耦合电锅炉和储热的热电联合系统风电消纳分析

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2021.05.009
耦合电锅炉和储热的热电联合系统
风电消纳分析
金㊀齐ꎬ刘㊀红ꎬ尹洪超
(大连理工大学能源与动力学院ꎬ大连116024)
摘㊀要:冬季供暖期 以热定电 的运行模式限制了电力系统的灵活性ꎬ导致风电消纳能力不高ꎬ因此需要加强对电网和热网的协调调度ꎮ文中建立了一个包含电锅炉和储热装置的热电联合系统优化调度模型ꎬ并以一个实际的案例为例ꎬ分析了四种场景下系统的风电消纳情况和运行成本ꎮ结果表明ꎬ电锅炉和储热装置在风电消纳机理上有明显不同ꎬ电锅炉更能够增强系统的风电消纳能力ꎬ而储热装置更容易降低系统的运行成本ꎬ电锅炉与储热装置的协调运行可使系统的风消纳能力和运行成本达到最优ꎮ
关键词:风电消纳ꎻ电锅炉ꎻ储热ꎻ优化调度
中图分类号:TM73㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1009-3230(2021)05-0030-06
AnalysisofWindPowerAccommodationinCombinedHeatandPower
SystemsIncludingElectricBoilerandHeatAccumulator
JINQiꎬLIUHongꎬYINHong-chao
(SchoolofEnergyandPowerEngineeringꎬDalianUniversityofTechnologyꎬ
Dalian116024ꎬChina)
Abstract:The Electricitybyheat modeoftheCHPduringtheheatingseasonrestrictstheflexibilityofthepowersystemandleadstolowwindpoweraccommodationcapacityꎬsoitisnecessarytoenhancethecoordinatedschedulingofthepowergridandheatnetwork.Inthispaperꎬanoptimalschedulingmodelofcombinedheatandpowersystemincludingelectricboilersandheataccumulatorisestablishedꎬandthewindpoweraccommodationandoperationcostofthesystemunderfourscenariosareanalyzedinarealcase.Theresultsshowthatelectricboilerandheataccumulatorissignificantlydifferentinwindpoweraccommodationmechanismsꎬandelectricboilerismorecapableofenhancingthewindpoweraccommodationcapacityꎬwhileheataccumulatorismorelikelytoreducetheoperatingcostsofthesystemꎬandthecoordinatedoperationofelectricboilerandheataccumulatorcanoptimizethewindpoweraccommodationcapacityandoperatingcostsofthesystem.Keywords:windpoweraccommodationꎻelectricboilerꎻheataccumulatorꎻoptimization
0㊀引㊀言
收稿日期:2021-03-16㊀㊀修订日期:2021-04-21基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFA0700300)
作者简介:金㊀齐(1996-)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为热
电综合能源系统统一建模与优化ꎮ
我国北方地区供热期热电联产机组(CHP)
以热定电 的运行方式使得机组调峰能力受限ꎬ严重限制了电力系统的灵活性[1]ꎬ与可再生能源
随机性㊁波动性强的特点相矛盾ꎬ无法满足新能源发电高比例并网的要求ꎮ因此需要深入研究热能和电能的协调方法ꎬ以实现热能和电能的协调调度ꎮ热能相比于电能ꎬ热能的易存储㊁难传输与电能的易传输㊁难存储存在着天然的互补特性[2]ꎬ然而电力系统和热力系统往往作为两个独立的系统分开运行ꎬ难以统一规划调度ꎬ严重阻碍了热能
与电能的协调互补[3]ꎮ因此对热能和电能进行联合分析和优化ꎬ对于实现热能和电能的协调互补ꎬ提高能源利用效率和可再生能源的消纳能力具有十分重要的意义ꎮ
热电联合调度方案主要可分为以下三个方面:(1)对于抽汽式CHP机组ꎬ通过改变抽汽量的方式改变CHP机组的热电比ꎬ可在一定程度上提高CHP机组的灵活性[4]ꎻ(2)以系统的运行成本最小或可再生能源的消纳比例最高为目标ꎬ在设备容量和供需平衡的约束下ꎬ对包含可再生能源的热电联合系统进行优化调度[5-6]ꎻ(3)在热电联合系统内增加电锅炉或者储热装置ꎬ增强电能和热能的转换关系ꎬ以提高系统的灵活性[7-8]ꎮ本文在上述研究内容的基础上ꎬ以系统的运行成本最低为优化目标ꎬ以一个实际应用案例为例ꎬ建立了热能和电能的联合优化调度模型ꎬ对比分析了在系统中分别添加电锅炉和储热装置等不同场景对系统的运行调度策略㊁各设备的出力情况以及风电消纳能力的影响ꎬ并进一步研究了系统在不同场景下的风电消纳机理ꎮ本文的研究内容旨在对电锅炉和储热装置在实际能源系统中的具体应用提供理论指导ꎮ
1㊀包含电锅炉和储热的热电联合系统
热电联合系统是一个包含电力网络和供热网络以及热电耦合设备的统一有机整体ꎬ电力网络和供热网络通过热电耦合设备相互影响和交互ꎮ电热联合系统有多种不同的能源结构形式ꎬ本文所研究主要为一个包含热电联产机组㊁风力发电㊁电锅炉和储热罐等装置的热电联合系统ꎬ其中电力网络和供热网络通过CHP㊁电锅炉和循环泵实现热能与电能的耦合转换ꎮ以下分别对它们的数学模型进行介绍ꎮ
(1)热电联产机组
热电联产机组主要可以分为背压式热电联产机组和抽凝式热电联产机组两种类型[9]ꎮ背压式机组的热电比基本不可调节ꎬ而抽凝式机组可以通过改变抽汽量的方式在一定范围内调节机组运行的热电比ꎮ
背压式机组热功率出力与电功率出力的关系如式(1)所示:
ψ=HCHP
PCHP(1)式中ꎬPCHP为机组的电功率出力ꎻHCHP为机组的热功率出力ꎻψ为机组的热电比ꎮ
抽凝式机组热功率出力与电功率出力的关系如式(2)所示:
χ=HCHP
Pcon-PCHP(2)式中ꎬχ是抽凝式机组的运行特性参数ꎬ表示因抽取蒸汽而产生的热功率增加量与电功率减少量的比值ꎻPcon表示当机组在纯凝模式下时的电功率出力ꎮ
(2)电锅炉
电锅炉是一种通过电流的热效应将电能转换为热能的供热设备ꎮ电锅炉的热效率是电锅炉将电能转换为热能的主要参数ꎬ其关系式为:
ηEB=HEBP
EB
(3)式中ꎬηEB为电锅炉的热效率ꎻHEB为电锅炉的供热功率ꎻPEB为电锅炉消耗的电功率ꎮ(3)循环泵
循环泵是维持载热流体在供热网络中循环流动的机械设备ꎬ通过将电能转化为机械能ꎬ为流体的流动提供压力ꎮ循环泵的电功率与流量和扬程有关ꎬ关系如下式所示:
Pp=
̇mgh

106ηp(4)式中ꎬPp表示循环泵消耗的电功率ꎻ̇m表示经过循环泵的质量流量ꎻhp表示循环泵的扬程ꎻηp表示循环泵的效率ꎻg表示重力加速度ꎮ(4)储热装置
储热装置一般是根据热量的供求关系ꎬ将热量进行短期存储和释放的容器设备ꎮ当储热装置的热损失忽略不计时ꎬ储热装置内部存储的热量
与其热功率出力的关系如式(5)所示:
QtS=Qt-1S-HtSΔt
(5)
式中ꎬQtS为装置在t时段后剩余热量ꎻQt-1S为装置在t-1时段后的剩余热量ꎻHtS为装置在t时段的热出力ꎮ当HtS大于零时ꎬ装置向外释放热量ꎻ当HtS小于零时ꎬ装置向内存储热量ꎮΔt为时间间隔ꎮ
2㊀热电联合系统调度模型
为了分析电锅炉和储热装置对降低运行成本
的作用ꎬ并分析二者对系统的运行策略和风电消纳能力的影响ꎬ本节以系统的运行成本最低为目标ꎬ建立了热电联合系统的优化调度模型ꎮ2.1㊀目标函数
本文建立的优化调度模型以系统的运行成本最低为优化目标ꎬ系统的运行成本主要包括:热电联产机组的燃料成本和外购电成本ꎬ其表达式如式(6)所示:
minðN
i=1ðT
t=1[(aiPiCHPꎬt2+biPiCHPꎬt+ci)+νtPEꎬt]
(6)
式中ꎬNꎬT分别为热电联产装置数和时段数ꎻai㊁bi㊁ci均为CHP机组相应的成本系数ꎬPiCHPꎬt为第i台机组在t时段的电功率出力ꎻνt为t时段的电价ꎻ
PEꎬt为t时段的外购电量ꎮ2.2㊀约束条件
模型的约束条件除包括式(1)-式(6)所示的设备模型约束外ꎬ还应包括电网平衡和热网平衡的等式约束条件以及各设备的出力限制的不等式约束条件ꎮ
(1)电网平衡约束
电力系统的平衡可分为有功功率平衡和无功功率平衡ꎬ对于每一个节点ꎬ它们均可用电网的潮流方程表示:
Pi=UiðkUk(Gikcosφik+Biksinφik)
Qi=Uiðk
Uk(Giksinφik-Bikcosφik)ìîí
ïï
ïï(7)式中ꎬi㊁k分别为节点的编号ꎻP为节点的有功功
率ꎻQ为节点的无功功率ꎻU为节点的节点电压幅值ꎻG为节点之间的电导ꎻB为节点之间的电纳ꎻφ为节点之间的电压相角ꎮ
(2)热网平衡约束
热网的平衡约束可分为水力平衡约束和热力平衡约束ꎮ对于水力平衡ꎬ由流量连续方程可知ꎬ流入热网节点i的所有质量流量之和等于流出该节点的所有质量流量之和ꎬ即:
ðjɪi
̇m
(j)()in

ðjɪi
̇m
(j)()out
(8)
式中ꎬj为与节点i相连的对应的支路编号ꎻ̇m为支路的质量流量ꎮ
此外ꎬ水力平衡还应考虑流体流动过程中的压力损失ꎬ即沿着基本闭合回路上所有支路两端水头损失的代数和等于零ꎮ如式(9)所示:
ðjɪl
(k(j)̇m(j)2+hp(j)+hz(j))=0
(9)
式中ꎬl为基本闭合回路的编号ꎻj为属于基本闭合回路s中的支路的编号ꎻk为支路的管道阻力特性系数ꎻhz为支路的末端与始端的高度差ꎻhp为管道附件的压强水头ꎮ
对于热力平衡ꎬ由能量守恒知ꎬ流入热网节点i的所有热量之和等于流出该节点的所有热量之和ꎬ即:
ðjɪi
(m(j)Tin(j))=
ðjɪi
(m(j)Tout(j))(10)
式中ꎬTin和Tout分别为支路的进口温度和出口温度ꎮ
考虑热网中流体在管道内流动时因向环境散热而产生的的能量损失ꎬ应有:
λ(i)L(j)ΔT(j)=̇m
(j)cp(Tin(j)-Tout(j))(11)式中ꎬλ为支路的散热系数ꎻL为支路的长度ꎻΔT为散热温差ꎻcp为流体的比热容ꎮ
(3)热电联产机组出力约束热电联产机组的出力受其最大功率和爬坡速
率的限制ꎬ即:
PtCHPɤPCHPꎬmax
(12)|PtCHP-Pt-1
CHP|ɤRCHP
(13)
式中ꎬPCHPꎬmax㊁RCHP分别是热电联产机组的最大发电功率和最大爬坡速率ꎮ
(4)储热装置出力约束
与热电联产机组类似ꎬ储热装置的出力也受其容量和充放热功率所限制ꎬ即对所有的时段tꎬ都有:
QtSɤQSꎬmax(14)
|HtS|ɤRS(15)式中ꎬQSꎬmax㊁RS分别为储热装置的最大储热容量和充放热的速率ꎮ
由于储热装置本身不能够产生热量ꎬ为了维持储热装置充放热的连续性ꎬ需要保证储热罐在周期结束时存储的热量等于初始时刻罐内存储的热量ꎬ即一个周内储热装置充放热的总和等于零ꎮ
ðtHtS=0(16)㊀㊀(5)电锅炉出力约束
电锅炉的出力受其所消耗的最大电功率的限制ꎬ即:
PtEBɤPEBꎬmax(17)式中ꎬPEBꎬmax为电锅炉的最大功率ꎮ(6)风电出力约束
风电出力受当地的风力条件所限制ꎬ风电的电出力不能超过当地的风力发电的预测值ꎮ
PtwɤPtwꎬmax(18)其中ꎬPtwꎬmax为t时段风电最大出力的预测值ꎮ3㊀算例分析
3.1㊀算例数据
为了对电锅炉和储热装置对风电消纳的影响效果和影响机理进行分析ꎬ基于本文所建立的优化调度模型ꎬ以某实际热电联合系统为例进行优化ꎮ系统的拓扑结构图可简化为如图1所示ꎮ系统的所有负荷可简化为6个电负荷和8个热负荷ꎮ电负荷通过CHP机组和风力发电进行供电ꎬ供电不足部分可向外部电网进行购电作为补充ꎻ热负荷通过CHP机组进行供热ꎮ系统的逐时总负荷和风电预测出力情况如图2所示

图1㊀
热电联合系统结构拓扑图
图2㊀系统的逐时总负荷与风电出力预测
以图1所示的案例为例ꎬ本文分别优化得到了在系统中加入电锅炉和储热装置等四种不同场景下的调度方案ꎬ并对四种场景下的优化结果进行了分析ꎮ四种优化场景的配置见表1ꎮ
㊀表1四种优化场景
场景1场景2场景3场景4电锅炉无有无有
储热装置无无有有3.2㊀优化结果分析
(1)不同场景优化效果分析
在一个调度周期内ꎬ四种场景下系统的风电消纳比例和运行成本见表2ꎮ
㊀表2
不同场景下风电消纳比例和运行成本风电消纳比例/%
CHP成本/万元购电成本/万元总成本/万元场景156.123.500.604.10场景289.443.000.603.60场景359.323.490.003.49场景4
93.28
2.99
0.00
2.99
㊀㊀根据表2的优化结果ꎬ就提升风电消纳效果而言ꎬ场景4>场景2>场景3>场景1ꎻ就降低系统运行成本效果而言ꎬ场景4>场景3>场景2>场景1ꎮ可知加装电锅炉场景的风电消纳能力要优于加装储热装置ꎬ而加装储热装置比加装电锅炉更能降低系统的运行成本ꎮ
(2)电锅炉和储热装置风电消纳机理研究为了研究电锅炉和储热装置的风电消纳机理ꎬ分别对比分析了系统在场景2(加装电锅炉)㊁场景3(加装储热装置)和场景4(加装电锅炉和储热装置)下热网与电网所承担实际电负荷㊁实际热负荷的逐时分布与场景1(未加装电锅炉与储热装置)下原电负荷㊁原热负荷的逐时分布ꎮ对比结果分别如图3-图5所示

图3㊀场景2下逐时负荷对比
由图3知ꎬ在加装电锅炉时ꎬ系统的电负荷在低谷时被提高ꎬ而热负荷在高峰时被降低ꎬ因此电锅炉是通过对电负荷进行 填谷 ꎬ并对热负荷进行 削峰 ꎬ
从而消除系统热负荷和电负荷在不同
图4㊀场景3
下逐时负荷对比
图5㊀场景4下逐时负荷对比
的时段的峰谷差ꎮ由图4可知ꎬ在加装储热装置时ꎬ系统电负荷并未受影响ꎬ即原电负荷与实际电负荷在图4中显示为同一条线ꎮ而热负荷则在高峰时被降低ꎬ在低谷时被提高ꎬ即储热装置将高峰时段的部分热量需求转移给了低谷时段ꎬ从而降低电热之间的负荷峰谷差ꎮ由于储热装置本身并不能产生热量ꎬ且受设备的容量限制ꎬ对热量的转移能力有限ꎬ因此这种方式提升风电消纳的能力
不大ꎬ但可显著降低外购电成本ꎮ根据图5可知ꎬ当同时加装电锅炉和储热装置时ꎬ系统既可实现电负荷和热负荷的 削峰填谷 ꎬ也可对不同时段的热量需求进行转移ꎬ因此在四种场景中ꎬ场景4提高风电消纳的能力和降低系统运行成本的效果
均为最好ꎮ
4㊀结束语
本文建立了考虑电锅炉和储热装置的热电联合系统优化调度模型ꎬ并以一个实际的案例分析了四种不同场景下的风电消纳效果和消纳机理ꎬ研究结果总结如下:
(1)在系统加装电锅炉和储热装置均可提高风电消纳能力并降低系统的运行成本ꎬ其中加装电锅炉场景的风电消纳能力要优于加装储热装置ꎬ而加装储热装置比加装电锅炉更能降低系统的运行成本ꎮ
(2)电锅炉主要是通过对电负荷和热负荷分别进行 填谷 和 削峰 ꎬ以消除系统热负荷和电负荷在不同的时段的峰谷差ꎬ从而显著增强风电的消纳能力ꎬ但电锅炉并不能减少外购电的成本ꎮ
(3)储热装置主要是通过周期性的储热和放热将系统在高峰时段的部分热量需求转移给了低谷时段ꎬ以降低电热负荷之间的峰谷差ꎬ但这种方式对热量的转移能力有限ꎬ因此提升风电消纳的能力不大ꎬ但可显著降低系统的外购电成本ꎮ
参考文献
[1]㊀李㊀平.考虑集中供热系统热动态特性的风电消纳研究[D].大连理工大学ꎬ2018.[2]㊀ZhengJꎬZhouZꎬZhaoJꎬetal.Functionmethodfordy ̄namictemperaturesimulationofdistrictheatingnet ̄
work[J].AppliedThermalEngineeringꎬ2017ꎬ123:682
-688.
[3]㊀YaoLꎬYangBꎬCuiHꎬetal.Challengesandprogressesofenergystoragetechnologyanditsapplicationinpow ̄
ersystems[J].JournalofModernPowerSystemsand
CleanEnergyꎬ2016ꎬ4(4):519-528.
[4]㊀张㊀磊ꎬ罗㊀毅ꎬ罗恒恒ꎬ等.基于集中供热系统储热特性的热电联产机组多时间尺度灵活性协调调
度[J].中国电机工程学报ꎬ2018ꎬ38(4):985-998. [5]㊀WuJꎬWangJꎬLiS.Multi-objectiveoptimaloperationstrategystudyofmicro-CCHPsystem[J].Energyꎬ
2012ꎬ48(1):472-483.
[6]㊀LiJꎬFangJꎬZengQꎬetal.Optimaloperationofthein ̄tegratedelectricalandheatingsystemstoaccommodate
theintermittentrenewablesources[J].AppliedEner ̄
gyꎬ2016ꎬ167:244-254.
[7]㊀陈㊀磊ꎬ徐㊀飞ꎬ王㊀晓ꎬ等.储热提升风电消纳能力的实施方式及效果分析[J].中国电机工程学报ꎬ
2015ꎬ35(17):4283-4290.
[8]㊀FangBꎬWangBꎬGaoDW.Optimaloperationstrategyconsideringwindpoweraccommodationinheatingdis ̄
trict[C].IEEEꎬ2016.
[9]㊀祝㊀平.热电联产热电机组的选型[J].应用能源技术ꎬ2003(4):1-2.。

相关文档
最新文档