风电供暖调控系统及调控方法与流程

本发明涉及风力发电能源利用领域，具体地说，本发明涉及一种风电供暖调控系统及其控制方法。

背景技术：

尽管我国近年来不断出台支持新能源消纳的政策，国家能源局近日发布的数据却显示，“弃风弃光”问题不但未能有效解决，反而随着装机容量的上升，呈现风机在大风中停摆，光伏电站在烈日下“晒太阳”，情况愈演愈烈态势，成为阻碍我国新能源产业健康发展的一个“顽疾”，制约着新能源产业的发展。

国家能源局数据显示，今年上半年，全国风电平均弃风率高达21％，同比上升6个百分点，甘肃、新疆等弃风“重灾区”弃风率甚至接近50％；上半年全国风电平均利用小时数917小时，同比下降85小时；风电弃风电量323亿千瓦时，同比增加148亿千瓦时。由于弃风限电，2015年全年我国风电就损失了300多亿千瓦时，相当于150亿元。

导致大量弃风的原因主要是由于风电自身的间歇波动性和电源建设的冒进和输配电设施建设的滞后，另外也是因为信息的隔离和不通畅，需求方和供给方没有一个有效的系统来连接，电网调度不能有效地执行优先消纳可再生能源的任务。

利用风力发电的弃风电力和低谷电力制热供暖，是用于调节风电的间歇性、波动性的一种储能技术方案，将提高风电场利用率，有效加强风电就地消纳和降低弃风率。现行风电供暖系统无法从技术上保证利用风电场电能，难以离开电网支持运行，更多的是商业模式和运作方式上的改变，没有在风电场和热力站之前进行联合运行、协调控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风电供暖调控系统以及调控方法，调度风电弃风电量进行供暖，提高风电利用率，降低弃风电量。

为了实现上述目的，根据本发明的实施例，提供了一种风电供暖调控系统，该风电供暖调控系统包括：弃风检测模块，检测一个或多个风电场是否存在弃风电力并计算弃风功率；热负荷检测模块，检测采暖集群的热负荷；供热设备，为采暖集群供热；控制模块，与供热设备、弃风检测模块和热负荷检测模块通信，并且根据采暖集群的热负荷，在弃风功率大于供热设备的可利用消纳功率时，控制供热设备利用弃风电力对采暖集群进行供热。

优选地，供热设备为热力站热源，利用从风电场接收的电力进行蓄热和/或对采暖集群供热。

优选地，采暖集群为集中式电采暖集群，并且控制模块被配置成：如果弃风功率小于供热设备的可利用消纳功率且热力站热源的蓄热量满足热负荷，则控制热力站热源直接对集中式电采暖集群进行供热；如果弃风功率大于可利用消纳功率，且利用弃风电力开启的供热设备提供的弃风供热功率小于热负荷，则控制热力站热源将所有可利用弃风电力进行供热，并结合热力站热源自身的蓄热进行补充供热以满足总的热负荷；如果弃风功率大于可利用消纳功率，且弃风供热功率大于热负荷，则控制热力站热源仅利用弃风电力进行供热。

优选地，控制模块被进一步配置成：当弃风功率大于可利用消纳功率且弃风供热功率大于热负荷时，如果热力站热源的蓄热量未达到最大蓄热容量，则将除去用于供热的弃风电力之后剩余的弃风电力用于对热力站热源进行蓄热。

优选地，热力站热源为固体电蓄热机组，控制模块通过控制固体电蓄热机组开启的台数、挡位和风机转速来控制固体电蓄热机组的出水温度和供热量。

优选地，热力站热源为电极锅炉与水蓄热装置，控制模块通过控制电极锅炉的功率、调节水蓄热装置的水泵的转速来控制出水温度和供热量。

优选地，热力站热源包括地源热泵、电极锅炉以及水蓄热装置，在需要热力站热源供热时，则控制模块首先控制地源热泵进行供热，如果地源热泵不能满足热负荷，则进一步控制电极锅炉与水蓄热装置补充供热。

优选地，采暖集群为分布式电采暖集群，供热设备为位于分布式电采暖集群内的电热源，控制模块被进一步配置成：当风电场存在弃风电力时，利用电网将弃风电力输送至采暖集群，并根据弃风电力的量来增大电热源的热负荷，以提高电热源的供热温度。

优选地，控制模块被集成到互联网中，采用无线遥控方式对电热源进行控制。

优选地，电热源包括空调、电暖气设备和空气源热泵机组。

根据本发明的另一实施例，提供了一种风电供暖调控方法，所述风电供暖调控方法包括：确定一个或多个风电场是否存在弃风电力并计算弃风功率；计算供热设备的可利用消纳功率，并将可利用消纳功率与弃风功率相比较；如果弃风功率大于可利用消纳功率，则根据利用弃风电力开启的供热设备提供的弃风供热功率和当前的热负荷，确定供热模式，对采暖集群进行供热。

优选地，基于风电场理论输出功率和实际上网功率，确定风电场是否存在弃风电力并计算弃风功率。

优选地，在供热设备为热力站热源时，热力站热源利用从风电场接收的弃风电力进行蓄热和/或对采暖集群供热，供热模式包括蓄热直供模式、蓄热弃风联供模式、弃风直供模式，在不存在弃风功率或者弃风功率小于可利用消纳功率时，采用蓄热直供模式，其中，仅利用热力站热源的蓄热进行供热；在弃风供热功率小于当前的热负荷时，采用蓄热弃风联供模式，其中，所有的弃风功率用于供热且利用热力站热源的蓄热进行补足供热；在弃风供热功率大于当前的热负荷时，采用弃风直供模式，其中，仅利用弃风电力进行供热。

优选地，供热模式还包括在弃风供热功率大于当前的热负荷并且热力站热源的蓄热量未达到最大蓄热容量时采用的弃风直供且蓄热模式，在弃风直供且蓄热模式中，仅利用弃风功率进行供热，剩余的弃风功率用于使热力站热源进行蓄热。

优选地，热力站热源包括固体蓄热机组、电极锅炉与水蓄热装置以及地源热泵。

优选地，在供热设备为位于采暖集群内的电热源时，如果弃风功率大于当前的热负荷，则根据弃风功率的量来增大电热源的热负荷，以提高电热源的供热温度。

优选地，电热源包括空调、电暖气设备和空气源热泵机组。

本发明所提供的风电供暖调控系统以及调控方法通过风电供暖智能调节，调度弃风电量为热源供电，只能调控供热设备的运行参数，保障了风电场和供热设备的可靠安全性，提高了风电利用率和效率，降低了弃风电量，并且通过风电场和供热设备的联合运行，增强了风电场的需求响应能力和调控能力，可以为电网提供电力辅助服务。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的风电供暖调控系统的示意框图；

图2是根据本发明的实施例的风电供暖调控方法的流程图；

图3是根据本发明的实施例的风电供暖调控信号输送的示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

参照图1，图1是根据本发明的实施例的风电供暖调控系统的示意框图。

通常，风电场产生的电力输送到电网上，然后通过电网输送至各地。多个风电场1(例如图1中的风电场A和风电场B)可连接到同一个电网2，进行电力输送。由于风电场的上网率受电网参数和各种基础设备的限制，导致弃风电力的存在。

根据本发明的实施例，提供的风电供暖调控系统用于在风电场存在弃风电力时联合供热设备系统消纳弃风电力，具体地，供热设备可利用弃风电力对采暖集群或用户群5进行供热。

风电供暖调控系统还包括弃风检测模块20和热负荷检测模块21，弃风检测模块用于检测风电场是否存在弃风电力并计算弃风功率，热负荷检测模块用于检测采暖集群的热负荷，即，用户群5的采暖需求量。弃风检测模块和热负荷检测模块将各自检测的结果传送至风电供暖调控系统的供暖智能控制模块4，然后供暖智能控制模块4根据检测结果，比较弃风功率与供热设备的可利用消纳功率，其中，供热设备的可利用消纳功率D指当前状况下所有可利用的供热设备的最大功率之和，并根据采暖集群的热负荷，控制供热设备利用弃风电力为用户群5进行供热。

通常，供热设备的类型很多，下面分别以热力站热源和电热源为例对具体的供热模式进行具体描述，其中，对于利用热力站热源进行供暖的采暖集群可以称为集中式电采暖集群，而利用电热源采暖的采暖集群可以称为分布式电采暖集群。

对于热力站热源，主要针对集中式电采暖集群进行供暖，其具有蓄热和供热两种功能，在进行蓄热时，热力站热源将接收的电力转换成热能，采用的热介质一般为水，在供热时，可以利用之前储存的蓄热也可以利用电力转换成热能之后直接供热。另外，集中式电采暖集群的数量可以为多个，各个集中式电采暖集群可以单独控制，其供热方式和控制方式相同。

根据弃风检测模块和热负荷检测模块的检测结果，控制模块控制进行的供热模式主要有以下几种：

蓄热直供模式，当弃风检测模块检测到风电场并不存在弃风电力或者弃风电力很少不足以开启热力站热源时，在热力站热源的自身蓄热量满足当前的热负荷要求的情况下，可通过连接在热力站热源与集中式电采暖集群和用户群5之间的供热管网6，利用热力站热源自身的蓄热为用户群5进行供热。另外，如果热力站热源的自身徐热量不满足当前的热负荷，则风电供暖调控系统可利用风电场的低谷电力进行供暖；

蓄热弃风联供模式，当弃风检测模块检测到风电场存在弃风电力时，并且在供暖智能控制模块4确定弃风功率大于可利用消纳功率，并且利用弃风电力开启的供热设备提供的弃风供热功率小于当前的热负荷需求的情况下，风电供暖调控系统将所有的可用弃风电力投入供热作业，而其余不足的供热需求部分可利用热力站热源进行补足，从而实现满足总的热负荷需求；

弃风直供模式，当供暖智能控制模块4确定弃风功率大于可利用消纳功率，并且利用弃风电力开启的供热设备提供的弃风供热功率大于当前的热负荷需求的情况下，风电供暖调控系统控制热力站热源仅利用弃风电力进行供热，这样，在用于供热之后还剩余一部分弃风电力，若此时这部分弃风电力不足以启动热力站热源进行蓄热或者热力站热源的蓄热量已经接近或达到蓄热容量，则利用这部分电力为热力站热源提供维持其基本运行的电力，而不开启蓄热功能。

相反，如果剩余的弃风电力很多，并且热力站热源的蓄热量未达到蓄热容量，则热力站热源可将这部分电力全部转换为热量进行蓄热，这种供热可称为弃风直供且蓄热模式，在热力站热源蓄满之后便可投入之后的正常供热作业，并可在之后的供热期间，可逐步地提升出水温度设定值，增加供热量，最大化地利用弃风电量，将其转化为热量储存或供给到用户端。

另外，在以上的供热模式中，如果弃风电力和热力站热源的蓄热量总和都不能满足热负荷时，可以利用电网中的低谷电力进行供热。

根据热力站热源的具体类型不同，以上四种供热模式的具体控制方式也有所不同。目前，热力站热源具体地可以分为：固体电蓄热机组7、电极锅炉8、水蓄热装置10、地源热泵9，下面描述各个热源的具体控制方式。

对于固体电蓄热机组7，首先可根据当前热负荷和弃风电力(如果存在)，由供暖智能控制模块4计算出固体电蓄热机组7需要提供的供热量，然后可通过调节当前开启的电蓄热机组台数、档位，调节循环风机转速，控制供热循环水出水温度，从而利用蓄热进行供热，从而满足当前的热负荷需求。

对于电极锅炉10与水蓄热装置8这种组合热源，首先可根据当前热负荷和弃风电力(如果存在)，由供暖智能控制模块4计算出电极锅炉10与水蓄热装置8需要提供的供热量，然后调节电极锅炉10的功率、循环水蓄热装置8的水泵的转速，控制供热循环水出水温度，利用自身蓄热进行供热，从而满足当前的热负荷需求。

对于地源热泵9与电极锅炉10与水蓄热装置8这种组合热源，在进行供热，供暖智能控制模块4优先控制地源热泵9进行供热，将其出水温度设置为最低标准的温度，在仅利用地源热泵9不能达到热负荷要求时，再控制电极锅炉10与水蓄热装置8进行供热，以降低供热成本，实现最大化的供热经济性。

对于以上这些类型热力站热源的供热控制可通过热源群控器3实现，该群控器3可与供暖智能控制模块4通信，由供暖智能控制模块4向群控器3输送是否可利用弃风电力进行供热以及具体供热方式的信号，由群控器3具体地控制各种热力站热源的操作参数以控制其各自的供热过程。

当然，还可以存在其他类型的热源或几种热源的组合等，例如，对于以上几种热源的组合而言，在进行供热时，可根据优先级别依次开启地源热泵9、电极锅炉10和水蓄热装置8、固体电蓄热机组7，以实现节能经济运行最优模式，其中，电极锅炉10可利用无级调节的特征根据弃风电量的变化来实施调节其自身的供热量。在满足当前热负荷的情况下，可将供热回水温度控制点设置为最低标准，而舒适模式可以由供暖末端或用户端分别设置，回水温度达到最低标准后，将固体电蓄热机组7转为蓄热模式蓄热，蓄满后投入正常供热，将电极锅炉10和水蓄热装置8投入蓄热模式，蓄热完毕后恢复正常供热模式。之后，在达到温度标准满足集中式电采暖集群的热负荷需求后，按照固体电蓄热机组7、电极锅炉10和水蓄热装置8、地源热泵9的优先级依次切除，进行机组群控的台数控制。

接下来，对位于分布式电采暖集群内的电热源进行具体描述。

这种电热源通常分布于各用户居室内的分体空调16、电暖气设备17或空气源热泵机组15等。这些分布式电采暖集群的数量可以由多个，各个集群的控制方式相同。

具体地说，可通过集中控制器11集成分体空调红外控制器和转换器13、空气源热泵控制系统或控制器12、电暖气智能插座控制器14等设备，这些控制器可以接收到关于各个电热源的当前状态，例如是否开启以及当前的功率等。关于这些运行状态的信号可通过无线WiFi、ZIGBEE等通讯协议经过互联网上传至供暖智能控制模块4(在本示例中，该供暖智能控制模块4可以具体称为空调无线监控管理系统)，供暖智能控制模块4向集中控制器11发送是否可利用弃风电力进行供热以及具体供热方式的信号，由集中控制器11对这些类型的热源进行供热温度的控制。当风电场通过局域电网传来弃风电力时，无线监控管理系统根据各个电热源的运行状态，进行智能分组调控，可根据弃风电量的实时波动而采用无线遥控的方式来调控若干空调16、电暖气设备17、空气源热泵机组15进行开关或者调节这些电热源的设定温度，来短暂调节供热负荷。也即，当存在大量的弃风电力时，为了尽可能地消纳弃风电力，无线监控管理系统可通过通信协议经过互联网向电热源输送控制信号，智能地增大这些电热源的热负荷，提高其电力消耗，增强弃风电力消纳能力，为用户群5提供舒适的供热温度，且最大化地减少非弃风低谷电量的使用，降低供热成本。

在这种供热模式中，可将各个电热源的输出温度可根据弃风电量的变化来实时调整，即弃风电量较大时可将室内温度设置地高些。但是出于节能经济性，通常基于弃风电力的能力范围，设置最低室内温度，同时也允许用户端修改室内温度，若超出弃风电量所能够提供的温度，多出的热负荷可采用电网中收费的低谷电力来满足。

在上述的风电供暖调控系统中，各个设备系统之后可利用modbus TCP/IP网络传输信号或者其他合适的网络，同时为提高控制安全级别，关键信号采取硬信号联动传输。

需要说明的是，如果弃风电量和供热设备不能满足采暖集群的热负荷，可以调用风电场的低谷电力补足供热量，保证用户的供热。

根据本发明的另一实施例，提供了一种风电供暖调控方法，下面参照图2对该调控方法进行具体描述，其中图2是根据本发明的实施例的风电供暖调控方法的流程图。

首先在框21和22中分别计算当前实时风电场理论输出功率A和风电场实时上网功率B。然后在框23中比较理论输出功率A和上网功率B，如果理论输出功率A大于上网功率B，则可在框24处计算弃风功率C，即，弃风功率C等于理论输出功率A与上网功率B之差。具体地，弃风功率的计算可通过弃风检测模块进行。

之后，可评估是否存在可利用的供热设备来消纳弃风电力，并计算供热设备的可利用消纳功率D，如框26处所示，其中，供热设备的可利用消纳功率D指当前状况下所有可利用的供热设备的最大功率之和。在框25处可比较弃风功率C与供热设备的可利用消纳功率D进行比较。

如果可利用消纳功率D等于零或者弃风功率C小于可利用消纳功率D，则说明弃风功率C不足以开启这些供热设备进行供热，这时，可利用正常供热模式对采暖集群进行供热，如框27所示，其中该正常供热模式可以指利用风电场的低谷电力进行供热或者利用供热设备自身的蓄热进行，这种供热模式也就是说上述的蓄热直供模式，使蓄热量最小化地供热。

如果可利用消纳功率D大于零且弃风功率C大于可利用消纳功率D，则确定供热设备可以利用弃风电力进行供热。在利用弃风电力供热时，并不一定会开启所有可利用的供热设备，这时要计算实际上利用弃风电力开启的供热设备的总功率E，如框28所示。

这样，这部分总功率E便对应与框29处的弃风供热负荷F。

然后，在框29处，将在框30处计算的当前供热热负荷G与当前弃风供热负荷F相比较。

根据框29处的比较结构，可以选择合适的供热模式进行供热，如框32至框34所示。

例如，在供热设备为热力站热源的情况下，如果弃风供热负荷F大于当前供热热负荷G，则可以选择弃风直供模式和弃风直供且蓄热模式，具体地，在供热设备的蓄热量已达到其最大蓄热容量时，采用弃风直供模式，相反则可采用弃风直供且蓄热模式，即剩余的部分弃风功率用于为供热设备进行蓄热。上述热力站热源可以包括固体蓄热机组、电极锅炉与水蓄热装置以及地源热泵与电极锅炉与水蓄热装置。在利用热力站热源的蓄热量进行供热时，其需要提供的蓄热供热量可以为H1。如果存在剩余的弃风功率，则用于为热源进行蓄热，其蓄热热量可为H2，其蓄热量可达到最大可达到其蓄热容量H0。各个供热模式的具体描述以及针对各种类型的热源不同的控制方式与上述相同，在此不再不赘述。

在供热设备为位于采暖集群端的电热源时，则该供热模式具体可以为根据弃风电量的大小，实时地调节用户端的电热源的热负荷，充分地利用弃风电量进行供热。具体地，可通过无线监控管理系统进行智能分组调控，根据弃风电量来调控若干空调、电暖气设备、空气源热泵进行开关或者调节空调、空气源热泵的设定温度，来短暂调节供热负荷，增大这些电热源的热负荷，提高电力消耗。电热源可以包括空调、电暖气设备和空气源热泵机组。

在以上所述的风电供暖调控系统和调控方法中，如图3所示，风电场、电网和热源建立了新的通信与供电线管，从而能够将弃风电力有效地转换成热能进行供热。

在以上的风电供暖调控系统和调控方法中，风电场及热力站之间的通讯协议可以选择任何合适的方法或介质，并且具体的通信方式也可选择任何合适的方式。采用的热源还可以为其他电能消耗供热设备，例如，空气源热泵及电池储能装置等。

通过这样的风电供暖调控系统和调控方法，调度风电原先弃用的弃风电量为供暖热源供电，从而提高了风电利用率，最大化地降低了弃风电量，同时降低了供暖成本，在满足电网调度对风电场电能入网的能量需求的情况下，兼顾了发电与供暖的经济性。另外，解决大规模电暖气居民用户与风电协调运行方面专有的分布式控制策略可以使大量分布的电采暖居民用户合理利用电网过剩电量、利用建筑自身的蓄热性能来采暖，在当今治理雾霾大规模煤改电和电力过剩的新形势下可以有效提高电能替代率、解决农村大规模分散电采暖用户与电网互动平衡的问题。

通过风电场和供暖热源的联合运行，增强了风电场的需求响应能力和调控能力，可以为电网提供电力辅助服务。另外，增强了风电场的需求响应能力和自我调节能力。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。