行約束,取得較好的經濟效益；在跟蹤風電功率的運行方式下,能提高系統的調峰能力,降低總成本。

4 研究工作總結

針對我國風電快速發展下棄風嚴重的問題,本文提出了一種跟蹤風功率的蓄熱式電鍋爐運行方式相結合的風電消納方案。本文有待進一步完善之處：

(1)本文雖對環境溫濕度、氣壓對風速預測進行了研究,但風速是一種多因素引起的自然現象,對降雨量、風切變、氣壓等影響因素沒有考慮。

(2)僅對風電消納進行了研究,實際上分布式光伏發電與風力發電的多能互補、儲能電池與抽水儲能模式組合,組成多源-荷-儲(熱-電)聯合系統更有意義。