風(fēng)-光-蓄電-燃煤互補系統(tǒng)的參數(shù)匹配優(yōu)化

田景奇，方 旭，王天堃，顧永正，張軍峰，魏書洲，王金星

（1.國電電力發(fā)展股份有限公司，北京 100020；2.上海電力大學(xué)能源與機械工程學(xué)院，上海 200090；3.三河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 廊坊 065201；4.河北省燃煤電站污染防治技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065201；5.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206）

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國非化石能源發(fā)電量呈增加趨勢[1]，預(yù)計到2030 年，非化石電力比例將達到49%[2-3]。然而，可再生能源并網(wǎng)帶來的間歇性和波動性給原有電力系統(tǒng)帶來了新挑戰(zhàn)[4-6]。為實現(xiàn)新能源電力的消納，火電機組需以高煤耗和低經(jīng)濟性為代價完成系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻[7-10]。方旭等[11]以“熱電解耦”為需求背景，評述了熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)冷端余能供熱改造方式，對比了背壓、熱泵余熱回收及低壓缸“零出力”3 種供熱改造方式的特點和經(jīng)濟效應(yīng)。王金星等[12-13]以性能評價為視角從擴大熱電比、增設(shè)電熱轉(zhuǎn)換裝置以及耦合儲能系統(tǒng)3 個方面探討了提高系統(tǒng)靈活性的應(yīng)用方式，并以耦合儲能為對象分別從單一儲熱裝置、電熱轉(zhuǎn)換-儲熱裝置以及熱化學(xué)轉(zhuǎn)化-儲熱裝置3 個方面評述了將儲能應(yīng)用于火電機組靈活性改造的特點，同時指出需要重點考慮蓄電裝置的衰退性能。Wang 等人[14]以提高熱電聯(lián)產(chǎn)機組靈活性為目標(biāo)，對比分析了熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)峰能力與可再生能源消納之間的關(guān)系，并提出了一種適用該系統(tǒng)的調(diào)度方案。對于調(diào)峰機組的經(jīng)濟 性問題，吳瑞康等[15]發(fā)現(xiàn)超臨界660 MW 機組在32%額定負(fù)荷（210 MW）時，供電煤耗將升高近3 g/(kW·h)。為此，降低對原火電機組的靈活性需求是提高調(diào)峰機組經(jīng)濟性運行能力的有效途徑之一。

結(jié)合發(fā)電源的特點，實現(xiàn)降低機組負(fù)荷需求的波動性不僅是降低火電機組靈活性需求的有效途徑之一，也是降低非設(shè)計工況煤耗的重要方面。風(fēng)電與光電在一天周期內(nèi)的互補性為削弱新能源電力的峰谷差提供了研究前景[16-19]。例如，Moradi 等人[20]基于風(fēng)光互補技術(shù)建立了集輸電網(wǎng)-發(fā)電技術(shù)-儲能裝置一體化多時段模型，并給出了相關(guān)設(shè)備的類型和規(guī)模。Shugay 等人[21]根據(jù)太陽能光伏和風(fēng)能在時間、空間上隨機的特點，建立了高精度的太陽能和風(fēng)能預(yù)測模型，用于預(yù)測太陽能和風(fēng)能的負(fù)載頻率和電網(wǎng)對可再生能源負(fù)荷需求行為，不僅可降低燃煤電廠調(diào)峰壓力，同時也為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。Khalid 等人[22]以蓄電池儲能技術(shù)為目標(biāo)，提出了一種通用的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)容量計算方法，為風(fēng)光互補電廠帶來明顯效益。然而，對風(fēng)光互補性參數(shù)的優(yōu)化仍有待進一步系統(tǒng)展開，尤其是結(jié)合風(fēng)電容量百分?jǐn)?shù)的優(yōu)化還比較匱乏。

如前所述，耦合儲能裝置能夠進一步降低新能源電力與負(fù)荷需求間的匹配性需求。蓄電池作為一種可跨時間尺度實現(xiàn)源-荷互補設(shè)備，與其他儲能裝置相比，具有啟停迅速、運行靈活等特點。例如，沈?qū)W良等[23]通過多電源用戶蓄電池儲電系統(tǒng)研究，實現(xiàn)了蓄電池充放電過程功率平衡控制與電壓及頻率平衡控制。李娜等[24]對復(fù)合儲能系統(tǒng)的充放電進行研究，提出了系統(tǒng)充放電策略，既能保證吸收風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)生成的電能，又能向負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。Miao 等人[25]提出了一種基于預(yù)測風(fēng)電的蓄電池儲能策略，使聯(lián)合風(fēng)儲系統(tǒng)的經(jīng)濟效益最大化，建立了聯(lián)合風(fēng)儲系統(tǒng)經(jīng)濟效益優(yōu)化模型。為此，結(jié)合系統(tǒng)運行特點，進一步耦合儲能裝置有利于深度挖掘其消納新能源電力的潛力。

為在實現(xiàn)可再生能源消納的同時保證傳統(tǒng)火電廠的經(jīng)濟運行，本文結(jié)合風(fēng)電-光伏互補特點，以及蓄電池特性，以2×350 MW 機組為例進行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，同時兼顧對風(fēng)電容量的優(yōu)化以及蓄電池輔助調(diào)節(jié)，獲得了不同方案下系統(tǒng)對新能源電力的消納情況，以期對已有燃煤機組進行可再生能源消納改造技術(shù)研究提供參考。

1 風(fēng)-光-蓄電-燃煤多能互補系統(tǒng)

風(fēng)-光-蓄電-燃煤多能互補系統(tǒng)主要由燃煤機組、風(fēng)力發(fā)電（風(fēng)電）、光伏發(fā)電（光伏）以及蓄電池構(gòu)成，其系統(tǒng)示意如圖1 所示。其中，燃煤機組為亞臨界2×350 MW 機組，為滿足機組運行的安全性，耦合系統(tǒng)最低運行負(fù)荷為2 臺機組額定負(fù)荷的40%（280 MW），升降負(fù)荷速率限制為額定負(fù)荷的2%/min（14 MW/min）。通過設(shè)定單一消納、互補消納和蓄電池輔助消納3 種 情景分別對該多能互補耦合系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化分析：1）單一消納情景指燃煤機組分別與風(fēng)電或光伏耦合，以滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求；2）互補消納情景指燃煤機組與風(fēng)電-光伏耦合，滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求，同時通過調(diào)整風(fēng)電和光伏的嵌入比例，實現(xiàn)二者的互補性消納；3）蓄電池輔助調(diào)節(jié)情景則是在互補消納的基礎(chǔ)上，通過蓄電池調(diào)整“源-儲-荷”的匹配性，實現(xiàn)更高比例的新能源電力嵌入。

圖1 風(fēng)-光-蓄電-燃煤多能互補系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the wind-solar-electricity storage and coal-fired multi-energy complementary system

為進一步分析多能互補系統(tǒng)參數(shù)間定量關(guān)系，選用1 天內(nèi)（1 440 min）的實際參數(shù)進行模型驗證，結(jié)果如圖2 所示。系統(tǒng)電負(fù)荷為2 臺機組共同承擔(dān)的供電需求，單位風(fēng)電功率反映當(dāng)風(fēng)電容量折算為1 MW時的風(fēng)電功率波動情況，單位光伏功率反映光伏容量折算為1 MW 時的光伏功率波動情況。由圖2 可見，光伏主要在白天生產(chǎn)，而此時風(fēng)電輸出為低谷，這為多能互補系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的可行性提供了依據(jù)。

圖2 風(fēng)-光-蓄電-燃煤多能互補系統(tǒng)電負(fù)荷、單位風(fēng)電功率及單位光伏功率曲線Fig.2 Change curves of the electrical load,unit wind power and unit photovoltaic power of the wind-solar-electricity storage and coal-fired multi-energy complementary system

2 多能互補系統(tǒng)運行邏輯

分別以燃煤機組的調(diào)節(jié)區(qū)域約束、風(fēng)電和光伏的波動特性以及電網(wǎng)需求特點和蓄電池參數(shù)設(shè)定為基準(zhǔn)，構(gòu)建多能互補系統(tǒng)模型。該模型的特點是在滿足發(fā)電功率與用電負(fù)荷需求匹配的前提下，實現(xiàn)新能源電力的更高占比。為滿足外界負(fù)荷要求以及對風(fēng)電、光伏的消納，2 臺350 MW 燃煤機組需進行調(diào)峰運行，風(fēng)-光-蓄電-燃煤多能互補系統(tǒng)的運行邏輯如圖3 所示。需要指出的是，本文設(shè)定雙機組具有相同性能，二者間電負(fù)荷均勻分配，等額承擔(dān)新能源電力消納。

對于單一消納（圖3a)），需先設(shè)定一個風(fēng)電或光伏比例系數(shù)i（整數(shù)），當(dāng)燃煤機組可以消納，則增大比例系數(shù)i，否則減小比例系數(shù)i，通過循環(huán)計算得出一個單獨消納風(fēng)電/光伏的最大消納總量。

對于互補消納有2 種方式：

1）設(shè)定一個風(fēng)電比例系數(shù)i和一個光伏比例系數(shù)j（整數(shù)）。當(dāng)燃煤機組滿足可調(diào)，增大光伏比例系數(shù)j。否則增加風(fēng)電比例系數(shù)i，循環(huán)計算得出最大互補消納總量（圖3b)）。

2）將風(fēng)電和光伏看作一個整體新能源電力，設(shè)其比例系數(shù)為i，其中風(fēng)電比例系數(shù)為j。判斷燃煤機組是否可調(diào)：若可調(diào)，則增加新能源電力比例系數(shù)i和風(fēng)電比例系數(shù)j；反之，則減少比例系數(shù)i。計算得出最大新能源電力消納總量（圖3c)）。

蓄電池調(diào)節(jié)輔助運行邏輯如圖3d)所示。設(shè)新能源電力比例系數(shù)為i，當(dāng)滿足燃煤機組可調(diào)時，增大比例系數(shù)i，蓄電池起輔助燃煤機組調(diào)峰的作用。

圖3 多能互補系統(tǒng)運行邏輯Fig.3 Logic operation diagram of multi-energy complementary system

3 結(jié)果與討論

3.1 風(fēng)、光電力單一消納

圖4 展示了2×350 MW 燃煤機組單獨消納風(fēng)電、光電的計算結(jié)果。由圖4 可以看出，該機組在最低運行負(fù)荷（額定負(fù)荷的40%，即280 MW）和升降負(fù)荷速率限制為14 MW 的約束下，消納風(fēng)電總量占比為1.45%（風(fēng)電容量設(shè)定為13 MW），消納光伏總量占比為3.20%（光伏容量設(shè)定為49 MW）。風(fēng)電和光伏的消納體現(xiàn)出不同特點：風(fēng)電在0～600 min和900～1 440 min 內(nèi)消納負(fù)荷在6 MW 功率上下對稱波動，在中午時段600～900 min 消納負(fù)荷較低（約3 MW）；光電則表現(xiàn)出與風(fēng)電強烈的互補特性，光伏消納負(fù)荷由450 min 開始逐漸由0 上升到約45 MW 并保持相對穩(wěn)定，到800 min 后再逐漸下降。需要說明的是，本文計算得到的風(fēng)電和光伏功率均以圖2 波動數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，因此計算得到的功率可認(rèn)為是風(fēng)電和光伏的容量。

圖4 2×350 MW 燃煤機組單獨消納風(fēng)電、光電的計算結(jié)果Fig.4 Calculation results for single consumption of wind/solar energy in 2×350 MW coal-fired unit

3.2 風(fēng)-光電力互補消納

圖5 展示了風(fēng)電-光伏互補情景下風(fēng)電-光伏的耦合消納情況。由圖5 可以看出：風(fēng)電-光伏互補時，風(fēng)電、光伏的消納量分別約142.51 MW·h 和366.32 MW·h；而單獨消納時，風(fēng)電和光伏的消納量僅為165.31 MW·h 和364.51 MW·h。風(fēng)電、光伏單獨消納時，僅能實現(xiàn)風(fēng)電消納總量的1.45%或者光伏消納總量的3.2%（結(jié)合圖4），而互補消納不僅可以實現(xiàn)風(fēng)電1.25%的消納比例，還可以實現(xiàn)光伏2.95%的消納比例，具體如圖6 所示。

圖5 消納總量與風(fēng)電、光伏容量的相關(guān)性Fig.5 Correlation between total consumption and wind power and photoelectric capacity

圖6 互補消納形式Fig.6 Complementary absorption form

由此可見，無論是消納系數(shù)還是消納功率都能體現(xiàn)風(fēng)-光耦合消納的優(yōu)勢。此外，從消納系數(shù)看，計算得到的風(fēng)電和光伏最大消納系數(shù)分別為14%和60%，光伏消納系數(shù)約是風(fēng)電消納系數(shù)的4 倍，這是因為風(fēng)電在白天發(fā)電負(fù)荷相對較小，在凌晨和夜間相對較大，與外界電力負(fù)荷需求相反。為此，可通過優(yōu)化風(fēng)電消納比例，實現(xiàn)更大容量的風(fēng)電-光伏消納。

3.3 風(fēng)電容量優(yōu)化

基于3.2 節(jié)的推測，詳細(xì)分析了風(fēng)電消納比例對風(fēng)-光互補消納量的影響，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，將風(fēng)電容量設(shè)定為原風(fēng)電容量的19%時，由于其大大降低了風(fēng)電自身的波動性，更有利于風(fēng)電-光伏間的互補，導(dǎo)致新能源電力的消納總量達到最大值，接近800 MW·h。

圖7 風(fēng)電消納比例對風(fēng)-光互補消納量的影響Fig.7 Effect of wind-power consumption proportion on total consumption of new energy

圖8顯示了在最優(yōu)風(fēng)電容量下的新能源電力消納情況。由圖8 可見：風(fēng)電消納總量占比為3.72%，光伏消納總量占比為3.19%；與風(fēng)電容量優(yōu)化前相比，風(fēng)電消納總量占比和光伏消納總量占比均明顯提高。

圖8 最優(yōu)風(fēng)電容量下新能源電力消納情況Fig.8 New energy power consumption under conditions with the optimal wind power capacity

3.4 蓄電調(diào)節(jié)輔助

為進一步提高對新能源電力的消納，先設(shè)定蓄電池相關(guān)參數(shù)，放電速率設(shè)為73.7 MW，容量設(shè)為48.5 MW·h。通過計算，在該蓄電池參數(shù)下，新能源電力、蓄電池充放電和燃煤機組的電負(fù)荷情況如圖9 所示。需要指出的是，蓄電池充放電功率為非零階段均為蓄電池啟動階段。由圖9 可明顯看出：蓄電池充放電在某個具體的時間點需要較大；最終對新能源電力消納總量占比可達到22.55%。

圖9 蓄電池輔助調(diào)節(jié)下新能源電力的消納情況Fig.9 New energy power consumption with battery auxiliary regulation

綜上所述：在單一消納情景下，風(fēng)電和光伏的消納比例分別為1.45%和3.20%；在互補消納情境下，風(fēng)電和光伏的消納比例可達到4.20%，進一步優(yōu)化風(fēng)電容量百分比可將新能源電力消納總量占比增加至6.91%；在本文設(shè)定的蓄電池參數(shù)下，新能源電力消納總量占比可達到22.55%。

4 結(jié) 語

1）對于單一消納方式，分別對風(fēng)電和光伏的容量設(shè)定進行優(yōu)化。其中，消納風(fēng)電總量占比為1.45%（風(fēng)電容量為13 MW），消納光伏總量占比為3.20%（光伏容量為49 MW）。

2）采用耦合風(fēng)-光互補消納方式后，新能源電力總消納量可達到4.20%，其風(fēng)電容量為11 MW、光伏容量為45 MW。

3）風(fēng)電容量降為原容量的19%時，新能源電力的消納比可進一步提高到6.91%，達到最優(yōu)。

4）通過設(shè)定蓄電池參數(shù)可將其新能源電力消納總量占比提高到22.55%。