储热提升风电消纳能力的实施方式及效果分析_陈磊

(2)
式中：Cb，Cv 分别为图 2(b)中电功率下限和上限对
第 17 期
陈磊等：储热提升风电消纳能力的实施方式及效果分析
4285
应直线的斜率；S 为电功率最大值。 在热负荷较高时，为满足汽轮机冷却需要，随
着抽汽量的增加抽汽式机组电出力的调整范围不 断缩小。如果该时段风电出力大，为保证风电有足 够的上网空间，一般要求抽汽式机组运行在最小凝 气工况(图 2(b) AB 段)，此时电出力也由热负荷确 定，也不具有调节的灵活性，如式(3)：
系统调峰能力不足是导致限电弃风的一个主 要原因[2]。我国风电发展的主要地区是“三北”地 区(指东北、华北、西北)，电源结构以燃煤火电机 组为主，调节能力较差。而且，供热季热电联产 (combined heat and power，CHP)机组的运行进一步 降低调节能力，使得弃风问题更为突出。供热季热 电联产机组为满足热负荷需求采用“以热定电”的 运行模式，调节能力受到很大限制，显著加大了系 统调峰能力不足的矛盾，产生大量弃风限电。此外， 风电场大量位于电网末端，本地负荷不足而外送通 道受限，也是导致弃风限电的一个重要原因[2]。
ABSTRACT: Thermal storage can be applied in combined electricity-heat system to enhance the flexibility of power system and improve wind power accommodation further. According to the coupling of power system and thermal system, thermal storage can be applied at combined heat and power unit and electric heating system. By controlling the thermal storage, the rigid coupling relationship between electricity and heat, namely, electricity being determined by heat, is broken, and the adjustment capacity of the system is enhanced. The dispatching models of combined heat and power unit and electric heating system with thermal storages were constructed. The thermal storage was included into the active power dispatching system of power systems with wind power. The effect of thermal storage in improving wind power accommodation was simulated with the actual data of a provincial power grid of China, and the different operation modes of thermal storages at different places were compared.
电网的实际数据，仿真分析了储热提升风电消纳能力的效 果，比较了不同应用位置储热在运行模式上的差异。
关键词：风电消纳；弃风；储热；热电联产；电供热
0 引言
我国风电产业近年来发展迅速，但弃风问题突 出。根据国家能源局统计，2013 年全国风电平均弃 风率为 10.74%，弃风电量约 162 亿 kW⋅h[1]。风电 消纳问题已成为风电产业持续健康发展需要解决 的关键问题。
为提高风电消纳能力，电力工作者提出了大量 措施，其中储能技术得到了广泛关注[3-6]。但目前， 大容量储能技术中除抽水蓄能技术相对成熟外，其 他储能方式在规模等级、设备形态、技术水平、经 济成本等方面都还有待加强[6]。为了解决风电和供 热机组之间的上网矛盾，文献[7-10]提出了热泵、
4284
中国电机工程学报
wenku.baidu.com
Pchp = Hchp / khp
(1)
式中 khp 为热电联产机组的热电比，1/khp 即为图 2(a) 中直线的斜率。
抽汽式热电联产机组从汽轮机的中压缸到低 压缸之间抽取一部分蒸汽作为热源对外供热，在满 足运行要求的条件下可以通过调节抽汽量的大小 来调整热电比，其电热特性可描述为
Cb Hchp ≤ Pchp ≤ S − Cv Hchp
第 35 卷
电锅炉等电制热的解决措施，文献[11-13]研究利用 储热提高热电联产机组调节能力。上述措施都已经 不再局限于电力系统，而是从电、热综合的角度进 行考虑。文献[14]对此进行了系统性的归纳，跳出 电力系统范畴，在电–热联合系统中解决可再生能 源消纳问题，利用大容量储热提高能源系统大时空 范围优化配置能力，提高可再生能源消纳能力。
1 储热提升风电消纳能力的实施方式
1.1 储热的应用位置 电力系统和热力系统联系紧密，在电源侧和负
荷侧都有结合点，电源侧通过热电联产机组相连， 负荷侧通过电锅炉、热泵等相连。因此，在电–热 联合系统中，应用储热的可选位置如图 1 中虚线框 所示，一是在源侧，一是在荷侧。在电源侧应用大 容量储热技术实现热电联产机组的热–电控制解 耦，打破“以热定电”的刚性约束，有效提高热电 联产机组的调节能力，增强电力系统的灵活性，解 决风电消纳问题。在负荷侧应用包含大容量储热的 风电供热系统，利用弃风电量实现清洁供热，既能 有效增加地区用电负荷，又能提高地区电力系统的 调节能力，促进可再生能源的就地消纳。下面对其 实施方式和作用机理分别进行阐述。
KEY WORDS: wind power accommodation; wind curtailment; thermal storage; combined heat and power; electric heating
摘要：在电–热联合系统中，应用大容量储热可提高电力系 统运行控制的灵活性，从而提升系统消纳风电的能力。根据 电力系统和热力系统的耦合关系，储热的应用位置包括热电 联产机组处和电供热系统处。通过对储热环节的控制，打破 以热定电的电–热刚性耦合关系，提高系统调节能力。构建 了包含储热的热电联产机组、电供热系统的调度模型，将储 热纳入包含风电的电力系统有功调度体系。基于我国某省级
水 可再生能源
发电
化石燃料
火电厂
热电联 产电厂
锅炉
水电厂
电 热
热泵和 电锅炉
电能 需求
热需求
图 1 储热的应用位置 Fig. 1 Application places of thermal storage
1.2 包含储热的热电联产机组 1）不加储热。 热电联产机组的输出电功率与对外供热功率
之间的耦合关系被称为机组的“电热特性”。热电 联产机组主要有两种，背压式和抽汽式。图 2 分别 给出了背压式和抽汽式热电机组的典型电热特性 曲线[9]。
Pchp = Cb Hchp = Hchp / khp
(3)
我国北方地区大量火电机组为热电联产机组， 冬季供热期夜间负荷低谷，而供热负荷却处于高 峰，采用“以热定电”模式的热电联产机组出力水 平较高，剩余电力空间很小，而此时往往是风资源 较好的时段，由此造成大量“弃风”。
2）加装储热。 加入储热可以打破热电联产机组以热定电的 刚性约束，增加调节能力[11-13]。加入储热后热电联 产机组的运行模式变化如图 3 所示。传统热电联产 机组(图 3(a))如上一节所述，在冬季供热期一般受 “以热定电”的约束，机组的电出力跟热出力成比 例。加入储热后(图 3(b))，通过控制储热装置的储 热和放热，热电联产机组的热出力将不必与热负荷 实时平衡。这样热电机组将打破“以热定电”的刚 性约束而具有一定的调节灵活性，从而增强系统调 节能力，提升风电消纳。
Pchp
1/khp
Hchp (a) 背压式
S
-Cv
Pchp
B 最小凝汽量工况
Cb A
Hchp
(b) 抽油式
图 2 热电联产机组电热特性曲线 Fig. 2 Heat-electricity relationship of CHP unit
对于背压式热电联产机组来说，汽轮机背压排 汽通过汽–水换热器与热网水换热，并由热网实现 向热负荷供热。该类型机组电出力 Pchp 完全由其热 出力 Hchp 决定，即机组的热电比是固定的，如式(1) 所示。在供热期为实时满足热负荷需求，该类型机 组将不具有调节能力：
第 35 卷 第 17 期 2015 年 9 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.35 No.17 Sep. 5, 2015 ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 4283
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.17.001 文章编号：0258-8013 (2015) 17-4283-08 中图分类号：TM 73
文献[14]分析了包含大容量储热的电–热联合 系统应用前景，但缺乏对具体实施方式和应用效果 的分析，同时，文献[14]还指出，包含大容量储热 的电–热联合系统数学建模以及协调优化控制方 法，是电热联合系统应用的关键技术。文献[15]研 究了热电联产机组配置储热后的电热综合调度。本 文在上述研究工作的基础上，进一步详细研究了在 三北地区应用储热提升风电消纳能力的具体实施 方式，分别应用于热电联产机组处和电供热系统 处，并对调度模型和优化控制两个关键技术进行了 探讨，以实现提高风电消纳能力的目标，最后基于 我国某省级电网实际数据，对其效果进行了分析 验证。
储热提升风电消纳能力的实施方式及效果分析
陈磊 1，徐飞 1，王晓 2，闵勇 1，丁茂生 3，黄鹏 3
(1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市 海淀区 100084； 2．东北电力大学电气工程学院，吉林省 吉林市 132012；
3．宁夏电力调度控制中心，宁夏回族自治区 银川市 750001)
(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment (Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China;
基金项目：国家科技支撑计划项目(2015BAA01B03)；国家电网公 司科技项目(SGTJ0000KXJS1500072)；国网宁夏电力公司科技项目。
The National Science and Technology Infrastructure Program (2015BAA01B03); State Grid Corporation of China (SGTJ0000 KXJS1500072); State Grid Ningxia Electric Power Company.
Implementation and Effect of Thermal Storage in Improving Wind Power Accommodation
CHEN Lei1, XU Fei1, WANG Xiao2, MIN Yong1, DING Maosheng3, HUANG Peng3
2. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 3. State Grid Ningxia Electric Power Company, Yinchuan 750001, Ningxia Hui Autonomous Region, China)