陳曉光, 榮 爽，關(guān)萬琳，郝文波，徐明宇

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

中國北方富風(fēng)區(qū)與供暖區(qū)高度重疊，由于電熱負(fù)荷矛盾，電力系統(tǒng)調(diào)峰能力在供暖季谷荷時(shí)段尤顯緊張[1-2]。然而，隨著風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)，其反調(diào)峰特性會(huì)增加電網(wǎng)對電源參與調(diào)峰能力的需求。此外，“以熱定電”的CHP(combined heat and power)機(jī)組規(guī)劃與運(yùn)行政策限制了其調(diào)節(jié)能力，激化了供暖期風(fēng)電場限電率居高不下的問題[3-4]。以黑龍江省為例，2016-2017年全省風(fēng)電棄電率一直保持在15%以上，各年供暖期內(nèi)的棄風(fēng)電量均占到當(dāng)年總棄電量的90%以上。

針對風(fēng)電的間歇性、波動(dòng)性和反調(diào)峰特性問題，當(dāng)前主流應(yīng)對方法是增設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)(Energy Storage System，ESS)，通過能量的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)來實(shí)現(xiàn)對間歇性、波動(dòng)性能源的平抑[5-7]。導(dǎo)致供暖季棄電率高的主要原因之一是電熱負(fù)荷之間的峰谷矛盾。高比例的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在提高能源使用效率的同時(shí)也降低了電熱源種類的豐富性，CHP機(jī)組的電熱耦合關(guān)系也加劇了熱電負(fù)荷的強(qiáng)連接性。因此，可以考慮為供暖系統(tǒng)提供附加熱源，如電鍋爐、儲(chǔ)熱罐等，豐富熱源種類，降低CHP機(jī)組熱需求，柔化電熱負(fù)荷耦合關(guān)系，提高供暖期風(fēng)電消納的能力[8-9]。

針對風(fēng)電非線性、高離散等特點(diǎn)，諸多包含風(fēng)電的儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化算法已被提出，如啟發(fā)式算法[10-11]、拉格朗日松弛法[12-13]、現(xiàn)代智能優(yōu)化算法[14-16]和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[17-18]等。現(xiàn)有研究多針對單一能量存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行分析，而含有多種能量存儲(chǔ)特點(diǎn)的復(fù)合型能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可對間歇性能源進(jìn)行更好的消納。

研究供暖期電力谷荷時(shí)段附加熱源的多源協(xié)調(diào)配合問題，明確各類電源、熱源及儲(chǔ)能設(shè)備的工作方式并分析其運(yùn)行成本，以保證一定棄風(fēng)消納效果為前提，以綜合附加熱源系統(tǒng)運(yùn)行總費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，制定供暖期電力谷荷時(shí)段多熱源協(xié)調(diào)調(diào)度策略，為科學(xué)降低黑龍江省供暖期棄風(fēng)高發(fā)問題提供可行的解決方案和理論支持。

1 電源、熱源、儲(chǔ)能設(shè)備控制方式

1.1 CHP機(jī)組控制方式

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組同時(shí)擔(dān)當(dāng)電網(wǎng)的電源和熱網(wǎng)的熱源，按照“以熱定電”政策要求，對CHP機(jī)組輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)需以保證供熱穩(wěn)定為前提。因此，在電力谷荷時(shí)段，降低CHP機(jī)組的電輸出功率需要附加熱源和熱網(wǎng)的配合。CHP機(jī)組控制方式如圖1所示。

圖1 CHP機(jī)組控制方式Fig.1 Control mode of CHP unit

1.2 儲(chǔ)熱罐控制方式

儲(chǔ)熱罐在每個(gè)調(diào)度周期前，需要根據(jù)電熱負(fù)荷的預(yù)測信息設(shè)置本調(diào)度周期內(nèi)各調(diào)度時(shí)段的儲(chǔ)放策略。儲(chǔ)熱罐調(diào)度方式如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)熱罐調(diào)控模式Fig.2 Control mode of heat storage tank

一般來說，儲(chǔ)熱成本要低于電供暖成本，因此，當(dāng)出現(xiàn)棄風(fēng)時(shí)，應(yīng)先利用儲(chǔ)熱罐內(nèi)的熱能促進(jìn)風(fēng)電消納。當(dāng)網(wǎng)上棄風(fēng)需要進(jìn)一步利用電鍋爐來進(jìn)行消納時(shí)，可根據(jù)儲(chǔ)熱罐剩余熱量狀態(tài)，確定儲(chǔ)熱罐吸收熱能功率。

1.3 電鍋爐控制方式

電鍋爐具有調(diào)節(jié)速度快且可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。因此，電鍋爐有較強(qiáng)的凈負(fù)荷跟蹤能力。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)棄風(fēng)時(shí)，根據(jù)棄風(fēng)功率來調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)所有電鍋爐工作總負(fù)荷功率。電鍋爐的工作負(fù)荷應(yīng)依據(jù)對應(yīng)的儲(chǔ)熱罐能荷狀態(tài)及CHP機(jī)組此時(shí)的運(yùn)行成本來確定，并根據(jù)儲(chǔ)熱罐能荷狀態(tài)和棄風(fēng)消納情況來確定其所產(chǎn)生熱能的輸出去向。電鍋爐控制方式如圖3所示。

圖3 電鍋爐調(diào)控模式Fig.3 Control mode of electric boiler

2 多熱源協(xié)調(diào)調(diào)度模型

2.1 多源協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化目標(biāo)及運(yùn)行約束

2.1.1優(yōu)化目標(biāo)

在保證風(fēng)電消納量的前提下，以電熱混合系統(tǒng)運(yùn)行成本最低作為協(xié)調(diào)調(diào)度的優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)已制定的日前發(fā)電、供熱計(jì)劃，參考電網(wǎng)及熱網(wǎng)預(yù)測信息對日內(nèi)滾動(dòng)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。

運(yùn)行成本主要由CHP機(jī)組、電鍋爐、儲(chǔ)熱罐的運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成。其他電源不參與供暖調(diào)節(jié)，故其運(yùn)行費(fèi)用不予考慮。協(xié)調(diào)調(diào)度運(yùn)行成本優(yōu)化目標(biāo)可由式(1)表示。

minCdis=CCHP+CEB+CHS

(1)

式中：Cdis為系統(tǒng)運(yùn)行成本，萬元；CCHP為CHP機(jī)組運(yùn)行成本，萬元；CEB為電鍋爐運(yùn)行成本，萬元；CHS為儲(chǔ)熱罐運(yùn)行成本，萬元。

CHP機(jī)組運(yùn)行成本可由式(2)表示。

(2)

(3)

式中：ai為發(fā)電經(jīng)濟(jì)系數(shù)；bi為供熱經(jīng)濟(jì)系數(shù)；ci為運(yùn)行經(jīng)濟(jì)系數(shù)；cm,i為機(jī)組電/熱出力比率。

電鍋爐運(yùn)行成本主要由購電費(fèi)用構(gòu)成，可由式(4)表示。

(4)

2.1.2運(yùn)行約束

電熱混合系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不僅需要考慮電網(wǎng)和熱網(wǎng)的能量平衡約束，還要考慮CHP機(jī)組的爬坡速率約束、CHP機(jī)組的熱電耦合約束以及電鍋爐和儲(chǔ)熱罐運(yùn)行時(shí)所需考慮的約束條件。

1) 能量平衡約束

電力平衡約束

(5)

熱力平衡約束

(6)

2)CHP機(jī)組運(yùn)行約束

電出力約束

(7)

熱出力約束

(8)

CHP機(jī)組熱電耦合約束

在電力谷荷時(shí)段，為了壓縮上網(wǎng)電量，CHP機(jī)組一般以背壓工況運(yùn)行，其電、熱出力呈線性關(guān)系。

Hn,t≤Cm,n·Pn,t+Kn

(9)

式中：Cm,n為機(jī)組n在背壓工況下熱電比；Kn為常數(shù)。

CHP機(jī)組爬坡速率約束

(10)

3) 電鍋爐及儲(chǔ)熱罐運(yùn)行約束

電鍋爐及儲(chǔ)熱罐熱出力約束

(11)

電鍋爐及儲(chǔ)熱罐電出力約束

(12)

儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)能約束

(13)

2.2 兩級式優(yōu)化調(diào)度模型

將多源協(xié)調(diào)調(diào)度分為系統(tǒng)級和機(jī)組級兩個(gè)層級分別進(jìn)行優(yōu)化。在第一層級，以風(fēng)電消納量最高為優(yōu)化目標(biāo)，確定每種熱源應(yīng)承擔(dān)的熱負(fù)荷量；第二層為機(jī)組及設(shè)備間優(yōu)化，分為兩個(gè)階段，第一階段根據(jù)各CHP機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化各CHP機(jī)組出力，第二階段依據(jù)各類附加熱源的工作特點(diǎn)，協(xié)調(diào)調(diào)度各類附加熱源用電及熱輸出功率，補(bǔ)充因熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱出力下降而產(chǎn)生的熱能缺額。兩級式協(xié)調(diào)調(diào)度模型如圖4所示。

圖4 兩級式多熱源協(xié)調(diào)調(diào)度優(yōu)化模型Fig.4 Two-level optimal model of multi-heating sources coordinative dispatching

2.2.1 第一層級優(yōu)化

第一層級優(yōu)化調(diào)度在系統(tǒng)級進(jìn)行，以消納最多棄風(fēng)電量為優(yōu)化目標(biāo)，以求得的棄風(fēng)功率和各類熱源、附加熱源應(yīng)參與的調(diào)度份額為輸出結(jié)果。

棄風(fēng)消納由兩部分構(gòu)成：通過CHP機(jī)組電出力降低提供的風(fēng)電上網(wǎng)空間和電鍋爐及儲(chǔ)熱罐的用電負(fù)荷。

(14)

對CHP機(jī)組的熱力補(bǔ)充主要包含兩部分：儲(chǔ)熱罐的熱出力及電鍋爐轉(zhuǎn)化的熱能。

(15)

式中：ΔHCHP,j,t為CHP機(jī)組j在t時(shí)刻減少的熱出力，MW；HHS,j,t和HEB,j,t分別為電鍋爐和儲(chǔ)熱罐j的熱出力，MW。

2.2.2 第二層級優(yōu)化

1)CHP機(jī)組出力分配階段

利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法以CHP機(jī)組總運(yùn)行費(fèi)用最低為目標(biāo)，對各CHP機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是屬于運(yùn)籌學(xué)的一種優(yōu)化方法，以求解決策過程最優(yōu)化為優(yōu)化目標(biāo)。它將全局問題分解為若干個(gè)子問題，以此求解各子問題，各個(gè)子問題之間并不獨(dú)立，相互之間存在影響。在求解每個(gè)子問題的過程中，窮舉所有可行解，依據(jù)決策判據(jù)在所有可行解中得到最優(yōu)局部解。以此類推，對全部子問題進(jìn)行尋優(yōu)，再從累積的局部解集合中尋求解決全局問題的最優(yōu)解。將各CHP機(jī)組應(yīng)承擔(dān)電出力下降份額作為全局問題，以所有CHP機(jī)組總調(diào)節(jié)費(fèi)用最低作為全局優(yōu)化目標(biāo)。將總下降功率切分為若干個(gè)功率下降區(qū)間，將各個(gè)功率下降區(qū)間作為子問題，在求解子問題過程中，計(jì)算各臺(tái)CHP機(jī)組承擔(dān)該功率調(diào)整區(qū)間所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)費(fèi)用，將其列為子問題的可行解；將子問題的決策條件設(shè)定為調(diào)節(jié)費(fèi)用最低；令該子問題的最優(yōu)解為子解，由該子解對應(yīng)的CHP機(jī)組承擔(dān)該功率下降區(qū)間，其他機(jī)組出力不變；最后，求得所有CHP機(jī)組在所有子功率區(qū)間的累計(jì)值作為CHP機(jī)組出力分配優(yōu)化結(jié)果。

2)儲(chǔ)熱罐、電鍋爐協(xié)調(diào)調(diào)度階段

根據(jù)CHP機(jī)組出力優(yōu)化結(jié)果，確定每臺(tái)CHP機(jī)組對應(yīng)的電鍋爐和儲(chǔ)熱罐應(yīng)補(bǔ)充的熱出力。

電鍋爐所消耗的電能主要來自電網(wǎng)，雖可享受峰谷電價(jià)及清潔供暖價(jià)格補(bǔ)貼，但其熱能成本一般仍高于儲(chǔ)熱罐。因此，對CHP機(jī)組的熱補(bǔ)充應(yīng)先充分利用成本較低的儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱。

電鍋爐可以通過降低CHP機(jī)組電出力和提供電網(wǎng)負(fù)荷兩種途徑促進(jìn)風(fēng)電消納，故其有更高的風(fēng)電消納能力。電鍋爐的用電功率調(diào)節(jié)速度快且可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)控，因此，除了協(xié)同消納儲(chǔ)熱罐無法單獨(dú)消納的棄風(fēng)外，還可利用其快速調(diào)節(jié)能力來消納因CHP機(jī)組爬坡速率約束所不能消納的棄風(fēng)。

3 算例分析

3.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)計(jì)

算例模型以文獻(xiàn)[19]中的仿真算例為基礎(chǔ)，并加以適當(dāng)修改。算例系統(tǒng)內(nèi)各供暖區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組編號、經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組編號及其經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 1 Number and economic parameters of CHP unit

附加熱源配置如表2所示。為保護(hù)儲(chǔ)熱罐裝置的健康使用，當(dāng)儲(chǔ)熱罐剩余熱量不足30%時(shí)，停止向外送熱，當(dāng)超過90%時(shí)停止向內(nèi)儲(chǔ)熱。

表2 各附加熱源配置Table 2 Configuration of each auxiliary heating source

取哈爾濱第三熱電廠2018-2019年供暖季某連續(xù)3日熱負(fù)荷數(shù)據(jù)作為算例的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)來源，如圖5所示。

圖5 日熱負(fù)荷變化曲線Fig.5 Variation curves of daily heating load

3.2 計(jì)算仿真與結(jié)果分析

算例仿真計(jì)算應(yīng)用兩級式協(xié)調(diào)調(diào)度模型，對算例系統(tǒng)內(nèi)CHP機(jī)組和附加熱源的調(diào)度運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，依據(jù)優(yōu)化結(jié)果制定出混合算例系統(tǒng)的滾動(dòng)發(fā)電、供熱計(jì)劃。圖6所示為在谷荷時(shí)段系統(tǒng)級風(fēng)電消納能力的優(yōu)化結(jié)果。隨著附加熱源的投入，大部分棄風(fēng)電量可被消納，在相同配置條件下，電鍋爐的棄風(fēng)消納能力要強(qiáng)于儲(chǔ)熱罐，這源于電鍋爐可通過電、熱兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對棄風(fēng)的消納。在電力谷荷時(shí)段前期，儲(chǔ)熱罐和電鍋爐都能積極參與棄風(fēng)消納，而在03:45之后，儲(chǔ)熱罐內(nèi)存儲(chǔ)熱量多已釋放，谷荷時(shí)段后期的棄風(fēng)消納則主要由系統(tǒng)內(nèi)的電鍋爐承擔(dān)。

圖6 谷荷時(shí)段系統(tǒng)級風(fēng)電消納Fig.6 Wind power consumption at system level in valley load period

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，即便有了附加熱源的參與，仍有部分風(fēng)電不能完全消納，其主要原因有如下幾點(diǎn)：

1)系統(tǒng)內(nèi)的電功率超過系統(tǒng)可消納的范圍；

2)儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)熱量耗盡，不能向系統(tǒng)提供熱能，附加熱源整體棄風(fēng)消納能力降低。

圖7所示為利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法優(yōu)化后CHP機(jī)組在電力谷荷時(shí)段的運(yùn)行情況。

圖7 谷荷時(shí)段各CHP機(jī)組熱出力Fig.7 Output of heating power of each CHP unit

由圖7可知，3號熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)節(jié)費(fèi)用最低。因此，首先對3號機(jī)組的熱出力進(jìn)行調(diào)節(jié)，而后調(diào)節(jié)1號、2號，最后調(diào)節(jié)4、5、6號機(jī)組。當(dāng)調(diào)節(jié)單臺(tái)機(jī)組不能滿足要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)節(jié)成本低的機(jī)組。

圖8為電力谷荷時(shí)段各儲(chǔ)熱罐的調(diào)度情況。

圖8 谷荷時(shí)段各儲(chǔ)熱罐調(diào)度情況Fig.8 Dispatching of each heat storage tank in valley load period

由于儲(chǔ)熱罐放熱功率直接影響CHP機(jī)組熱出力，因此對儲(chǔ)熱罐放熱的選擇由CHP機(jī)組調(diào)度成本決定。已知3號CHP機(jī)組調(diào)度費(fèi)用最低，因此3號CHP機(jī)組對應(yīng)的儲(chǔ)熱罐熱備最先投入工作，而后依次為1、2號機(jī)組。4號機(jī)組的調(diào)度費(fèi)用最高，因此只在棄風(fēng)最嚴(yán)重的情況下對其進(jìn)行調(diào)度，如圖8(a)。圖8(b)為各儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)能變化情況。在電力谷荷時(shí)段，儲(chǔ)熱罐的能量剩余與其熱出力相關(guān)，熱出力越大，儲(chǔ)熱罐儲(chǔ)量下降速度越快。

圖9所示為供暖期電力谷荷時(shí)段附加熱源各電鍋爐用電情況。在01：00前，電網(wǎng)棄風(fēng)功率較低，主要消納棄風(fēng)的任務(wù)由附加熱源中的儲(chǔ)熱罐承擔(dān)，電鍋爐主要承擔(dān)對凈負(fù)荷預(yù)測誤差導(dǎo)致的棄風(fēng)消納。而后，隨著網(wǎng)上棄風(fēng)功率的提高，電鍋爐的工作狀態(tài)由主要消納凈負(fù)荷預(yù)測誤差棄風(fēng)轉(zhuǎn)為消納因風(fēng)電-電力負(fù)荷峰谷矛盾導(dǎo)致的棄風(fēng)，各電鍋爐均以較高的用電水平工作。03：45后，因儲(chǔ)熱罐的剩余熱量水平接近設(shè)計(jì)下限，此時(shí)段對棄風(fēng)的消納主要由電鍋爐完成。因電鍋爐轉(zhuǎn)化的熱能可以存儲(chǔ)至儲(chǔ)熱罐，因此，在對電鍋爐選擇時(shí)，優(yōu)先選擇余熱量狀態(tài)較低的儲(chǔ)熱罐所對應(yīng)的電鍋爐。

圖9 電鍋爐電功率Fig.9 Electric power of electric boilers

4 結(jié) 語

提出了在高風(fēng)電滲透率背景下供暖期電力谷荷時(shí)段復(fù)合能源系統(tǒng)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與作為附加熱源的儲(chǔ)熱罐和電鍋爐之間的協(xié)調(diào)調(diào)度策略，該策略以保證棄風(fēng)消納效果為前提，以調(diào)度成本最低為目標(biāo)，利用兩級調(diào)度優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了對多種電熱源的調(diào)度優(yōu)化。通過算例分析，證明了該方法可在有效降低棄風(fēng)電量的同時(shí)，合理經(jīng)濟(jì)地調(diào)配包括熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、電鍋爐和儲(chǔ)熱罐在內(nèi)的多種電熱源。