一种蓄热式电锅炉负荷群弃风消纳控制方法

本发明属于电采暖领域，尤其涉及一种蓄热式电锅炉负荷群弃风消纳控制方法。

背景技术：

1、电采暖负荷作为一种清洁的取暖设备，在日常生活中占比大，且易于控制、响应速度快，短时间尺度下改变电采暖负荷的运行状态并不会影响用户舒适度，具有较大的参与电网调节的潜力，是一种优质的需求响应资源。蓄热式电锅炉负荷是指利用电锅炉向集中区域或建筑供暖、可统一管理调控的各类直热或蓄热式电采暖负荷。这类负荷热惯性大，具有用时可停、停时可用的可时移特性，蕴含着巨大的调节潜力。就一台蓄热式电锅炉来说，由于其设备是周期性启停，因此负荷特性曲线具有周期性跃变的特点，并且功率较小，能够调度使用的资源有限，但是蓄热式电锅炉负荷群的地理位置分散，其中各个蓄热式电锅炉负荷行为特性随机，并且时移能力有限且动态变化，这些大规模的存量调节资源尚未被充分挖掘利用。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种蓄热式电锅炉负荷群弃风消纳控制方法，以解决上述背景技术中提到的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的一种蓄热式电锅炉负荷群弃风消纳控制方法的具体技术方案如下：

3、本发明一种蓄热式电锅炉负荷群弃风消纳控制方法。从蓄热式电锅炉供热系统的传热过程入手，利用热平衡原理建立蓄热式电锅炉热平衡模型，然后基于蓄热式电锅炉的调节能力，构建了基于蓄热量约束运行的控制方法，接着分析了蓄热式电锅炉弃风消纳作用机理，最后在此基础上建立蓄热式电锅炉弃风消纳模型和经济效益计算模型，具体步骤如下：

4、步骤1.分析蓄热式电锅炉的传热过程，建立蓄热式电锅炉模型；

5、步骤2.基于蓄热式电锅炉的调节能力，构建基于蓄热量约束的控制方法；

6、步骤3.基于蓄热式电锅炉弃风消纳作用机理和步骤2的控制方法，构建蓄热式电锅炉弃风消纳模型和经济效益计算模型。

7、进一步需要说明的是步骤1中建立的蓄热式电锅炉模型为：

8、蓄热式电锅炉供热系统包括电网、蓄热式电锅炉和供暖楼宇3部分，基于传热过程建立蓄热式电锅炉热平衡参数模型；

9、蓄热式电锅炉在运行时，时刻发生热量传递，并处于热平衡状态，即电网电能转换的热量、电锅炉蓄热体储存的热量和因供暖热用户而消耗的热量保持相等，要建立蓄热式电锅炉模型，首先要搞清楚蓄热式电锅炉的热量传递过程。本发明研究的蓄热式电锅炉传热包括电网、蓄热式电锅炉和供暖楼宇。在蓄热式电锅炉工作时，一方面将电网提供的电能转换成热能储存在蓄热体中；另一方面通过循环水网向楼宇提供热能满足供暖需求，在此期间，蓄热式电锅炉蓄热体储存的热能是动态变化的。

10、蓄热式电锅炉热动态过程与电网电热转换、电锅炉蓄热体蓄热量和供暖楼宇消耗热量有关。

11、①蓄热式电锅炉利用电网电能产生的热量由开关状态、蓄热式电锅炉功率和蓄热时间计算，见公式(1)：

12、

13、其中，t1为蓄热式电锅炉启动时刻，t2为蓄热式电锅炉关断时刻，单位为s；α为蓄热式电锅炉热效率，95％-98％；k为蓄热式电锅炉的开关状态，0或1；dt单位为s；

14、②楼宇散热量以及维持楼宇热舒适度所需热量由供回水温度差和循环水流量计算，见公式(2)：

15、

16、其中，gw(t)为t时刻循环水流量，单位m3/s；cw为水比热容，单位为j/(kg·℃)；

17、③蓄热式电锅炉储热量变化量qθ可由电锅炉蓄热体质量、蓄热体温度和比热容计算，见公式(3)：

18、

19、其中，θ为蓄热式电锅炉蓄热体温度，θ1为开始蓄热时蓄热体温度、θ2为蓄热结束时蓄热体温度，单位为℃；m为蓄热体质量，单位为kg；cθ为蓄热式电锅炉蓄热体温度为θ时的比热容，单位为j/(kg·℃)。其中θ可以取分布在蓄热体中各个温度传感器的平均值；

20、由此可得蓄热式电锅炉运行中热动态方程：

21、

22、进一步说明的是，蓄热式电锅炉基于蓄热量约束的控制方法如下：

23、蓄热式电锅炉参与调控的调节能力是有限的，不能超过其具有的最大调节能力。本发明基于建筑物需热量约束运行的控制策略提出了蓄热式电锅炉在蓄热量约束范围内运行的控制策略。蓄热式电锅炉在建筑物需热量约束下运行，调节能力约束为：

24、qc≤(δq1+qs1) (5)

25、

26、

27、qmin＝mcminθmin (8)

28、

29、蓄热式电锅炉在蓄热量约束范围内运行，调节能力约束为：

30、qc≤(δq2+qs2) (10)

31、

32、qmax＝mcmaxθmax (12)

33、ql≤qmax (13)

34、其中，qc为蓄热式电锅炉参与调节所产生的热量。qmin为炉温下限所对应的热量，为炉温为θ0所对应的热量，ql为炉温为θl所对应的热量，qmax为炉温上限所对应的热量。q24为未来24小时的供暖负荷需热量，qs1为t1到t2时刻所散失的热量，qs2为t1到t3时刻所散失的热量。

35、进一步说明的是，蓄热式电锅炉弃风消纳模型和经济效益模型如下：

36、蓄热式电锅炉是一种清洁、高效的可控温控负荷，可以源源不断的为供暖用户提高热量，是可以作为替代燃煤锅炉供暖的一种设备，还可以减少环境的污染，利用蓄热式电锅炉的可时移性在夜间低谷时段用电，消纳不能并网使用的弃风电量，白天不消耗电能。因此，蓄热式电锅炉可以在不影响供热质量和不改变原有运行模式的前提下参与电网调控，使得电力系统负荷峰谷差变小，从而提高电网的风电消纳能力。

37、对于已知风电场，由于电网风电接纳能力不足而产生大量弃风现象，弃风功率pab(t)定义为：

38、pab(t)＝ppre(t)-ps(t) (14)

39、其中，ppre(t)、ps(t)分别为t时刻风电场预测功率和实际功率。

40、蓄热式电锅炉各时刻消纳的弃风电量w(t)：

41、

42、其中，pc(t)为t时刻蓄热式电锅炉功率。由公式(14-15)可得，当弃风功率小于或者等于蓄热式电锅炉功率时，弃风电量就被消纳掉。

43、该模型的目标函数是以弃风消纳最大为目标的，该目标函数如公式(16)所示：

44、

45、除此之外，该模型还包括三个方面的约束条件，它们是蓄热式电锅炉调节能力约束，调节量约束和调节次数约束。其中调节能力约束见公式(5-13)。

46、①调节量约束

47、调节量约束，规定蓄热式电锅炉参与调控时，每一时刻总的调控量不小于调度调控目标：

48、

49、其中，pc(t)为t时刻蓄热式电锅炉功率，pab(t)为弃风功率。

50、②调节次数约束

51、调节次数约束，为了防止电极棒机械损伤，本发明规定蓄热式电锅炉在调控时段内最多参与12次调节：

52、

53、其中，i∈[1,i]，ki(t)为第i台蓄热式电锅炉的开关状态，0为关闭，1为开启。

54、蓄热式电锅炉的收益可以分为以下三部分，分别为蓄热式电锅炉的经济效益、节煤效益和环境效益，见公式(19)～公式(25)。

55、c1＝c11+c12+c13 (19)

56、

57、

58、c12＝δcqcoalrcoal (22)

59、

60、

61、δcqcoal＝0.4δph (25)

62、式中：c1表示总效益；c11表示经济效益，c12表示蓄热式电锅炉的节煤效益，c13表示蓄热式电锅炉的环境效益；rl表示单位热量售价，取44.45元/gj；vl表示额定供热量；t1表示风电消纳时段；表示蓄热式电锅炉消纳弃风的电价；表示消纳弃风电量；rg表示电网电价；wl表示总供热用电电量；表示用户和风电场双方协定的风电电价；rbn表示固定过网费；δcqcoal表示代替燃煤锅炉供热所减少的耗煤量；rcoal表示单位耗煤量的价格，取0.550元/kg；δph表示代替燃煤机组的耗电量；λyc为1度电co2、so2、noχ和烟尘的排放量；αyc为co2、so2、noχ和烟尘治理单位成本；表示第i台蓄热式电锅炉在t时刻的供热量。

63、本发明的一种蓄热式电锅炉负荷群弃风消纳控制方法具有以下优点：蓄热式电锅炉负荷通过合理的组合优化可以实现更好的弃风消纳效果。考虑到如今研究存在的问题，本发明提出了基于电锅炉蓄热量约束的弃风消纳控制方法。相较于基于建筑物需热量约束的传统控制方法，该方法进一步提高了弃风电量的消纳量，并且其经济性更优。