電鍋爐-儲(chǔ)能聯(lián)合消納棄風(fēng)的方法研究

楊效嘉，楊俊友

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

在當(dāng)前全球能源安全問題突出、環(huán)境污染問題嚴(yán)峻的大背景下，大力發(fā)展風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電、水電等可再生能源勢(shì)在必行[1]。隨著科技的發(fā)展，繼水能之后，風(fēng)能成為世界范圍內(nèi)公認(rèn)的最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗幌袼芾眯枰烊坏牡乩韮?yōu)勢(shì)與資源條件，因此，風(fēng)電深受世界各國(guó)的青睞，世界各國(guó)都投入大量資金增加對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)。然而，隨著風(fēng)電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，因風(fēng)電場(chǎng)的隨機(jī)波動(dòng)特性不利于電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致大量風(fēng)電不能并網(wǎng)，棄風(fēng)電量越來(lái)越多。尤其是在我國(guó)的 “三北”地區(qū)，風(fēng)電裝機(jī)容量大，同時(shí)熱電聯(lián)產(chǎn)的熱電耦合效應(yīng)使得“三北”地區(qū)棄風(fēng)頻繁發(fā)生。如何消納風(fēng)電己經(jīng)成為制約我國(guó)風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的關(guān)鍵問題之一[2]。

為有效解決風(fēng)電消納問題，國(guó)內(nèi)外許多專家和研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了大量研究。目前，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納的方法主要分為兩大類：一是利用可控柔性負(fù)荷，電網(wǎng)通過(guò)調(diào)控手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)電消納；二是利用儲(chǔ)能設(shè)備，通過(guò)儲(chǔ)能用能參與抑制風(fēng)電波動(dòng)，減少風(fēng)電上網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，從而增加風(fēng)電上網(wǎng)量，減少棄風(fēng)。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)可控負(fù)荷蓄熱式電鍋爐的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特性作了詳細(xì)分析，包括它的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特性和未來(lái)發(fā)展前景，通過(guò)分析可知，蓄熱式電鍋爐的性價(jià)比要高于燃煤鍋爐。文獻(xiàn)[5]中為解耦“以熱定電”約束，降低熱電機(jī)組熱負(fù)荷峰值，提高電網(wǎng)負(fù)荷谷值，提出在二級(jí)熱網(wǎng)中增設(shè)調(diào)峰電鍋爐的方法，該方法能有效減少棄風(fēng)。文獻(xiàn)[6]將可控負(fù)荷熱泵加到熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)度模型里，解耦了“以熱定電”約束，使風(fēng)電上網(wǎng)量增加，減少了電網(wǎng)棄風(fēng)。文獻(xiàn)[7-8]指出除抽水蓄能外，電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能均可以提高電網(wǎng)中可再生能源利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]將儲(chǔ)能技術(shù)和需求側(cè)管理結(jié)合起來(lái)，通過(guò)控制負(fù)荷分配，提高風(fēng)電利用量，減少了棄風(fēng)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[10]搭建了蓄熱、風(fēng)電供熱及抽水蓄能3種消納棄風(fēng)方案的經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型，并對(duì)3種方案下的節(jié)電效果和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析比較。通過(guò)上述分析可知，目前對(duì)于利用電鍋爐或蓄電池消納棄風(fēng)的方案都有了較為深入的研究，但無(wú)論是電鍋爐還是蓄電池都存在一些不足之處。利用風(fēng)電供暖消納棄風(fēng)，電鍋爐因電極棒受調(diào)節(jié)速度、深度和頻率制約，功率調(diào)節(jié)受到限制，難以快速與風(fēng)功率相匹配；而蓄電池則由于技術(shù)、設(shè)備和經(jīng)濟(jì)的原因，其大容量工程利用還存在一定的困難。

本文針對(duì)電鍋爐與儲(chǔ)能消納棄風(fēng)時(shí)存在的問題，將兩種方式相結(jié)合，對(duì)電鍋爐-儲(chǔ)能協(xié)同消納棄風(fēng)進(jìn)行研究。首先，介紹了電鍋爐-儲(chǔ)能協(xié)調(diào)消納棄風(fēng)的基本原理；其次，提出電鍋爐跟蹤風(fēng)電棄風(fēng)控制策略以及蓄電池常參數(shù)功率差協(xié)調(diào)控制策略；最后，利用DIgSILENT/PowerFactory仿真軟件，仿真比較了僅電鍋爐工作以及電鍋爐與儲(chǔ)能裝置協(xié)同作用的消納棄風(fēng)能力，仿真結(jié)果表明儲(chǔ)能協(xié)調(diào)電鍋爐消納棄風(fēng)的有效性。

1 電鍋爐-儲(chǔ)能消納棄風(fēng)基本原理

利用電鍋爐風(fēng)電場(chǎng)采暖雖可以消納一定棄風(fēng)，但限于電鍋爐調(diào)節(jié)特性的制約，不能與風(fēng)電功率很好匹配。儲(chǔ)能技術(shù)具有電能雙向流動(dòng)、能量時(shí)移等特點(diǎn)，將儲(chǔ)能技術(shù)與電鍋爐結(jié)合起來(lái)進(jìn)行棄風(fēng)消納，則能有效匹配風(fēng)電固有特性，風(fēng)電消納更為徹底。儲(chǔ)能協(xié)調(diào)電鍋爐消納風(fēng)電的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用電鍋爐和蓄電池與風(fēng)電出力配合，根據(jù)棄風(fēng)的實(shí)際情況對(duì)兩者進(jìn)行調(diào)節(jié)，一方面，將棄風(fēng)功率轉(zhuǎn)化成熱功率可以增加本地負(fù)荷，達(dá)到提高風(fēng)電消納能力的效果；另一方面，當(dāng)電鍋爐不足以完全消納所產(chǎn)生的棄風(fēng)時(shí)，此時(shí)可利用蓄電池的儲(chǔ)能特性，將多余的棄風(fēng)儲(chǔ)存起來(lái)，更進(jìn)一步提高了風(fēng)電的消納能力，棄風(fēng)功率得到更加充分利用，從而達(dá)到棄風(fēng)消納的目的。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 電鍋爐-儲(chǔ)能消納棄風(fēng)的控制策略

2.1 電鍋爐跟蹤棄風(fēng)控制策略

電鍋爐跟蹤棄風(fēng)優(yōu)化運(yùn)行控制基于電鍋爐系統(tǒng)自身的運(yùn)行約束，考慮時(shí)序棄風(fēng)功率對(duì)電鍋爐運(yùn)行的影響，可將電鍋爐看作是一種可控柔性負(fù)荷，將棄風(fēng)功率作為決策因素來(lái)控制電鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行功率。

若當(dāng)前t時(shí)刻棄風(fēng)功率高于電負(fù)荷需求，則電鍋爐進(jìn)行風(fēng)電直接供熱消納棄風(fēng)電量。不同時(shí)段棄風(fēng)功率有差異，導(dǎo)致電鍋爐的運(yùn)行功率有所差異，其運(yùn)行功率可在0到額定功率之間任取。當(dāng)棄風(fēng)功率Pqf≥電鍋爐額定運(yùn)行功率Peh時(shí)，電鍋爐以額定功率Peh運(yùn)行；當(dāng)棄風(fēng)功率0

2.2 蓄電池常參數(shù)功率差控制策略

常參數(shù)功率差控制策略根據(jù)日負(fù)荷預(yù)測(cè)曲線，計(jì)算得出儲(chǔ)能系統(tǒng)參與充電的上限功率與放電的下限功率。具體計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 蓄電池常參數(shù)功率差控制策略流程

圖2中，Pf、Pg分別為用電峰、谷時(shí)刻的負(fù)荷功率；Ec為總充電量；Ed為總放電量；ε為某一接近0的常數(shù)；E為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量；Δt為單位時(shí)間。經(jīng)以上步驟計(jì)算，可確定儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)負(fù)荷的下限功率P1與儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)負(fù)荷的上限功率P2。

3 算例仿真與結(jié)果分析

3.1 算例參數(shù)

利用DIgSILENT /PowerFactory仿真軟件，搭建1個(gè)包含風(fēng)電的電鍋爐-儲(chǔ)能消納棄風(fēng)的小型電力系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模為200 MW，系統(tǒng)配置電鍋爐容量為30 MW，電熱轉(zhuǎn)換效率取1。儲(chǔ)能系統(tǒng)為釩液流電池，額定功率為30 MW，額定容量為100 MWh。遼寧省某地區(qū)典型日負(fù)荷曲線和風(fēng)電預(yù)測(cè)出力曲線如圖4、圖5所示。同時(shí)，基于電價(jià)考慮，將蓄熱式電鍋爐運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為每日22：00至次日5:00。該地區(qū)電采暖分時(shí)電價(jià)如表1所示。

圖3 電鍋爐-儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)仿真圖

項(xiàng)別峰段平段谷段時(shí)段7:00—11:0019:00—23:0011:00—19:0022:00—5:00電價(jià)/元0.699 80.489 80.279 8

為了突出所構(gòu)建模型棄風(fēng)消納的能力，本文算例分2種工況進(jìn)行仿真。

工況1：電鍋爐與蓄電池均不工作，風(fēng)電完全由電負(fù)荷消納，在夜間電負(fù)荷減少，風(fēng)電增加，棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重。

工況2：電鍋爐與蓄電池協(xié)同工作，同時(shí)對(duì)電鍋爐和蓄電池進(jìn)行控制，極大提高了電網(wǎng)棄風(fēng)消納能力。

圖4 風(fēng)電預(yù)測(cè)功率曲線

圖5 電負(fù)荷需求

3.2 結(jié)果分析

采用電鍋爐融合儲(chǔ)能方式消納風(fēng)電，系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖6—圖8所示。

圖6 電鍋爐運(yùn)行功率曲線

圖7 蓄電池運(yùn)行功率曲線

圖8 配置電鍋爐-儲(chǔ)能前后風(fēng)電出力曲線

圖6—圖7中，在夜間22 ：00—24 ：00時(shí)段，棄風(fēng)功率低于電鍋爐的額定運(yùn)行功率，電鍋爐以20 MW的功率跟蹤棄風(fēng)電量運(yùn)行，此時(shí)通過(guò)電鍋爐采暖供熱能完全消納棄風(fēng)，蓄電池處于靜置狀態(tài)；在1：00—5：00時(shí)段，電負(fù)荷處于低谷時(shí)段，而風(fēng)電則明顯增多，此時(shí)棄風(fēng)功率高于電鍋爐的額定運(yùn)行功率，電鍋爐以最大功率30 MW運(yùn)行，利用風(fēng)電采暖供熱消納棄風(fēng)，同時(shí)，控制蓄電池進(jìn)行工作，配合電鍋爐消納棄風(fēng)，將電鍋爐利用不了的剩余棄風(fēng)以電能的形式儲(chǔ)存到蓄電池中，供白天用戶使用；在11：00—13 ：00 、16 ：00—19 ：00和20 ：00—22 ：00時(shí)段，用電負(fù)荷處于高峰期，蓄電池將夜間儲(chǔ)存的電能釋放供用戶使用，減少了其他供電機(jī)組的發(fā)電，節(jié)約了燃料，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

圖8中給出了采用本文提出的電鍋爐融合儲(chǔ)能的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法消納風(fēng)電的情況。未配置電鍋爐儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，24 h棄風(fēng)電量高達(dá)305 MWh；接入電鍋爐儲(chǔ)能系統(tǒng)后，棄風(fēng)電量為45 MWh，電鍋爐儲(chǔ)能系統(tǒng)共消納260 MWh的棄風(fēng)電量。

4 結(jié)論

本文針對(duì)“三北”地區(qū)冬季棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，提出將電鍋爐與儲(chǔ)能裝置相結(jié)合主動(dòng)消納棄風(fēng)的技術(shù)方案，通過(guò)算例結(jié)果比較了配置電鍋爐儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)前后消納棄風(fēng)的能力，得到以下結(jié)論。

a.在電網(wǎng)中配置電鍋爐儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)，能有效擴(kuò)大系統(tǒng)的棄風(fēng)消納空間。與不加電鍋爐儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)時(shí)相比，系統(tǒng)總的棄風(fēng)電量從305 MWh減至45 MWh。

b.電鍋爐融合儲(chǔ)能跟蹤棄風(fēng)功率運(yùn)行方式可最大程度地消納棄風(fēng)，同時(shí)，可以利用儲(chǔ)能解決電鍋爐與風(fēng)電不能很好匹配的問題，且能有效減少系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

綜上所述，本文所提出的方法可進(jìn)一步增加電網(wǎng)消納棄風(fēng)的能力。