一种提高风电消纳的蓄热式电采暖优化运行控制方法

摘要

本发明针对我国风电供热运行方式单一，不能灵活、合理匹配弃风电量的问题，提出了一种提高风电消纳的蓄热式电采暖优化运行控制方法，其特点是，包括蓄热式电采暖提高风电消纳机理、评价指标及蓄热式电锅炉运行、蓄热式电锅炉的控制分析等步骤。该运行控制方法不仅能够满足用户负荷需求，而且能够消纳更多的弃风电量，具有科学合理，适用性强，更有效的充分利用能源，效果佳等优点。

主权项

一种提高风电消纳的蓄热式电采暖优化运行控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)蓄热式电采暖提高风电消纳机理利用样板机功率衡量风电场弃风情况，弃风功率计算为(1)式：式中：n为风电场风机台数，样板机为k台，第m台样板机功率为P_m(t)，MW；P_qf(t)为弃风功率，MW；P_acc(t)为电网允许接纳风电空间，MW；P_acc(t)＝P_eload(t)+P_loss(t)+P_trans(t)‑P_G,min(t)     (2) 式中：P_eload(t)为电网负荷，MW；P_loss(t)为网损，MW；P_trans(t)为联络线外送功率，MW；P_G,min(t)为运行机组最小出力，MW；代入(1)式得到弃风功率：风电年满发利用小时数HW为：式中：P_e为单台风电机组额定功率，MW；引入蓄热式电采暖后，风电场弃风功率为：式中：P’_qf(t)为引入蓄热式电采暖后的弃风功率，MW；P_eh(t)为蓄热式电锅炉实时功率，MW；引入蓄热式电采暖后，热力系统约束变为：h_direct(t)+h_discharge(t)＝h_load(t)     (6) 式中：h_direct(t)为蓄热式电锅炉直接供热功率，MW；h_discharge(t)为蓄热罐放热功率，MW；h_load(t)为用户热负荷需求功率，MW；引入蓄热式电采暖后，相应提高风电接纳电量为：式中：W_in为引入蓄热式电采暖之后电网可多接纳的风电电量；MWh；T0为供暖期起始时刻， s；T1为供热期终止时刻，s；2)评价指标及蓄热式电锅炉系统运行以提高消纳弃风、改善风电接纳能力为目标，使蓄热式电锅炉在满足热负荷需求前提下尽可能多的消纳弃风电量；构建两个评价指标：整个供暖期内消纳的总弃风电量W_uti及弃风电量占总消纳电量占比λ_uti、W_uti及λ_uti消纳越大则表示消纳弃风能力越大；(1)整个供暖期内消纳的总弃风电量W_uti蓄热式电锅炉的运行时段及运行功率受弃风功率的影响，假定蓄热式电锅炉运行功率由弃风功率P_qf(t)与非弃风功率P_fqf(t)提供，根据热负荷需求及弃风功率大小确定蓄热式电锅炉消纳的弃风电量W_uti式中：P_uti(t)为t时刻消纳的弃风功率，MW；T0为供暖期起始时刻，s；T1为供热期终止时刻，s；(2)弃风电量占总消纳电量占比λ_uti考虑到热负荷的热惯性对蓄热式电锅炉运行影响，将整个热力系统的热惯性等效为一个在一定变化范围内的可变热负荷，不同热惯性下蓄热式电锅炉灵活性不同，消纳的总电量及相应消纳弃风电量存在差异性，故引入弃风电量占总消纳电量占比来衡量系统消纳弃风电量情况，λ_uti的具体计算为(9)式式中：W_total为蓄热式电锅炉消纳的总电量，MWh；P_eh(t)为蓄热式电锅炉实时功率，MW；(3)蓄热式电锅炉的固定控制蓄热式电锅炉的固定控制是指，仅在夜间负荷低谷时段及部分负荷平段时间内运行，将电能转化为热能储存在蓄热罐中，并在其余时段放热进行供热；固定控制只能计及蓄热式电锅炉系统自身运行约束，特定运行时段、特定运行功率对蓄热罐进行蓄热、放热或对用户直接供热来消纳弃风电量；蓄热式电锅炉的出力要受到蓄热罐放热、蓄热功率及容量限制，并且蓄热罐先在特定时段蓄热，蓄热罐蓄满热量后随热负荷需求进行放热，即蓄热罐的运行约束为：式中：S_t为蓄热罐实时蓄热量，MWh；S_e为蓄热罐最大蓄热能力，MWh；h_charge(t)为蓄热罐蓄热功率，MW；h_loss(t)为蓄热式电锅炉热损失功率，由于储热装置热损失值很小，日损失不足1％，故建模时忽略其热损失；式中：η为蓄热式电锅炉效率，％；R为蓄热式电锅炉台数，P_gl为单台蓄热式电锅炉额定功率，MW；当蓄热罐热量为S_t＝0时，热负荷需求由蓄热式电锅炉直接供热进行补充；固定控制存在的一定缺陷，仅在特定时间内进行蓄热放热，未能考虑时序弃风功率的影响，未能充分利用蓄热式电锅炉的灵活性，也未能考虑整个热力系统所具有的较大热惯性，在居民供暖对于热蒸汽和热水的要求不是很高时，热网惯性相对较大，供热量和热负荷不必完全实时平衡，允许存在一定幅度的波动，对供热质量没有影响；若充分利用蓄热罐蓄热特性及热网热惯性，在满足供热需求及自身约束条件下，在弃风功率较高时，进行供热的同时蓄热，尽可能多消纳弃风电量，在弃风较少时，利用热惯性降低热负荷同时蓄热罐放热，尽可能少用非弃风电量，最终达到提高消纳弃风；(4)蓄热式电锅炉的优化运行控制优化运行控制既考虑了蓄热式电锅炉系统自身运行约束，又考虑时序弃风功率与热惯性对蓄热式电锅炉运行的影响，可将蓄热式电锅炉看作是一种灵活性较强的柔性负荷，将弃风功率及热负荷需求作为决策因素来控制蓄热式电锅炉功率及蓄热罐的蓄热、放热；受热惯性影响，热负荷可以不用满足实时供需平衡，在不影响用户舒适性的情况下，热负荷需求具有一定调节能力，故将热惯性等效为在一定范围内的可变热负荷，β_t定义为热惯性比例，即热负荷允许波动范围，β_t可取正值或负值，β_t主要受供热管道的距离、热水流速、建筑物保温材料、室外温度的影响；h_direct(t)+h_discharge(t)＝(1+β_t)h_load(t)     (12) 式中：h_load(t)为用户热负荷需求功率，MW；将蓄热式电锅炉作为一种柔性负荷，其运行约束变为：0≤P_eh(t)≤R·P_gl     (13) 0≤P_eh(t)≤P_qf(t)     (14) η·P_eh(t)＝h_direct(t)+h_charge(t)     (15) 此时，蓄热罐的灵活性被完全释放，增加的运行约束：0≤h_charge(t)≤h_charge,max     (16) 0≤h_discharge(t)≤h_{discharge,max}     (17) 式中：h_charge，max，h_{discharge，max}分别为蓄热罐蓄、放热最大功率，MW；3)蓄热式电锅炉的控制分析(1)蓄热罐蓄热：若当前t时刻弃风功率高于供热负荷需求，则蓄热式电锅炉在进行直接供热的同时蓄热罐还可进行蓄热，储存弃风电量；其中，β_t的正负取决于不同时段弃风功率大小，弃风功率较小时，β_t取负值，热负荷需求向下波动，即热负荷需求降低，从而使得消纳非弃风电量最小；弃风功率较大时，β_t取正值，即热需求向上波动，弃风电量消纳最大；不同时段弃风功率有差异，导致β_t取值不同，β_t大小为限值内的任意值；(2)蓄热罐放热：若当前t时刻弃风功率不足以满足供热负荷，此时蓄热罐首先动作进行放热，判断蓄热罐蓄热量是否满足前瞻周期ΔT，即从t时刻起未来ΔT时间内的供热需求，若不满足则还需非弃风电量进行供热；(3)蓄热罐状态不变：此时存在两种情况，情况一，若t时刻蓄热量为0MWh且无弃风，蓄热罐状态不变；情况二，若t时刻蓄热量为最大且弃风满足供热，此时蓄热罐状态亦不变，热负荷需求由弃风功率满足，在蓄热式电锅炉系统运行时，设采样周期与前瞻周期相同，也为ΔT＝5min，运行周期为供暖期180天。