一种热电联产机组储热促进风电消纳的方法与流程

本发明涉及一种促进风电消纳的方法，特别是关于一种在风电领域中使用的热电联产机组储热促进风电消纳的方法。

背景技术：

随着风电技术的快速发展，我国已成为全球风电装机规模最大的国家，截至2014年底，我国风电装机已达到115GW，但是我国风力发电的利用小时数却持续走低，主要原因是：热电联产机组在我国电源结构中占主导地位，特别在冬季，为满足供热需求，热电机组在以热定电的运行模式下往往维持在较高的出力水平，而此时又是风资源最为集中和丰富的时期，风电机组与热电联产机组的高出力累加造成电力供需失衡，冬季电力供应明显高于电力需求，即在负荷低谷时段出现大量弃风。如图1所示，带储热系统的热电联产机组，其包括热电联产机组1、储热机组2、热力管网3和供热区域4。热电联产机组1通过热力管网3分别与储热机组2和供热区域4连接。因此，为了降低电网弃风比例，有效促进风电消纳，需充分挖掘热电联产机组的调峰潜力。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种热电联产机组储热促进风电消纳的方法，其能提升热电联产机组的调峰能力，并有效促进风电消纳。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种热电联产机组储热促进风电消纳的方法，其特征在于它包括以下步骤：1)根据预先设置带储热系统的热电联产机组模型，得到储热系统容量和风电渗透率；2)根据热负荷约束函数、储热系统容量约束函数和风电出力约束函数，得到电力系统最小煤耗量的目标优化函数；3)根据电力系统最小煤耗量的目标优化函数，利用VBA平台的广义既约梯度算法，得到电力系统的最小煤耗值；4)根据电力系统的最小煤耗值、储热系统容量和风电渗透率，利用VBA平台的广义既约梯度算法，得到在热负荷较低时，储热系统运行方式一或储热系统运行方式二能有效减小风电弃风率；在热负荷较高时，储热系统运行方式三能有效减小弃风率。

优选地，所述步骤1)中，根据已知的电负荷特性、风力出力特性和热负荷特性，设置带储热系统的热电联产机组模型；带储热系统的热电联产机组模型包括储放热计算模型、热平衡计算模型和热电关系。

优选地，所述储放热计算模型H_s,t+1为：H_s,t+1＝H_s,t-H_i,t-H_r,t，式中：H_s,t代表t时刻储存的热量，H_i,t代表t时刻散失的热量，对于日循环储热系统，散热损失在3％以下；H_r,t代表t时刻释放的热量。

优选地，所述热平衡计算模型H_t为：H_t＝H_r,t+H_ex,t，式中，H_ex,t代表热电联产机组汽轮机提供的抽汽热量。

优选地，所述带储热系统的热电联产机组的热电关系，热电机组最大发电功率P_max由主蒸汽流量的最大值以及抽汽流量决定，热电机组最小发电功率P_min由主蒸汽流量的最小值、抽汽流量以及凝汽流量的最小值决定。

优选地，所述步骤2)中，负荷的约束函数为：

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}_{CHP}}{\Σ}{q}_{i,t}+{\mathrm{\Σ\η}}_l{d}_{l,t}^{TES}=h_t,t=1,2,...T,$

式中，q_i,t为热电联产机组供热量，为储热系统供热量，η_l为储热系统效率，h_t表示热负荷；储热系统容量的约束函数为：

$d_{l,t}^{EB}\≤{\stackrel{\‾}{d}}_l^{EB},t=1,2...T,l\∈{\mathrm{\Ω}}_{EB},$

式中，表示储热系统储热量，表示储热系统最大储热量，Ω_EB表示储热系统最大容量；风电出力的约束函数为：

0≤p_j,t≤w_j,t,t＝1，2…,T,j∈Ω_WF，

式中，p_j,t表示风电实际出力，w_j,t表示风电理论出力。

优选地，根据热负荷约束函数、储热系统容量约束函数和风电出力约束函数，得到电力系统最小煤耗量的目标优化函数为：

$\min imize\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}_{CHP}}{\Σ}{C}_i(p_{i,t},q_{i,t})+\underset{j\∈{\mathrm{\Ω}}_{WF}}{\Σ}{C}_j\left(p_{j,t}\right),$

式中，C_i(p_i,t,q_i,t)为热电联产机组煤耗，C_j(p_j,t)为单纯发电机组煤耗。

优选地，所述步骤4)中，所述储热系统运行方式一为：平时段储热，谷时段放热；所述储热系统运行方式二为：平时段及峰时段储热，谷时段放热；所述储热系统运行方式三为：根据电力系统调峰需求动态储热和放热。

优选地，所述步骤4)中，当储热容量小于10000m³，储热容量的增加能降低弃风率，且随着容量增加存在边际递减效益；当储热容量大于10000m³时，储热容量的增加对降低弃风率已经没有明显的作用。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用带储热系统的热电联产机组模型，根据电力系统的最小煤耗值、储热系统容量和风电渗透率，提升热电联产机组的调峰能力，有效促进风电消纳，提高风电的利用率。2、本发明在不同的风电渗透率下，得到弃风率随着储热容量的增大而逐渐降低且边际效益递减。3、本发明采用热电联产机组储热促进风电消纳的方法，能够进一步拓展风电的消纳空间，为风电成本及投资决策提供重要参考。

附图说明

图1是现有技术中带储热系统的热电联产机组的结构示意图；

图2是本发明中带储热系统的热电联产机组热电关系示意图；其中，P_min表示热电机组最小发电功率，P′_min表示放热时对应热电机组发电功率，P_max表示热电机组最大发电功率，P′_max表示储热时对应热电机组发电功率，ΔP表示热电机组电功率差值，ΔP′表示储放热条件下热电机组发电功率差值，H′_-表示放热条件下的热量，H表示初始抽汽的热量，H′₊表示储热条件下的热量；

图3是本实施例中用电负荷与风电出力特性的示意图；其中，直线表示电负荷，短横线表示当量电负荷(20％风电)，点表示当量电负荷(80％风电)；

图4是本实施例中70MW热需求条件下不同风电渗透率下对应不同储热系统方式下的弃风情况示意图；其中，白色表示w/o储热方式，浅灰色表示储热系统运行方式一，深灰色表示储热系统运行方式二，黑色表示储热系统运行方式三；

图5是本实施例中140MW热需求条件下不同风电渗透率下对应不同储热系统方式下的弃风情况示意图；其中，白色表示w/o储热方式，浅灰色表示储热系统运行方式一，深灰色表示储热系统运行方式二，黑色表示储热系统运行方式三；

图6是本实施例中140MW热需求条件下不同储热系统容量对弃风改善效果的示意图；其中，圆圈直线表示40％风电，三角形直线表示60％风电，菱形直线表示80％风电，正方形直线表示100％风电。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供一种热电联产机组储热促进风电消纳的方法，其具体步骤如下：

1)根据预先设置带储热系统的热电联产机组模型，得到储热系统容量和风电渗透率；

2)根据热负荷约束函数、储热系统容量约束函数和风电出力约束函数，得到电力系统最小煤耗量的目标优化函数为：

$\min imize\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}_{CHP}}{\Σ}{C}_i(p_{i,t},q_{i,t})+\underset{j\∈{\mathrm{\Ω}}_{WF}}{\Σ}{C}_j\left(p_{j,t}\right)---\left(1\right)$

式中，C_i(p_i,t,q_i,t)为热电联产机组煤耗，C_j(p_j,t)为单纯发电机组煤耗。

3)根据电力系统最小煤耗量的目标优化函数，利用VBA平台的广义既约梯度算法，得到电力系统的最小煤耗值；

4)根据电力系统的最小煤耗值、储热系统容量和风电渗透率，利用VBA平台的广义既约梯度算法，得到在热负荷较低时，储热系统运行方式一或储热系统运行方式二能有效减小风电弃风率，在热负荷较高时，储热系统运行方式三能有效减小弃风率。

上述步骤1)中，根据已知的电负荷特性、风力出力特性和热负荷特性，设置带储热系统的热电联产机组模型；带储热系统的热电联产机组模型包括储放热计算模型、热平衡计算模型和热电关系，储放热计算模型H_s,t+1为：

H_s,t+1＝H_s,t-H_i,t-H_r,t (2)

式中，H_s,t代表t时刻储存的热量，H_i,t代表t时刻散失的热量，对于日循环储热系统，散热损失在3％以下；H_r,t代表t时刻释放的热量；

热平衡计算模型H_t为：

H_t＝H_r,t+H_ex,t (3)

式中，H_ex,t代表热电联产机组汽轮机提供的抽汽热量；

带储热系统的热电联产机组的热电关系，如图2所示，热电机组最大发电功率P_max由主蒸汽流量的最大值以及抽汽流量决定，热电机组最小发电功率P_min由主蒸汽流量的最小值、抽汽流量以及凝汽流量的最小值决定。在一定热负荷H下，热电机组的调峰能力为ΔP＝P_max-P_min，通过储热系统，根据电力调峰的需求，减小或增大热负荷(H′_-或H′₊)，从而将机组调峰能力拓展至ΔP′＝P′_max-P′_min，特别是风电高发、电力调峰困难时，可将热电联产机组的出力由P_min减少至P′_min，为风电消纳提供有效空间。

上述步骤2)中，负荷的约束函数为：

$\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}_{CHP}}{\Σ}{q}_{i,t}+{\mathrm{\Σ\η}}_l{d}_{l,t}^{TES}=h_t,t=1,2,...T---\left(4\right)$

式中，q_i,t为热电联产机组供热量，为储热系统供热量，η_l为储热系统效率，h_t表示热负荷。

储热系统容量的约束函数为：

$d_{l,t}^{EB}\≤{\stackrel{\‾}{d}}_l^{EB},t=1,2...T,l\∈{\mathrm{\Ω}}_{EB}---\left(5\right)$

式中，表示储热系统储热量，表示储热系统最大储热量，Ω_EB表示储热系统最大容量；

风电出力的约束函数为：

0≤p_j,t≤w_j,t,t＝1，2…,T,j∈Ω_WF (6)

式中，p_j,t表示风电实际出力，w_j,t表示风电理论出力。

对热负荷约束函数、储热系统容量约束函数和风电出力约束函数进行最优化求解，得到电力系统最小煤耗量的目标优化函数为：

$\min imize\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{i\∈{\mathrm{\Ω}}_{CHP}}{\Σ}{C}_i(p_{i,t},q_{i,t})+\underset{j\∈{\mathrm{\Ω}}_{WF}}{\Σ}{C}_j\left(p_{j,t}\right)---\left(7\right)$

上述步骤4)中，当储热容量小于10000m³，储热容量的增加可降低弃风率，且随着容量增加存在边际递减效益；当储热容量大于10000m³时，储热容量的增加对降低弃风率已经没有明显的作用。

上述步骤4)中，储热系统运行有三种方式，储热系统运行方式一：平时段储热，谷时段放热；储热系统运行方式二：平时段及峰时段储热，谷时段放热；储热系统运行方式三：根据电力系统调峰需求动态储热和放热。

实施例，根据调度中心提供的京津唐电网2014年12月份时的电负荷数据，得到用电负荷与风电出力特性，如图3所示。结合华北调控分中心提供的供热面积与供热量，以及中国气象局网站提供的日平均温度，得到含储热系统的热电联产机组的热电关系。

储热系统运行方式对风电消纳有重要影响，比较三种运行方式，得到如图4、图5的分析结果：储热系统运行方式一与储热系统运行方式二受限于热电联产机组的调节性能，其配置了储热系统仍存在弃风，而储热系统运行方式三可以通过改变抽汽流量灵活调节运行情况，故可以最大限度的减小弃风率。

促进最大限度的风电消纳，储热系统的容量也是重要影响因素。热负荷为140MW的条件下，对不同储热系统容量对弃风改善效果如图5所示，在不同的风电渗透率下，弃风率随着储热容量的增大逐渐降低且边际效益递减，当储热容量大于10000m³时，储热容量的增加对降低弃风率已经没有明显的作用。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。