提高风电接纳的储热系统容量优化配置

第38卷第4期2019年4月

电工电能新技术

Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy

Vol.38,No.4

Apr.2019

收稿日期:2018-03-15

基金项目:国家电网公司科技项目(基于新能源接纳的电网调度支持技术研究应用)㊁国家自然科学基金项目

(U1766204)㊁2017年吉林省发改委产业创新专项项目(2017C017-2)㊁吉林省教育厅 十三五 科学技术研究

项目(吉教科合字[2016]第88号)

作者简介:葛维春(1961-),男,辽宁籍,教授级高级工程师,博士,主要从事电力系统运行与控制㊁源网荷协同接纳调

控技术㊁智能电网调控技术等方面的研究;

李军徽(1976-),男,陕西籍,副教授,主要研究方向为新能源运行与控制㊁大规模储能技术(通讯作者)㊂

提高风电接纳的储热系统容量优化配置

葛维春1,李军徽2,马㊀腾2,李家珏3,高㊀凯1,杨继男1

,王顺江1

(1.国网辽宁省电力有限公司,辽宁沈阳110004;2.东北电力大学电气工程学院,

吉林省吉林市132012;3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁沈阳110006)

摘要:在东北地区,为保证冬季供暖需求,热电联产机组热出力较高,受热㊁电出力耦合关系限制,风电接纳空间有限㊂通过电锅炉等装置将电能转换为热能存储于储热系统可以起到减小负荷峰谷差㊁提高电网风电接纳能力的作用㊂以辽宁某地区供暖期风电并网受限的情况为例,以综合效益最大化为目标,考虑储热系统投资成本㊁运维成本㊁风热转化收益㊁节省供热燃煤收益㊁补偿收益等因素,建立一种储热系统辅助电网调峰的优化配置模型,通过模型求解得到最优储热系统容量配置㊂最后基于辽宁电网运行数据,通过算例验证了所提配置方法的有效性㊂关键词:风电;峰谷差;储热系统;综合效益

DOI :10.12067/ATEEE1803041㊀㊀㊀文章编号:1003-3076(2019)04-0064-07㊀㊀㊀中图分类号:TM734

1㊀引言

随着雾霾问题的日益恶化,大力开发清洁能源

成为解决环境问题的有效途径[1]㊂在可再生能源飞速发展的同时,以风电为代表的大规模新能源并网给常规电力系统带来了诸多问题[2]㊂根据国家能源局最新数据统计,2017年全国风电新增并网容量为1503万kW,累计并网装机容量达1.64亿kW,占全部发电装机容量的9.2%;平均弃风率仍高达

12%,弃风问题不容忽视[3,4]㊂

由于风电具有波动性㊁间歇性等特点,大规模风电并网给电网调峰带来巨大负担[5,6],为应对风电并网带来的调峰问题,最大化接纳风电,火电机组需

留有足够的向下调节空间[7]㊂在东北地区,由于冬季供暖需求较大[8],热电耦合特性限制了热电联产机组的调峰能力[9],如果进一步接纳风电将造成电网调峰机组进入非常规出力[10],可能导致机组启停

调峰,使冬季电网调峰问题愈加严峻[11,12]㊂

近年来,储热系统由于具有响应速度快㊁建设成

本低等调峰优势而受到广泛关注[13],储热系统响应速度可达分钟级,能够实现风电功率和能量的快速转移[14],储热系统完全有能力参与系统调峰[15],起到保护电力系统安全运行的作用[16,17],储热系统将成为未来能源互联网中的重要一环[18]㊂截至2017年底,辽宁地区风电装机占比达18.3%,并且建立了卧牛石等大型储能项目基地,故本文以辽宁地区为例进行分析㊂

对于储热辅助电网调峰问题已有相关的研究㊂文献[19]提出在热电联产电厂加装储热装置,实现热电联产机组与风电场的联合调度㊂文献[20]考虑风电场与热电机组的整体经济收益,提出了风电场与热电机组的联合运行策略㊂文献[21]考虑热电机组的热电耦合约束提出了一种计及配置储热装置的热电联产电厂及碳捕集电厂的电力系统优化调度模型㊂文献[22]以最低运行成本为目标,分别建立火电机组㊁热电联产机组㊁电储能系统和蓄热式电锅炉的数学模型研究其综合调度方法㊂文献[23]构建了含热泵的风电供热项目与弃风协调的灵活运

葛维春,李军徽,马㊀腾,等.提高风电接纳的储热系统容量优化配置[J].电工电能新技术,2019,38(4):64-70.

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行策略,并考虑其经济性,给出了确定风电供热项目最佳配置方案的方法㊂

本文针对辽宁地区冬季供暖期调峰能力不足情况,分析了大规模风电接入对系统调峰造成的影响以及弃风产生的原因,提出利用储热系统对电网负荷 削峰填谷 ,在保证电网稳定运行条件下,辅助电网调峰,提出提高风电接纳的储热系统调峰配置方法,并通过算例验证了本文所提配置方法的有效性㊂

2㊀风电接入引起的调峰问题分析

2.1㊀调峰问题分析

电力系统的安全性要求电力系统电能供需保持动态平衡,调峰机组需要适应电源变化以维持电力系统动态平衡㊂由于风力变化具有波动性㊁间歇性,导致风电出力难以控制,当风电出力较大而负荷需求较小时,调峰机组需压低其出力,如果仍然无法满足电力系统供需平衡,只能采取 弃风限电 的措施以保证电力系统的安全运行㊂

电网调峰示意图如图1所示㊂图1中曲线A 与曲线C 之差为系统峰谷差ΔP :

ΔP =P max -P min

(1)

式中,P max ㊁P min 分别为负荷最大值和最小值㊂

图1㊀电网调峰示意图[24]

Fig.1㊀Peak shaving diagram of power grid

2.2㊀电源结构分析

辽宁省电源结构以火电为主,其次为风电,调节能力较好的水电装机比较少,辽宁省各电源占比情况见表1㊂

表1㊀2017年辽宁省电源容量及其比例Tab.1㊀Power capacity and proportion of

Liaoning province in 2017项目装机容量/MW 占总装机容量比例(%)

总装机38852100火电㊀2474963.7风电㊀711018.3其他㊀

6993

18.0

火电机组包括热电联产机组和常规机组㊂由于冬季需要保证供暖,热电联产机组热出力需保持在一定水平,受热电耦合关系限制,热电联产机组电出力随热出力保持在较高水平㊂并且在夜间,居民及工业用电较少,为了保证电网供需平衡只能限制常规机组的出力,所以供暖期夜间调峰机组向下调节能力有限㊂火电机组出力与常规机组出力㊁供热机组出力的关系为:

P =P e +P re

(2)

式中,P 为火电机组出力;P re 为供热机组出力;P e 为常规机组出力㊂

2.3㊀调峰能力不足引起的风电接入受限分析目前,辽宁省风电装机容量占总装机容量的

18.3%㊂随着大规模风电接入电网,常规调峰机组在跟随负荷变化的同时,还需承担风电并网造成的调峰压力㊂

由于给定时段(22ʒ00~次日6ʒ00)需要保证供暖,热电联产机组受热电耦合特性限制,可接纳风电空间减小,造成大量弃风,弃风电量占可发电量的比例见表2㊂给定时段内平均弃风率达30.9%,在

0ʒ00~6ʒ00时段内弃风现象尤为严重,平均弃风率高达35.17%,风电接入严重受限,弃风现象亟待解决㊂

表2㊀22ʒ00~次日6ʒ00弃风电量占可发电量比例Tab.2㊀Proportion of curtailed wind power to power

generation from 22ʒ00to 6ʒ00next day

㊀㊀时段

弃风率(%)

22ʒ00~23ʒ0022.623ʒ00~0:00

25.10:00~1:0035.11:00~2:0035.12:00~3:0035.23:00~4:0035.24:00~5:0035.25:00~6:00

35.2

典型日风电出力与负荷曲线如图2所示㊂图2中22ʒ00~次日6ʒ00为风电大发时段,期间负荷处于低谷时期;12ʒ00~20ʒ00为风电出力低谷时段,期间负荷处于高峰时期㊂该典型日风电功率呈现 反调峰 特性,即负荷峰谷分布与风电场出力峰谷分布在时序上呈相反特性,这种特性将加大等效负荷峰谷差,加剧电网调峰负担㊂

冬季夜间热负荷较高,热电联产机组向下调节能力有限,式(3)为仅火电机组及风电机组供电时,