有效利用风电弃风电量实现农业大棚清洁供热方式的研究

2016-03-23李天昊

风能 2016年7期

文|李天昊

文|李天昊

东北、蒙东地区风电并网容量大，但地区用电负荷不足，电力外送容量有限，导致地区风电消纳问题十分严重。尤其在供热季热电联产机组与风电出力的矛盾造成弃风限电问题更加突出，成为限制地区风电进一步发展的关键问题，亟须解决。随着电力体制改革进一步深入，风电公司作为发电单位也可以开展售电侧的业务，这就为风电公司更加主动地参与到风电消纳工作中提供了可能性。因此，本文在这种政策背景下，提出了风电公司就近开展利用自身弃风电量实现农业大棚清洁供热的技术思路，将现有的农业大棚小型燃煤锅炉供热改造成利用弃风电量供热的清洁供热方式，从而有效提高供热季地区用电负荷，同时还利用风电供热系统中的储热装置与风电出力之间的协调配合，进一步提高地区风电的消纳能力。

风电供热系统运行控制方法与储热参数优化设计

一、风电供热系统协调优化控制方法

以我国某省级电网的实际数据为例进行仿真计算，系统参数如表1所示。

系统中负荷、风电出力极限和热电联产机组供热负荷曲线分别如图1所示，仿真计算得到系统消纳的风电曲线和弃风功率曲线如图2所示。从图2可以看到，系统中的弃风主要出现在晚上风电出力大发的时候，系统的弃风电量达到了8848.5MWh。

表 1 算例系统参数

假设风电供热大棚的热负荷曲线如图3所示。从风电大棚的负荷曲线和弃风的曲线来看，如果没有储热装置，则系统不可能满足大棚的供热热负荷的需求，因而必须要有储热装置。

取电供热装置的加热功率为500MW，储热装置的储热容量为2500MWh，换热器的换热功率极限为500MW。

进行仿真计算的结果如图4所示。从图中可以看到，加入了风电供热大棚以后，新增的风电消纳如图中红色虚线所示，受到电供热功率限制，在系统中风电出力处于较高阶段时，新增风电消纳最大功率只能达到500MW，在一天时间段内，共新增风电消纳为5032.1MWh，此时系统总弃风为3816.4MWh。实际系统中新增的风电消纳受系统中总的热负荷限制，系统中总的热负荷为4763.2MWh，其与风电消纳的差额为系统中储热的热损失。

风电大棚中各部分的热功率分别如图5所示。从图中可以看到，在系统中风电大发并且出现弃风的时段，风电大棚利用弃风电量进行制热，在满足农业大棚供热负荷的同时，将多余的热量储存在风电供热系统中的储热装置里。在系统中没有弃风的时段，风电供热系统将停止电制热，此时风电供热系统释放储热装置中的热量来给风电大棚供热，满足大棚的热负荷需求。通过含储热的风电供热系统与风电场的协调运行，使得农业大棚只利用风电场的弃风电量来供热，从而在提高系统的风电消纳能力同时，为争取较低的供热电价提供了技术保障。

二、风电供热系统储热装置的储热容量和换热功率设计方法

在风电供热大棚中，储热装置将有弃风时段的弃风功率进行存储，而在无弃风时段释放存储的能量，满足风电大棚的热负荷需求。储热装置的储热容量大小对应于能够转移的热量的多少，被转移的热量最终是要满足系统的热负荷需求；储热装置的换热功率和系统电制热的功率决定了系统电制热的情况和热量转换的情况。在系统弃风功率曲线一定的情况下，对应于一定的电制热功率，需要满足系统的热负荷需求，应当有最小的储热容量满足当前电制热的需求。风电大棚供热能够减小的弃风，实际由风电供热大棚的热负荷决定。下面进行具体仿真说明。

分别取不同的弃风制热功率，求满足最小需求的储热容量，及此时换热器的最大换热功率，如表2所示。

表 2 不同制热功率下的最小储热容量及换热器最大功率

从表2中可以看到，在不同的电制热功率下，风电供热大棚的最小储热容量均为2043MWh，而系统的弃风量随着电制热功率的增加而有微弱减小，主要是因为优化过程中的优化目标为系统的弃风量最小值，在电制热功率变大时，则储热装置更容易达到其最大储热容量。而储热装置的热损失是由储热装置的储热量决定的，因而在电制热功率变大时，大棚储热系统的热负荷损失会增加，导致系统的弃风量有所减小。

风电供热系统的消纳风电效益和技术经济性分析

一、农业大棚风电供热经济性的影响因素

农业大棚利用风电供热的技术经济性主要受以下几个因素的影响：

投资成本主要由以下两个因素决定：

（一）储热装置容量

大棚储热装置容量决定了应用储热的初期建设投资，是直接影响加装储热装置的经济可行性的决定性因素。这里的容量综合考虑了储热装置的储热容量以及相应的换热功率。不同储热容量和换热功率的储热装置所需的建设投资情况不同，带来的减少弃风的风电收益也不同，需要具体的计算评估。

（二）弃风情况

风电场的弃风情况直接影响到大棚利用弃风供暖的可行性，如果风电场弃风不够，则不能满足农业大棚的采暖需求，建设带有蓄热装置的农业大棚也就没有意义；而如果风电场的弃风一天24小时均存在，则储热装置的配备和建设需求可以极大减少，也会影响农业大棚采用弃风供热的经济性。

运行成本主要由以下两个因素决定：

（一）热负荷情况

热负荷情况主要影响风电供热大棚所需要消耗的电量，从前面的分析可知，所消耗的电量近似认为等于热负荷所需的能量。

（二）供热电价

供热电价可以通过与风电场协商决定，在本文中取从零至正常电价中间的值用于经济性分析。

二、算例分析

（一）成本收益估计

电供热储热系统的建设成本因为采用不同的储热技术，储热装置的造价也差别较大。显热储热装置的造价一般要低于相变储热装置的造价，但储热密度低，占地面积大。参考2015年国家科技支撑计划课题“基于热电解耦的电网风电消纳技术研究与示范”（课题编号2015BAA01B03）的项目建议书和可研报告，在热电联产机组处建造20MW/20MWh的中温相变储热装置，其造价约800万元，折算单位容量的造价约40万元/MWh。在电供热系统加装储热装置，可以根据不同的空间和资金条件选择相变或显热储热方案。当采用显热储热时，储热材料可选水、导热油或固体材料作为储热介质；如果采用相变储热，则可以选择不同相变温度的储热材料。因此电供热系统中的储热装置造价变化范围较大，但一般不会高于热电联产机组处的相变储热造价。为了便于分析，电供热系统加装储热装置的造价也参照热电联产机组的储热造价，取40万元/MWh。电供热系统中的电锅炉造价参考相关数据，约为6.7万美元/MW，折合人民币约为40万元/MW。

收益主要来自于蔬菜的收入，按照国华（通辽）风电有限公司的“电暖蔬菜大棚”项目的数据，600m2的蔬菜大棚每年可产蔬菜1.2万斤，蔬菜价格为每斤5元。

（二）评估结果及讨论

留一定的余量，取储热装置的加热功率为系统热负荷的最大值的1.5倍，储热容量根据热负荷的计算结果按照每日8点到18点的热负荷进行计算，取所有热负荷天数的最大值，乘以1.1作为裕度。则通过计算得到的风电供热大棚的储热装置的容量和换热功率如表3所示。

风电供热大棚的面积为4160m2，因而估算得到一年产蔬菜为8.32万斤，按照每斤5元算，收入为41.6万元。

一年的运行所消耗的电量为1346892kWh。如果取大工业低谷电价为0.3元/kWh，则一年的电费为40.4万元。

建设风电供热大棚的投资成本为5.4MWh*40万元/ MWh+0.9MW*40万元/MW＝252万元。

取不同的电价情况下系统运行以后的收益情况如图6所示。从图中可以看到，目前来看，风电供暖电价是影响农业大棚利用风电供暖经济性的主要因素，如果采用当前的大工业低谷电价，农业大棚几乎不可能收回成本，而考虑国家政策给予一定补贴，同时风电场牺牲部分利益的情况下，在取供暖电价低于0.1元/kWh时，则有可能在相对较短的年限（10年）内收回成本，且产生一定的经济效益。