考慮熱網傳輸延時及儲熱的電-熱綜合能源系統日前優化調度策略

黃亞峰，李丹，嚴干貴，朱玉杰，吳光琴，何威

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012； 2.國網山東省電力有限公司萊蕪供電公司，濟南 271100)

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展和化石能源的持續消耗，經濟發展與保護環境之間的矛盾日益尖銳，大力發展綠色清潔的可再生能源是緩解上述矛盾的重要手段之一。風電作為一種商業化程度高的清潔能源，是實現綠色發展的現實選擇[1]。在這一背景下，風電在總裝機容量上呈現穩中有進的良好態勢[2]。截止2017年，全球風力發電總裝機容量達545 GW，較2016年漲幅為11.6%。根據中國風能協會數據，2018年全國新增風電裝機容量1 700萬千瓦，同比增加400萬千瓦。2019年1月～6月，全國新增風電裝機容量為900萬千瓦，風電裝機容量處于穩步升高的階段[3]。但是，風力發電具有隨機和反調峰等特性，由此造成了風電消納難等一系列問題，嚴重影響了風電的大規模并網[4]。特別是在我國的東北、華北和西北地區，供暖期間由于熱電聯產機組出力需要跟蹤熱負荷(即工作在以熱定電狀態)，導致機組調峰能力受限，顯著限制了系統消納風電的能力[5]。

目前熱電聯產機組(Combined Heat and Power, CHP)、儲熱裝置、電鍋爐以及熱泵(Heat Pump, HP)等耦合元件加深了電力系統與供熱系統之間的耦合，電-熱綜合能源系統引起了各方的廣泛關注[6]。電-熱綜合能源系統是綜合能源系統(Integrated Energy System，IES)的一種典型形式，它可通過系統內熱能和電能之間的協調管理與日前優化調度，在降低系統運營成本的同時，實現可再生能源的充分消納[7]。

面向電-熱IES的日前優化調度，國內外學者已經做了一定的研究。針對電-熱IES的混合潮流計算，文獻[8]提出統一求解和分立求解兩種方法，為日前優化調度奠定基礎。以經濟性為目標，文獻[9]考慮供熱系統的安全約束，提出了電-熱IES機組組合模型。為了促進風電消納，文獻[10]通過在CHP處設置儲熱，通過優化儲熱設備的調度，可以有效提高CHP機組的調峰能力，促進了風電的消納。進一步，文獻[11]考慮需求側響應的積極作用，提出了計及需求側響應的熱電聯供系統優化調度方法。該方法可以提高電-熱IES的靈活性，同時降低系統的運行費用。以碳交易為切入點，文獻[12]以碳交易成本最小為優化目標，同時考慮柔性負荷和電鍋爐的影響，提出了面向碳交易的電-熱IES日前調度策略。

但上述文獻均未綜合考慮熱網傳輸延時和儲熱對于電-熱IES優化調度的作用。一方面，熱網傳輸延時特性使得供熱管網天然地成為一種儲熱設施[13]，熱源出力與用戶熱負荷之間不必再滿足實時平衡[14]。當風電激增時，CHP機組可以減小出力以促進風電消納，此時用戶熱負荷由管道內的儲熱滿足，在不影響用戶正常用能的前提下同時達到消納風電和經濟運行。另一方面，加裝以儲熱罐為代表的儲熱裝置，也可提高風電的消納率。在用電低谷期間，儲熱裝置變相增加了電負荷，為風電上網提供了空間。在熱負荷高峰期間，儲熱裝置可以作為熱源，替代部分CHP機組的熱出力，進一步提高了CHP機組(工作在以熱定電模式)的調峰能力。

對此，綜合考慮熱網傳輸延時和儲熱的協調作用，可在電-熱IES日前調度中，將熱網作為調度資源加以利用，發揮電-熱IES的互補性。進而，文中在分時電價的環境下，以系統經濟成本最小為優化目標，提出一種考慮熱網傳輸延時及儲熱的電-熱IES日前調度策略，分析了4種場景下設備的出力情況，實現儲熱的充放能管理。結果表明，該方法可利用熱網延時和儲熱進一步降低系統的運行成本，提高風電的消納率。

1 電-熱綜合能源系統

典型的電-熱IES如圖1所示。按“源-網-荷”的結構劃分，電-熱IES包含以下幾部分。“源”分為電源和熱源，其中外網(大電網)、風電機組和CHP為電源；CHP、HP、儲熱裝置和換熱首站為熱源；“網”既包括配電線路，又含有供熱管道；“荷”分為電負荷和熱負荷。

圖1 電-熱IES

CHP機組產生的熱能通過換熱首站和熱網輸送到熱負荷(即換熱站)；儲熱裝置為儲熱罐，裝設在換熱首站旁；HP通過消耗電能向儲熱和換熱首站提供熱能；配電網與供熱網具有相似的結構，由風電機組與外電網通過配電網將電能輸送至電負荷。供熱網由供水管網和回水管網組成，熱水在換熱首站處吸收熱能后，經熱網系統傳輸至熱負荷處進行供熱，供熱后降溫的水再經回水管道送回，待再次加熱后繼續進行供熱。

電能的生產與使用基本同時完成，有別于此，熱能在供熱系統的傳輸延時在秒級到分鐘級。因此，對熱能傳輸動態過程的建模是反映熱網熱延時的關鍵，同時也是熱網參與電-熱IES優化運行的基礎。

1.1 熱網熱能傳輸動態模型

熱水在熱網管道傳輸過程中，從入口到出口水溫緩慢變化，熱網傳輸延時與熱水流經熱網管道的時間基本相同。文中采用了節點法描述熱能傳輸的動態過程，其原理為：考慮到從一個節點到另一個節點的流動時間，并基于此時間(熱網傳輸延時)以及管道的熱損失，計算管道出口處的溫度。

文中一個調度時期由M個不間斷且相同的調度時段Δτ組成，在任何一個調度時段Δτ內，認為電-熱綜合能源系統處于穩態，從入口流入管道的部分中各物理量保持不變。圖2為一段供熱管道的截面圖。圖2中時刻記為τ，入口第一塊于τ-Δτ時刻進入管道，從管道入口流到出口的時段記為τj，介于τ1、τ2之間，此時刻流出管道的Δτ時段溫度由(τ-τ1)周期的一部分和(τ-τ2)周期的一部分構成，如圖2陰影處。

圖2 熱延時示意圖

假設從周期(τ-τ2)到τ流過管道的總熱水質量為Y，從周期(τ-τj)到τ流過管道的總熱水質量為X；從周期(τ-τ1)到τ流過管道的總熱水質量為W，如式(1)～式(3)所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中Vτ表示管道j的出口熱水質量流率。

令L1和L2為兩個權重系數，式(4)可以簡化為式(5)：

(5)

其中，L1和L2可以表達為式(6)：

(6)

熱網中熱水輸送會與外界環境換熱導致熱損耗，τj時刻管道流出的熱水溫度會降低，傳輸損耗(溫度降低)表示為式(7)：

(7)

n=qj/(Vτcw)

(8)

式中qj為管網熱損失系數；cw為水的比熱容；lj為管道長度；Tr為管網周圍環境溫度。

將式(7)代入式(5)可得：

(9)

式(9)對熱網的供回水管道都可用。此外，分析式(4)～式(9)可知，系數L1、L2和L3分別受如下因素的影響：(1)調度時間間隔；(2)管道長度；(3)管道中熱水的質量流率；(4)管道的熱損系數。對于采用質調節的熱網，這四個因素都是時不變的。因此在給定的管道流量下，系數L1、L2和L3均為常數。

1.2 儲熱模型

儲熱裝置建在供熱系統的換熱首站(熱源)旁，連接在供熱網與各能源設備之間，具體模型如下[15]：

(1)儲放熱功率約束

(10)

(2)狀態約束

(11)

類比電池的荷電狀態，還要求儲熱的儲熱狀態滿足：

(12)

式中Sh,max為儲熱裝置最大的儲熱量。

1.3 熱網節點與熱負荷模型

(1)節點熱能守恒方程。根據熱力學第一定律，流入某一節點的熱能與該節點流出的熱能相同，如式(13)所示：

(13)

(2)節點不間斷性方程

熱網熱水流動應滿足節點不間斷性方程，即每個時段τ內流過節點n的流量總和為零，如式(14)所示：

(14)

(3)熱負荷等效計算模型

仿照電力系統分析中計算負荷的定義，將用戶熱負荷、二次熱網傳輸熱延時與熱損耗以及負荷側建筑熱延時等因素綜合考慮，成為換熱站的計算負荷，在文中替換用戶熱負荷、二次熱網傳輸熱延時與熱損耗以及負荷側建筑熱延時。模型如式(15)所示：

(15)

(4)管道溫度約束

為保證運行安全，管道中熱水溫度不可超過工程標準：

Tj≤Tmax

(16)

式中Tmax為管道可承受的最高熱水溫度。

2 考慮熱網傳輸延時及儲熱的電-熱綜合能源系統優化調度模型

2.1 目標函數

文中構建的優化調度模型是在電、熱負荷及運行約束條件皆滿足的情況下，通過最優分配CHP、HP以及儲熱裝置出力，使系統總運行成本最低。為提高風電消納率，在系統運行總成本中加入棄風懲罰，目標函數如式(17)：

minC=Cgas+Cpower+Cwind

(17)

式中C為系統總運行成本；Cgas為購氣費用；Cpower為購電費用；Cwind為棄風成本。

其中，式(17)可以具體展開為式(18)～式(20)。

(18)

(19)

(20)

(21)

2.2 約束條件

文中優化調度模型約束條件為：

(1)電功率等式約束

(22)

(2)電-熱IES熱出力約束

(23)

(24)

(3)CHP模型約束

文中CHP為熱電比ε恒定的背壓式機組，其模型如式(25)、式(26)所示：

(25)

(26)

其中，ηgas為氣—熱轉換率;

(4)HP模型約束

(27)

式中COP為能效系數;

(5)CHP、HP以及儲熱裝置出力極限及爬坡約束：

(28)

(29)

(30)

(31)

(6)供、回水熱網輸送特性約束為式(9)；

(7)儲熱裝置約束為式(10)～式(12)；

(8)熱網節點約束為式(13)、式(14)；

(9)熱負荷等式約束為式(15)；

(10)管道溫度約束為式(16)。

上述約束均為線性約束，因此文中運用Yalmip調用CPLEX針對優化問題進行求解[16]。

3 算例分析

3.1 算例系統

文中以圖3所示的吉林省某電-熱IES為例進行分析，熱網的管道參數和質量流率等算例數據見文獻[17]，模型中其它參數如表1所示。系統各時段熱、電負荷及風電預測出力如圖4所示。文中選取管網周圍環境溫度0 ℃[18]，調度周期24 h，單位調度時間為30 min。

表1 電-熱綜合能源系統算例其它參數

圖3 某典型電-熱IES

圖4 電熱負荷以及風電出力

為了分析熱網傳輸延時以及儲熱對系統日前優化調度的影響，文中構造了4種場景進行對比，具體場景如下：

場景I：不考慮熱網傳輸延時以及儲熱的日前調度方案；

場景II：不考慮熱網傳輸延時，考慮儲熱的日前調度方案；

場景III：考慮熱網傳輸延時，不考慮儲熱的日前調度方案；

場景IV：同時考慮熱網傳輸延時和儲熱的日前調度方案。

3.2 系統運行經濟性和風電消納率

4種場景下的用能費用對比結果如表2所示。

表2 4種場景下用能費用

4種場景下的風電消納率如圖5所示。

圖5 風電消納率的對比

在0:00-6:00時段內，場景I系統風電消納率普遍低于0.7，棄風情況嚴重，場景II棄風情況略微減緩，場景III與場景IV除個別風電高發時段外，其余時段風電消納率均在80%以上，基本實現風電全額消納。特別地，考慮熱網傳輸延時后，在0:00-1:00，場景III與場景IV風電消納率比場景I提升了約53.92%。說明考慮熱延時對比儲熱對風電消納效果更明顯。在6:00-8:00和22:00-24:00時段內，場景II，場景III與場景IV棄風情況也同樣低于場景I。

3.3 不同場景優化調度結果及其分析

4種場景下各設備熱功率如圖6所示。

圖6 熱功率平衡

其中圖6(a)場景I的總熱出力明顯更為平穩，對比圖4的熱負荷預測值基本兩者趨勢相同。而圖6(b)中的場景II在20:00-次日6:00時段內，CHP熱出力小于場景I；在6:30-9:30、11:00-13:00以及16:00-20:00時段內，CHP熱出力大于場景I，具體如圖7為儲熱狀態，儲熱罐提前四個調度時段進行儲熱，并在下個調度時段進行放熱，說明儲熱使熱負荷高峰前移，緩解了熱負荷與風電雙峰帶來的高耗能效應，從而降低了外網購電費用以及棄風成本。

圖6(c)中的場景III在20:00-次日7:30，CHP熱出力小于場景I；在11:00-20:00，CHP熱出力大于場景I，表明場景III不再跟蹤熱負荷變化的規律。場景I中CHP和HP熱出力和熱負荷的熱需求變化趨勢相同，供需時刻滿足平衡；而場景III中CHP和HP的熱出力和熱負荷的熱需求則出現了不同步的現象。圖6(c)中的場景III在10:00-18:00，CHP和HP的熱出力明顯大于供熱需求，余的熱能儲存在熱網中，此后，在19:30-21:30，CHP和HP的熱出力小于供熱需求，前期儲存在熱網中的熱能彌補了該時段部分供熱需求的缺額。

對比圖4風電預測量和電負荷的趨勢，表明場景III考慮熱延時使CHP熱出力在系統風電預測量高發時期、電負荷低谷時期減小出力；在系統風電預測量低谷時期、電負荷高發時期提升出力。熱負荷得以在更長的時間尺度和更大的容量下進行轉移，由此得到更大的風電消納裕度。圖6(d)中的場景IV在同時考慮儲熱與熱延時的情況下，結合以上兩種優勢，實現了轉移熱負荷且效果更優并為風電調節提供了更大的靈活性，然而場景IV儲熱頻率低于只考慮儲熱的場景II如圖7所示，說明在同時考慮儲熱與熱延時的情況下，熱延時相較于儲熱發揮作用更大。場景II、場景III、場景IV在相應的延遲時間之后，熱出力與熱需求仍然是平衡。

圖7 儲熱的狀態

4種場景下系統一天中各設備電功率如圖8所示。

圖8 電功率平衡

在2:30-4:30時段內，場景II風力發電消納量高于場景I；在0:00-6:00時段內，場景III與場景IV風力發電消納量明顯高于場景I，而4種場景下的系統總電功率是相等的。場景I在這一時段內棄風現象最為明顯，因為受到HP最大出力的制約。由于場景II、場景III、場景IV達到了轉移熱負荷的目的，因此該時段內CHP電功率大幅下降，系統用電量大部分由風電提供，達到了消納風電的目的。

因此，考慮儲熱罐儲熱和熱網熱延時一方面有效提高了系統風電消納率，另一方面儲熱不僅能夠降低外網購電費用又能降低棄風成本，同時熱網熱延時較于儲熱又能更大幅度的降低棄風成本。兩者共同作用，可基本實現風電的全額消納，最終使系統一天內的用能總成本降低。

4 結束語

文章建立了描述熱網的傳輸延時和儲熱的供熱系統模型；提出了融合熱網延時和儲熱的日前調度優化模型；通過CPLEX進行尋優計算。仿真結果表明：

(1)文中分析熱網的傳輸延時特性，通過不同時刻溫度的線性組合，近似地對熱網動態過程進行描述，以反映熱能的延時傳輸特性；

(2)綜合考慮熱網傳輸延時及儲熱的協調調度，將熱網系統作為可調度資源，可以實現系統熱負荷的轉移，在降低系統經濟成本的同時，實現新能源的大比例消納。

文中關注點在于熱網網絡側的熱慣性，實際上，建筑等熱負荷也具有較大的熱慣性。因此下一階段可以詳細考慮熱負荷和熱網的熱慣性，圍繞熱網“網-荷”熱慣性對電-熱IES日前優化調度的影響，做進一步的研究；針對電熱負荷預測所涉及到的不確定性因素的處理做進一步的討論。