耦合电锅炉和储热的热电联合系统风电消纳分析

(大连理工大学能源与动力学院，大连 116024)

0 引 言

我国北方地区供热期热电联产机组(CHP)“以热定电”的运行方式使得机组调峰能力受限，严重限制了电力系统的灵活性[1]，与可再生能源随机性、波动性强的特点相矛盾，无法满足新能源发电高比例并网的要求。因此需要深入研究热能和电能的协调方法，以实现热能和电能的协调调度。热能相比于电能，热能的易存储、难传输与电能的易传输、难存储存在着天然的互补特性[2]，然而电力系统和热力系统往往作为两个独立的系统分开运行，难以统一规划调度，严重阻碍了热能与电能的协调互补[3]。因此对热能和电能进行联合分析和优化，对于实现热能和电能的协调互补，提高能源利用效率和可再生能源的消纳能力具有十分重要的意义。

热电联合调度方案主要可分为以下三个方面：(1)对于抽汽式CHP机组，通过改变抽汽量的方式改变CHP机组的热电比，可在一定程度上提高CHP机组的灵活性[4]；(2)以系统的运行成本最小或可再生能源的消纳比例最高为目标，在设备容量和供需平衡的约束下，对包含可再生能源的热电联合系统进行优化调度[5-6]；(3)在热电联合系统内增加电锅炉或者储热装置，增强电能和热能的转换关系，以提高系统的灵活性[7-8]。本文在上述研究内容的基础上，以系统的运行成本最低为优化目标，以一个实际应用案例为例，建立了热能和电能的联合优化调度模型，对比分析了在系统中分别添加电锅炉和储热装置等不同场景对系统的运行调度策略、各设备的出力情况以及风电消纳能力的影响，并进一步研究了系统在不同场景下的风电消纳机理。本文的研究内容旨在对电锅炉和储热装置在实际能源系统中的具体应用提供理论指导。

1 包含电锅炉和储热的热电联合系统

热电联合系统是一个包含电力网络和供热网络以及热电耦合设备的统一有机整体，电力网络和供热网络通过热电耦合设备相互影响和交互。电热联合系统有多种不同的能源结构形式，本文所研究主要为一个包含热电联产机组、风力发电、电锅炉和储热罐等装置的热电联合系统，其中电力网络和供热网络通过CHP、电锅炉和循环泵实现热能与电能的耦合转换。以下分别对它们的数学模型进行介绍。

(1)热电联产机组

热电联产机组主要可以分为背压式热电联产机组和抽凝式热电联产机组两种类型[9]。背压式机组的热电比基本不可调节，而抽凝式机组可以通过改变抽汽量的方式在一定范围内调节机组运行的热电比。

背压式机组热功率出力与电功率出力的关系如式(1)所示：

(1)

式中，PCHP为机组的电功率出力；HCHP为机组的热功率出力；ψ为机组的热电比。

抽凝式机组热功率出力与电功率出力的关系如式(2)所示：

(2)

式中，χ是抽凝式机组的运行特性参数，表示因抽取蒸汽而产生的热功率增加量与电功率减少量的比值；Pcon表示当机组在纯凝模式下时的电功率出力。

(2)电锅炉

电锅炉是一种通过电流的热效应将电能转换为热能的供热设备。电锅炉的热效率是电锅炉将电能转换为热能的主要参数，其关系式为：

(3)

式中，ηEB为电锅炉的热效率；HEB为电锅炉的供热功率；PEB为电锅炉消耗的电功率。

(3)循环泵

循环泵是维持载热流体在供热网络中循环流动的机械设备，通过将电能转化为机械能，为流体的流动提供压力。循环泵的电功率与流量和扬程有关，关系如下式所示：

(4)

(4)储热装置

储热装置一般是根据热量的供求关系，将热量进行短期存储和释放的容器设备。当储热装置的热损失忽略不计时，储热装置内部存储的热量与其热功率出力的关系如式(5)所示：

(5)

2 热电联合系统调度模型

为了分析电锅炉和储热装置对降低运行成本的作用，并分析二者对系统的运行策略和风电消纳能力的影响，本节以系统的运行成本最低为目标，建立了热电联合系统的优化调度模型。

2.1 目标函数

本文建立的优化调度模型以系统的运行成本最低为优化目标，系统的运行成本主要包括：热电联产机组的燃料成本和外购电成本，其表达式如式(6)所示：

(6)

2.2 约束条件

模型的约束条件除包括式(1)-式(6)所示的设备模型约束外,还应包括电网平衡和热网平衡的等式约束条件以及各设备的出力限制的不等式约束条件。

(1)电网平衡约束

电力系统的平衡可分为有功功率平衡和无功功率平衡，对于每一个节点，它们均可用电网的潮流方程表示：

(7)

式中，i、k分别为节点的编号；P为节点的有功功率；Q为节点的无功功率；U为节点的节点电压幅值；G为节点之间的电导；B为节点之间的电纳；φ为节点之间的电压相角。

(2)热网平衡约束

热网的平衡约束可分为水力平衡约束和热力平衡约束。对于水力平衡，由流量连续方程可知，流入热网节点i的所有质量流量之和等于流出该节点的所有质量流量之和，即：

(8)

此外，水力平衡还应考虑流体流动过程中的压力损失，即沿着基本闭合回路上所有支路两端水头损失的代数和等于零。如式(9)所示：

(9)

式中，l为基本闭合回路的编号；j为属于基本闭合回路s中的支路的编号；k为支路的管道阻力特性系数；hz为支路的末端与始端的高度差；hp为管道附件的压强水头。

对于热力平衡，由能量守恒知，流入热网节点i的所有热量之和等于流出该节点的所有热量之和，即：

(10)

式中，Tin和Tout分别为支路的进口温度和出口温度。

考虑热网中流体在管道内流动时因向环境散热而产生的的能量损失，应有：

(11)

式中，λ为支路的散热系数；L为支路的长度；ΔT为散热温差；cp为流体的比热容。

(3)热电联产机组出力约束

热电联产机组的出力受其最大功率和爬坡速率的限制，即：

(12)

(13)

式中，PCHP，max、RCHP分别是热电联产机组的最大发电功率和最大爬坡速率。

(4)储热装置出力约束

与热电联产机组类似，储热装置的出力也受其容量和充放热功率所限制，即对所有的时段t,都有：

(14)

(15)

式中，QS,max、RS分别为储热装置的最大储热容量和充放热的速率。

由于储热装置本身不能够产生热量，为了维持储热装置充放热的连续性，需要保证储热罐在周期结束时存储的热量等于初始时刻罐内存储的热量，即一个周内储热装置充放热的总和等于零。

(16)

(5)电锅炉出力约束

电锅炉的出力受其所消耗的最大电功率的限制，即：

(17)

式中，PEB,max为电锅炉的最大功率。

(6)风电出力约束

风电出力受当地的风力条件所限制，风电的电出力不能超过当地的风力发电的预测值。

(18)

3 算例分析

3.1 算例数据

为了对电锅炉和储热装置对风电消纳的影响效果和影响机理进行分析，基于本文所建立的优化调度模型，以某实际热电联合系统为例进行优化。系统的拓扑结构图可简化为如图1所示。

图1 热电联合系统结构拓扑图

系统的所有负荷可简化为6个电负荷和8个热负荷。电负荷通过CHP机组和风力发电进行供电，供电不足部分可向外部电网进行购电作为补充；热负荷通过CHP机组进行供热。系统的逐时总负荷和风电预测出力情况如图2所示。

图2 系统的逐时总负荷与风电出力预测

以图1所示的案例为例，本文分别优化得到了在系统中加入电锅炉和储热装置等四种不同场景下的调度方案，并对四种场景下的优化结果进行了分析。四种优化场景的配置见表1。

表1 四种优化场景

3.2 优化结果分析

(1)不同场景优化效果分析

在一个调度周期内，四种场景下系统的风电消纳比例和运行成本见表2。

表2 不同场景下风电消纳比例和运行成本

根据表2的优化结果，就提升风电消纳效果而言，场景4>场景2>场景3>场景1;就降低系统运行成本效果而言，场景4>场景3>场景2>场景1。可知加装电锅炉场景的风电消纳能力要优于加装储热装置，而加装储热装置比加装电锅炉更能降低系统的运行成本。

(2)电锅炉和储热装置风电消纳机理研究

为了研究电锅炉和储热装置的风电消纳机理，分别对比分析了系统在场景2(加装电锅炉)、场景3(加装储热装置)和场景4(加装电锅炉和储热装置)下热网与电网所承担实际电负荷、实际热负荷的逐时分布与场景1(未加装电锅炉与储热装置)下原电负荷、原热负荷的逐时分布。对比结果分别如图3-图5所示。

图4 场景3下逐时负荷对比

图5 场景4下逐时负荷对比

由图3知，在加装电锅炉时，系统的电负荷在低谷时被提高，而热负荷在高峰时被降低，因此电锅炉是通过对电负荷进行“填谷”，并对热负荷进行“削峰”，从而消除系统热负荷和电负荷在不同的时段的峰谷差。由图4可知，在加装储热装置时，系统电负荷并未受影响，即原电负荷与实际电负荷在图4中显示为同一条线。而热负荷则在高峰时被降低，在低谷时被提高，即储热装置将高峰时段的部分热量需求转移给了低谷时段，从而降低电热之间的负荷峰谷差。由于储热装置本身并不能产生热量，且受设备的容量限制，对热量的转移能力有限，因此这种方式提升风电消纳的能力不大，但可显著降低外购电成本。根据图5可知，当同时加装电锅炉和储热装置时，系统既可实现电负荷和热负荷的“削峰填谷”，也可对不同时段的热量需求进行转移，因此在四种场景中，场景4提高风电消纳的能力和降低系统运行成本的效果均为最好。

4 结束语

本文建立了考虑电锅炉和储热装置的热电联合系统优化调度模型，并以一个实际的案例分析了四种不同场景下的风电消纳效果和消纳机理，研究结果总结如下：

(1)在系统加装电锅炉和储热装置均可提高风电消纳能力并降低系统的运行成本，其中加装电锅炉场景的风电消纳能力要优于加装储热装置，而加装储热装置比加装电锅炉更能降低系统的运行成本。

(2)电锅炉主要是通过对电负荷和热负荷分别进行“填谷”和“削峰”，以消除系统热负荷和电负荷在不同的时段的峰谷差，从而显著增强风电的消纳能力，但电锅炉并不能减少外购电的成本。

(3)储热装置主要是通过周期性的储热和放热将系统在高峰时段的部分热量需求转移给了低谷时段，以降低电热负荷之间的峰谷差，但这种方式对热量的转移能力有限，因此提升风电消纳的能力不大，但可显著降低系统的外购电成本。