一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法与流程

本发明涉及电力调度
技术领域：
，尤其涉及一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法。
背景技术：
：近年来，以风电为代表的的可再生能源装机规模快速发展。据世界风能协会统计，从2000年至今，全球风电装机容量的年增长率保持在10％以上，由此也带来了严重的风电消纳问题。在吉林省，热电联产机组供应超过70％的热负荷，其运行往往受到以热定电约束，调节能力有限，无法与风力发电形成互补，严重影响了风电接纳能力。随着未来风电开发力度的进一步加大，风电消纳问题将更加凸显，如何有效消纳风电、降低弃风率受到广泛关注。已有方法多通过热电联产机组与电锅炉和储热装置等设备的联合运行，达到了消纳风电、提高系统经济性的效果，但这些方案需要较大额外投资和设备建设用地。考虑到热网具有热惯性，可以被视为是一种天然储热装置，因此可以利用热电耦合虚拟电厂的热网蓄热能力解除热电联产的部分热电耦合约束以提升风电消纳能力。该方案的显著优势在于热网已存在于城镇集中供热系统中而无需较大额外投资。在一些用场合，例如同时采用风电供电的场所，如电热耦合型虚拟电厂，由于电力负荷的不确定性，常常会出现诸如风电风电的情形，使系统内的用电总成本居高不下，如何有效提升这类系统风电消纳水平、降低弃风成本，是一个函待解决的问题。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法，可以使热电联产根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目的。为了解决所述技术问题，本发明所采用的技术方案为，提供一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法，其包括如下步骤：步骤s1，构建含热电联产机组和地源热泵的电热耦合型虚拟电厂结构；其中，所述电热耦合型虚拟电厂结构包括通过耦合装置联系的电力系统和热力系统，所述耦合装置包括热电联产机组以及热泵；步骤s2，针对电热耦合型虚拟电厂内部热能传输过程的热延时、传输损耗、蓄热特性进行分析，并进行动态建模，确定热网蓄热参与电力系统消纳风电的调节潜力；步骤s3，结合热电联产机组和热泵运行特性，根据所述调节潜力构建电热耦合型虚拟电厂的风电消纳模型；步骤s4，对所述风电消纳模型进行求解，获得电热耦合型虚拟电厂中各能源设备的出力方案，并对各能源设备的出力进行实时调整。优选地，所述热力系统至少包括：热源、热网和热负荷，所述热网分为一次热网和二次热网，一次热网首末两端分别建有换热首站和换热站；其中，一次热网和二次热网的物理网络通过换热站实现热量交换，在所述一次热网中存在热能传输延时和储热特性。优选地，所述步骤s2进一步包括：步骤s20，建立热网热能传输动态模型；在一次热网的供热管道中，确定其热能传输动态特性，所述热能传输包括热延时、传输损耗以及蓄热三方面；步骤s21，建立一次热网中热网节点与换热站模型。优选地，其特征在于，所述步骤s20进一步包括：s200，根据下述公式(1)确定供热管道两端温度变化的传输延迟传输延时τj：式中：τj为管道j的传输延时，单位为h；lj为管道j的长度，单位为m；vj为管道j中工质的流速，单位m/s；s201，获得同一管道中工质入口温度与出口温度在时间上的耦合关系，根据公式(2)确定工质从入口到出口不存在热量损耗：式中：τ为一个周期内的时段编号，τ＝1,2,…,n；为不考虑管道热损耗时管道j在τ时段的出水温度，单位为℃；为管道j在(τ-τj)时段的入口温度，单位为℃；s202，根据下式(3)获得管网内工质的传输损耗(温度降低)：a＝kj/(qjcw)(4)式中：为考虑管道热损耗时管道j在τ时段的出水温度，单位为℃；kj为管道漏热损失系数，单位为w/(m·℃)；cw为水的比热容，单位为kj/(kg·℃)；lj为管道长度，单位为m；tam为管道周围环境温度，单位为℃。优选地，所述步骤s21进一步包括：步骤s210，根据下式(5)获得热网节点温度混合约束条件：式中：和分别为与节点n相连并从节点n结束和起始管道的集合；qτ,j和qτ,k分别为τ时段管道j和k的流量；为τ时段管道j的出水温度；为τ时段管道k的进水温度；步骤s211，根据下式(6)获得热网节点连续性约束条件：以下式(7)建立一次热网中的换热站的换热站模型：式中：qτ,i为τ时段负荷i处换热站换热量，kj；mτ,i为τ时段流经负荷i处换热站的热水质量，kg；和分别为τ时段负荷i处换热站的供水、回水温度，℃；步骤s212，以下式(8)确定换热站的换热量与热负荷关系如式(8)所示：式中：为τ时段负荷i处换热站的计算热负荷，kw。步骤s213，以下式(9)确定换热首站换热量与一次热网水温关系：式中：和分别为热电联产和热泵在τ时段的热功率，kw；mτ,w为τ时段流经换热首站的热水质量，kg；和分别为τ时段换热首站的供水、回水温度，℃；下标min和max分别表示温度的上、下限；步骤s214，以下式(11)确定管道温度约束条件：tj≤tmax(11)式中：tmax为规定的管道工质最高温度。优选地，所述步骤s3进一步包括：步骤s30，根据式(12)确定风电消纳目标：minc＝cgas+cwind(12)式中：c为系统总运行成本，单位为元；cgas为购天然气费用，单位为元；cwind为弃风成本，单位为元；kgas为单位体积天然气价格，单位为元/m3；为τ时段热电联产机组从上游天然气网购得的天然气的体积，单位为m3；kcut为弃风成本系数，单位为元/kwh；为τ时段风电预测功率，单位为kw；为τ时段风电消纳功率，单位为kw；步骤s31，确定基于热网蓄热特性的电热耦合型虚拟电厂风电消纳模型约束条件，包括：以下式(15)确定电功率平衡约束条件：式中：为热电联产在τ时段的电功率，单位为kw；以下式(16)和(17)确定热电联产模型约束条件：式中：η为气-热转化效率；以下式(18)确定热泵模型约束条件：式中：cop为能效系数；为τ时段热泵的电功率，单位为kw；以下式(19)-(21)确定能源设备出力限值及爬坡约束条件：式中：下标min和max分别表示出力的上、下限；和分别为热电联产机组出力向上、向下爬坡速率极限；以式(3)-(4)确定热网传输特性约束条件；以式(5)-(6)热网节点约束；以式(7)-(11)确定换热站约束条件。优选地，所述步骤s4进一步包括：采用非线性规划优化算法对所述风电消纳模型进行求解，电热耦合型虚拟电厂中各能源设备的出力方案。实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：本发明所提出的一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法，通过分析热网蓄热特性，对热能传输动态过程进行建模，可以反映热能输运过程的热延时、传输损耗和蓄热性；同时，本发明在考虑热网蓄热后，可使电热耦合型虚拟电厂内热电联产单元设备根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目标。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。图1为本发明提出的一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法一个实施例的主流程示意图；图2为图1中涉及的热耦合型虚拟电厂的结构示意图；图3为图2中涉及的热力系统的结构示意图；图4是本发明一个实施例中涉及的供热网络结构；图5是本发明一个实施例中涉及的负荷情况及风电预测出力曲线示意图；图6是本发明一个实施例中涉及的两种场景下系统风电消纳率示意图；图7是本发明一个实施例中涉及的两种场景下系统总热出力曲线示意图；图8是本发明一个实施例中涉及的场景1中热电联产及热泵热出力的示意图；图9是本发明一个实施例中涉及的场景2中热电联产及热泵热出力的示意图；图10是本发明一个实施例中涉及的场景1中热电联产及风机电功率的示意图；图11是本发明一个实施例中涉及的场景2中热电联产及风机电功率的示意图。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如图1所示，示出了本发明提出的一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法一个实施例的主流程示意图，一并结合图2至图3所示，在本实施例中，所述方法包括如下步骤：步骤s1，构建含热电联产机组和地源热泵的电热耦合型虚拟电厂结构；其中，所述电热耦合型虚拟电厂结构包括通过耦合装置联系的电力系统和热力系统，所述耦合装置包括热电联产机组以及热泵；所述电热耦合型虚拟电厂结构可参照图2所示；热电联产机组作为电热耦合元件联系起电力系统和热力系统，热泵通过电热负荷转换来解除热电联产机组部分电热耦合。在该系统内，可充分利用电力和热力的互补特性实现风电消纳和能源经济利用。如，电能传输的动态过程以纳秒到毫秒时间尺度描述，而热能传输动态以秒、分钟甚至小时级的时间尺度描述，电能易传输、难储存，热能易储存、难传输，从热源到用户的延时使得热网具有天然蓄热特性；步骤s2，针对电热耦合型虚拟电厂内部热能传输过程的热延时、传输损耗、蓄热特性进行分析，并进行动态建模，确定热网蓄热参与电力系统消纳风电的调节潜力；步骤s3，结合热电联产机组和热泵运行特性，根据所述调节潜力构建电热耦合型虚拟电厂的风电消纳模型；步骤s4，对所述风电消纳模型进行求解，获得电热耦合型虚拟电厂中各能源设备的出力方案，并对各能源设备的出力进行实时调整。在一个具体的例子中，如图3所示，所述热力系统至少包括：热源、热网和热负荷，所述热网分为一次热网和二次热网，一次热网首末两端分别建有换热首站和换热站；其中，一次热网和二次热网的物理网络通过换热站实现热量交换，在所述一次热网中存在热能传输延时和储热特性，换言之，热能传输延时和储热等特性主要体现在一次热网。在一个具体的例子中，所述步骤s2进一步包括：步骤s20，建立热网热能传输动态模型；在一次热网的供热管道中，确定其热能传输动态特性，所述热能传输包括热延时、传输损耗以及蓄热三方面；可以理解的是，在供热管道中，入口处的水温变化将缓慢扩展到出口，同一时段进入和流出管道的热水热量未必相等，热网可起缓冲能量、延时响应的作用。热能传输动态特性对热网中工质温度有直接的影响；步骤s21，建立一次热网中热网节点与换热站模型。在一个具体的例子中，所述步骤s20进一步包括：s200，工质从热源处吸收热量提高温度后，进入一级热网供水管道以一定的速度向热负荷运动。因此，热负荷处工质的温度变化滞后于热源处的温度变化。供热管道两端温度变化的传输延迟传输延时τj与热水流过管道的时间基本一致，可根据下述公式(1)确定供热管道两端温度变化的传输延迟传输延时τj：式中：τj为管道j的传输延时，单位为h；lj为管道j的长度，单位为m；vj为管道j中工质的流速，单位m/s；s201，获得同一管道中工质入口温度与出口温度在时间上的耦合关系，根据公式(2)确定工质从入口到出口不存在热量损耗：式中：τ为一个周期内的时段编号，τ＝1,2,…,n；为不考虑管道热损耗时管道j在τ时段的出水温度，单位为℃；为管道j在(τ-τj)时段的入口温度，单位为℃；可以理解的是，同一管道中工质入口温度与出口温度在时间上的耦合关系，是描述热网动态特性的关键；s202，由于热网中工质温度与环境温度的差异，传输过程中会有热损耗，具体表现为管网内工质温度的降低，结合式(2)，根据下式(3)的苏霍夫温降公式来获得管网内工质的传输损耗(温度降低)：a＝kj/(qjcw)(4)式中：为考虑管道热损耗时管道j在τ时段的出水温度，单位为℃；kj为管道漏热损失系数，单位为w/(m·℃)；cw为水的比热容，单位为kj/(kg·℃)；lj为管道长度，单位为m；tam为管道周围环境温度，单位为℃。可以理解的是，由于热能传输动态过程具有很大时间尺度，热水热量在管道入口处的变化要经过一定的延迟时间才能反映到出口处，热网可起缓冲能量、延时响应的作用，从而对外表现出蓄热特性。在一个调度周期内，管道中热水储存的总热量升高(或降低)，对应储热(或放热)情形，通过热水温度变化来体现。考虑了热网蓄热后，热能可跨时段转移，增加了热电联产机组的灵活性，有利于对风电的消纳。在本发明中，其一次热网采用质调节方式，即不改变热网中热水的质量流率，仅调节水温。在一个具体的例子中，所述步骤s21进一步包括：步骤s210，不同管道的热水流入相同节点后进行温度混合，混合后从该节点流出的热水温度相同，根据下式(5)获得热网节点温度混合约束条件：式中：和分别为与节点n相连并从节点n结束和起始管道的集合；qτ,j和qτ,k分别为τ时段管道j和k的流量；为τ时段管道j的出水温度；为τ时段管道k的进水温度；步骤s211，热网中工质应满足节点连续性方程，即任一时段τ内流经节点n的质量流率之和为零，可根据下式(6)获得热网节点连续性约束条件：对一次热网中的换热站，可仿照电力系统分析中计算负荷的概念，将负荷与损耗绑定在一起，成为换热站的计算负荷，在模型中代替用户负荷以及换热器与二次热网的热损耗。以下式(7)建立一次热网中的换热站的换热站模型：式中：qτ,i为τ时段负荷i处换热站换热量，kj；mτ,i为τ时段流经负荷i处换热站的热水质量，kg；和分别为τ时段负荷i处换热站的供水、回水温度，℃；步骤s212，换热站通过调节二次热网管道中的流量以具体满足用户热负荷的需求，以下式(8)确定换热站的换热量与热负荷关系如式(8)所示：式中：为τ时段负荷i处换热站的计算热负荷，kw。步骤s213，换热首站连接着热源与一次热网，以下式(9)确定换热首站换热量与一次热网水温关系：式中：和分别为热电联产和热泵在τ时段的热功率，kw；mτ,w为τ时段流经换热首站的热水质量，kg；和分别为τ时段换热首站的供水、回水温度，℃；下标min和max分别表示温度的上、下限；步骤s214，为保证运行安全，管道中工质温度不可超过工程标准，以下式(11)确定管道温度约束条件：tj≤tmax(11)式中：tmax为规定的管道工质最高温度。在一个具体的例子中，所述步骤s3进一步包括：步骤s30，基于热网蓄热特性的电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略的目标是在满足电、热负荷及运行约束的条件下，通过合理安排各能源设备的出力，使系统总运行成本最低。为促进风电消纳，将弃风成本加入系统运行总成本中，根据式(12)确定风电消纳目标：minc＝cgas+cwind(12)式中：c为系统总运行成本，单位为元；cgas为购天然气费用，单位为元；cwind为弃风成本，单位为元；kgas为单位体积天然气价格，单位为元/m3；为τ时段热电联产机组从上游天然气网购得的天然气的体积，单位为m3；kcut为弃风成本系数，单位为元/kwh；为τ时段风电预测功率，单位为kw；为τ时段风电消纳功率，单位为kw；步骤s31，确定基于热网蓄热特性的电热耦合型虚拟电厂风电消纳模型约束条件，包括：以下式(15)确定电功率平衡约束条件：式中：为热电联产在τ时段的电功率，单位为kw；以下式(16)和(17)确定热电联产模型约束条件：式中：η为气-热转化效率；以下式(18)确定热泵模型约束条件：式中：cop为能效系数；为τ时段热泵的电功率，单位为kw；以下式(19)-(21)确定能源设备出力限值及爬坡约束条件：式中：下标min和max分别表示出力的上、下限；和分别为热电联产机组出力向上、向下爬坡速率极限；以式(3)-(4)确定热网传输特性约束条件；以式(5)-(6)热网节点约束；以式(7)-(11)确定换热站约束条件。在一个具体的例子中，所述步骤s4进一步包括：采用非线性规划优化算法对所述风电消纳模型进行求解，电热耦合型虚拟电厂中各能源设备的出力方案。为了进一步理解本发明，下述结合具体的例子对本发明的实施效果进行说明，一并结合图4至图11所示。在本发明的一个具体的例子中，选取一10节点供热网络，其结构如图4所示。在nd1处建有换热首站，nd5～nd10处建有换热站。负荷情况及风电预测出力如图5所示。热网结构参数见表1，其它数据见表2。表110节点供热网络参数表2电热耦合型虚拟电厂相关参数参数数值参数数值kj2w/(m·℃)η3.59cw4.2kj/(kg·℃)cop2.5tam0℃kgas1.72元/m3ε1.11vj1m/skcut0.2元/kwh然后构建两种典型场景进行对比：场景1：考虑热网蓄热特性的风电消纳策略；场景2：不考虑热网蓄热和延时的风电消纳策略。场景1中目标函数如式(12)所示。调度周期为24h，调度间隔δt＝0.5h。两种场景下系统运行成本如表3所示。表3两种场景下系统运行成本运行成本(元)弃风成本(元)总成本(元)场景133395.423292.06436687.48场景235806.706093.37741900.08根据上述表格可见：场景1中系统运行成本、弃风成本和总成本相较场景2中均有所下降。其中，运行成本可节省6.7％，弃风成本可节省46.0％，总成本可节省12.4％。这表明本发明方法在降低弃风率的同时，也具有很好的经济性。两种场景下风电消纳率如图6所示。可见：在0：00-3：00，场景2系统风电消纳率普遍低于0.6，弃风情况较为严重。而这一时段内场景1系统风电消纳率明显高于场景2，最显著的时段为1：00时，场景1风电消纳率比场景2提升约76.2％。在21：00-24：00和次日3：00-5：30时段内，场景1风电消纳率也高于场景2。本发明方法能有效提升系统风电消纳水平。两种场景下系统总热出力情况如图7所示。对比图5与图7可见：场景2中一天之内系统总的热出力较为平稳，且基本追踪一天内热负荷的变化。而场景1中系统总热出力在23：00-次日5：30时段内均小于场景2，此时段内系统风电预测出力大、电负荷需求较小，热电联产不宜以较大出力运行；在16：30-20：30时段内，场景1中系统总热出力均大于场景2，此时段内系统风电预测出力较小、电负荷需求大，热电联产应以较大出力运行。这表明考虑热网蓄热特性后系统可实现热负荷跨时段转移。两种场景下一天中系统热电联产和热泵热出力的变化如图8及图9所示。在21：00-次日5：30，场景1中热电联产热出力小于场景2；在16：30-20：30，场景1中热电联产热出力大于场景2，上述现象与图7的结论相一致。这表明：在本发明运行策略中，由于考虑了热网的蓄热特性，热电联产可根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，在风电预测出力大、电负荷需求小的时段降低出力；在风电预测出力小、电负荷需求大的时段提高出力。热电联产的上述运行特性是考虑热网蓄热特性后系统实现热负荷跨时段转移的内在原因。两种场景下一天中系统热电联产及风机电功率的变化如图10及图11所示。对比两图可见：在0：00-3：00，场景1中系统消纳的风电功率显著高于场景2，而两种场景下系统总电功率(热电联产与风机电功率之和)相等。结合前述分析，这一时段内场景2弃风情况较为严重，主要是受热泵最大出力的限制。由于场景1系统实现了热负荷跨时段转移，该时段内热电联产出力大幅降低，系统用电需求更多地由风电提供，达到了消纳风电的目的。此外，在16：30-20：30，场景1中热电联产虽提升了出力，但风电消纳率并未因此降低。结合图7、图8可见，该时段场景1中热泵的出力大于场景2，场景1利用热泵和热网蓄热特性消耗了系统多余的电能，保证该时段的高风电消纳率。综合一天的情况看，本发明提出的方法能有效提升系统风电消纳水平、降低弃风成本。由于运行成本低的风电在系统一天的用能中占据了更大比重，故而系统运行成本也有所降低，最终使系统一天内的用电总成本降低。实施本发明的实施例，具有如下的有益效果：本发明所提出的一种电热耦合型虚拟电厂的风电消纳策略获取方法，通过分析热网蓄热特性，对热能传输动态过程进行建模，可以反映热能输运过程的热延时、传输损耗和蓄热性；同时，本发明在考虑热网蓄热后，可使电热耦合型虚拟电厂内热电联产单元设备根据系统风电预测出力和电负荷需求调整自身出力，实现系统热负荷跨时段转移，最终达到提升系统风电消纳水平、降低系统一天内用能总成本的目标。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3