大规模弃风储热供暖协调计算方法

葛维春

（国网辽宁省电力有限公司，辽宁省 沈阳市 110006）

0 引言

2015—2017年，东北弃风多达200亿kW⋅h，而这些弃风多发生在冬季取暖季，如果将这些弃风用于取暖，将增加大量清洁供暖面积，大幅降低弃风率、降低电采暖成本，对民生、环境和能源转型具有重大意义。

弃风储热供暖的核心问题是：弃风有多大，储热能力有多大，弃风和储热如何协调，3个问题相辅相成，缺一不可。

文献[1]认为储热罐作为一种蓄能手段能够从一定程度上实现供热机组热电解耦。基于机组回热系统热力学分析，定义抽汽-负荷增益系数，分析供热抽汽流量与机组发电负荷间的定量关系，进而获得变供热工况下的锅炉负荷定值。基于供热机组运行特性及热网加热器换热特性分析，对储热罐工作过程中的运行流量进行定值，对供热机组调峰能力区间进行定值约束，结果表明，所提增益系数能够精确计算变供热工况下机组运行参数，所提定值方法能准确直观地表现储热罐对供热机组调峰运行的影响能力和储热罐运行过程中的定值问题，定值结果为机组和储热罐的安全灵活运行提供指导。文献[2]针对中国西北、华北、东北(简称“三北”)地区冬季供暖期弃风现象日益严重的问题，在研究电负荷特性、热负荷特性与风电场出力特性相关性基础上，结合电网调峰、热网调峰特点，提出二级热网配置电锅炉进行日调峰的消纳弃风方案。分析了方案的消纳弃风机理，研究了调峰电锅炉的启停控制策略，构建了基于二级热网电锅炉调峰的电热联合系统优化调度模型，并分析了方案的经济性。研究表明，该方案能在降低热电机组热负荷峰值、“以热定电”所发电功率的同时增加电网负荷谷值，从而为风电上网留出更大空间，提升风电消纳率，且能为整个电热联合系统带来经济收益，文中肯定了“三北”地区冬季供暖期弃风现象日益严重，严重到什么程度尚需研究。文献[3]针对风电消纳问题，从解耦热电耦合约束、提升电力系统调节能力角度出发，提出基于含储热热电联产机组与电锅炉的弃风消纳协调调度模型，提出极限消纳弃风电量的电锅炉供热量计算方法，对比了储热装置不同工作方式以及含储热热电联产与电锅炉协调供热时的经济性。其结论对储热和电锅炉应用消纳弃风电量都具有指导意义。文献[4]针对确保电网安全，保证跨区域电力交易的正常进行，指出计算跨区域互联电网可用输电能力的方法。该方法仅需交换边界节点电压和购电用户有功负荷增长量即可准确地计算出跨区域互联电网的可用输电能力。首先，建立了适用于可用输电能力计算的外网等值模型，使各个区域从互联电网中解耦。同时，建立了虚拟的平衡节点和自动调节的边界注入功率，使各个区域可以进行独立的潮流计算。文献[5]提出一种风电场与含储热的热电联产形成共同体联合运行的调度模式，并基于该调度模式提出了考虑风电出力不确定性的联合系统优化调度模型。该模型充分利用储热带来的灵活性实现联合运行系统在上网收益和惩罚费用之间的协调，获得收益最高的风电场和热电联产联合优化运行的调度策略。文献[6]研究了通过电锅炉等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，缓解夜间火电机组调节负担，提高电网风电接纳能力的作用。文献[7]基于储能技术发展趋势和需求分析，展望了2050年电网功能形态中，技术常规发展和关键技术获得突破发展模式下储能的作用模式和应用场景。

上述研究成果突出了储能对消纳清洁能源的作用，本文将弃风电-储热-供暖统筹协调，形成弃风电储热供暖分析方法，对通过电网有效利用弃风电储热供暖更具实际意义。在风电水电协同运行[8-11]中，考虑储热供暖将会获得更大收益。

1 弃风电量评估

电网弃风与各种因素有关，最直接的方法是弃风电量历史数据分析，可以根据近3年弃风电量历史数据，评估有多少弃风电量可以利用。

假设一个电网提供了5年时间，一天96点风力发电和弃风电力数据，则可以计算出总的年风力发电量 Pw、弃风电量 Pq、弃风率&q、年取暖季弃风电量 Pwnq和弃风率&qn、取暖季低谷弃风电量 Pwndq和弃风电占比&qnd。年风力发电量 Pw如式(1)所示。

式中：PwIJK表示第I天、第J小时、第K时刻风力发电量。N代表一年 365天，M代表一天 24小时，K代表一小时有k个点；年弃风电总加Pq如式(2)所示：

式中：PwqIJK表示第I天、第J小时、第K时刻弃风电量。年弃风率&wq如式(3)所示：

年取暖季风力发电量Pwn如式(4)所示：

式中：N代表一年取暖季天数，辽宁是150天。年取暖季弃风率&wq如式(5)所示：

年取暖季低谷弃风力发电量 Pwndq如式(6)所示：

式中：N代表一年取暖季天数，辽宁是150天，

M代表一天1:00～7:00和21:00～24:00十个小时。年取暖季低谷弃风占比&qnd如式(7)所示：

通过式(1)—(7)即可计算出每年风力发电量、弃风电量和弃风率、年取暖季弃风电量和弃风率以及取暖季低谷弃风电量和弃风电占比。由这些数据可知有多少弃风电量可用，在什么时间用；年弃风电量能表明有多少弃风电量可用，取暖季弃风电量能表明取暖季有多少弃风电量可用，取暖季低谷弃风电量表明取暖季低谷有多少弃风电量可用；取暖季弃风率和取暖季低谷弃风电占比表明取暖季利用储热消纳弃风电情况。

2 储热应用技术

储热装置实现技术较多，但从应用角度大体可分为两类：热电厂或大型供暖网处安装大容量储热装置，这类储热装置具有柔性负荷特性，因为，它们都是与其他热源并联的，相当于热网的补充热源，而且优先使用，即当有弃风时，储热装置就满出力运行，无弃风时可用储存热量或其他供暖方式供暖，保证弃风储热供暖方式顺利实施；另一类是储热装置独立供暖，利用低谷时段储热，可供全天使用，这类负荷表面上利用的是低谷电，实际上，多数电量还是弃风电量，只要电网调度在每天安排日前计划时，充分考虑这部分负荷的调节能力。

2.1 集中储热运行原理

图1 集中式储热系统原理图Fig. 1 Schematic diagram of centralized heat storage system

安装在发电厂处的集中式储热装置原理如图1所示，储热装置通过220 kV/66 kV变压器给储热装置供电，储热装置通常包括 4个单元，4个单元与电网相联开关由远方电网调度控制；储热系统与热电厂相联开关由热网调度控制。对电网而言，每投入一组开关，就相当于减少发电厂上网电力PG，如式(8)所示：

其中储热装置负荷PC可由式(9)表示：

如果储热装置安装在大型热网处，分布式储热接线原理图如图2。

图2 分布式储热接线原理图Fig. 2 Principle diagram of distributed heat storage wiring

运行原理同安装在热网处相近，只是储热改变的是负荷，如式(10)所示：

相当于增加了负荷，给消纳弃风电提供空间。

2.2 分布式储热运行原理

分布式安装的储热装置由于单独供暖，其原理较简单，电网给储热安排的优惠电价开始时段就投入，退出有两个条件：一是储热温度达到上限，二是储热用电优惠时段结束。这类负荷运行时段固定在电价优惠时段，大小就是储热额定功率，其原理如图3所示。图中曲线表示的是储热在电网低谷时段开始时刻启动，在储热装置温度达到运行上限时退出，并且在低谷结束前再次启动补充储热量。

弃风储热供暖核心问题是式(9)所描述的储热能力，如果储热容量足够大，就能够消纳全部或大部分弃风电量，大幅降低弃风率；否则，仍有大量弃风现象发生。

图3 分布式储热运行原理图Fig. 3 Principle diagram of distributed heat storage operation

3 弃风储热供暖计算

弃风储热供暖核心是确定弃风电量与储热之间的关系、储热与供暖之间的关系。

3.1 弃风电量与储热容量之间的关系

储热容量与储热功率之间一般是A倍关系，即储热装置一天储热A小时，即可够一天使用，则弃风电量与储热容量关系如式(11)所示：

式中：Pcr表示储热总的功率；M 是一个取暖季天数。

根据式(11)即可计算弃风电量Pq折算成的储热电功率Pcr。

3.2 弃风电量与供暖面积之间的关系

已知弃风电量Pq，其与供暖面积G的关系可以由式(12)确定：

式中：α1为单位电量标准煤耗；α1表示单位面积标准煤耗量。

4 数值分析

以北方某省2013—2017年数据为例，计算出2013—2017年年风力发电量、弃风电量、弃风率、取暖季弃风电量、弃风率、取暖季低谷弃风电量和低谷弃风占比等数据，如表1所示。由表1可以看出，风力发电量逐年增加，4年增加近50%，而弃风率在2015年达到顶峰后，逐年下降，2017年降到10以下；取暖季弃风占比较大，从2014年开始几乎占到总弃风的90%，而取暖季低谷弃风占比却不到70%，有几乎40%的弃风电量不在低谷时段，因此，弃风储热关键是储热跟踪弃风，而不是固定时段的低谷。

表1 某省2013—2017年风力发电、弃风率、取暖季弃风和低谷弃风等数据表Tab. 1 Data sheet of wind power generation，abandoned wind rate, heating season abandoned wind and low valley abandoned wind in a province from 2013 to 2017

该省分布式储热容量 700 MW，电网调度直控储热970 MW，合计1670 MW，按照平均每天运行5小时、一个取暖季150天计算，消纳低谷或弃风电量12.525亿kW⋅h，与2017年全年弃风电量12.09亿kW⋅h接近。

12.09 亿kW⋅h弃风电可以为多少平米面积供暖，需要已知1α和2α，假设1α=0.34 kg⋅(kW⋅h)-1，2α=22 kg⋅m-2，则12.09亿kW⋅h弃风电量供暖面积为：12.09 亿 kW⋅h×0.34kg⋅(kW⋅h)-1/22 kg⋅m-2≈1868万m2。也就是说，12.09亿kW⋅h弃风电量可以为1868万m2面积供暖。

在该省清洁供暖规划中，到2020年，电采暖面积达到680万 m2，而一年的弃风电量就远超过规划目标。

表2给出由调度直接控制跟随弃风电量的储热汇总表，可以看出，2018年一季度储热电量就远大于2017年全年储热电量，而且低谷储热占比接近70%，其他时段也有大量投入。

图4给出储热投入小时电量分布图，可以看出，低谷时段投入较大，中午低谷投入量也有一定比例，这是因为光伏叠加所致。

表2 某省2017年全年和2018年一季度储热数据Tab. 2 Heat storage data for 2017 and the first quarter of 2018 in a province

图4 储热投入小时电量分布图Fig. 4 Hourly power distribution diagram of heat storage input

5 结论

重点研究了北方冬季弃风电储热供暖计算方法，基于风力发电量、取暖季弃风电量和取暖季低谷弃风电量实际数据，分析出取暖季弃风电量占较大比例、取暖季低谷弃风电量占比也较大，为弃风电储热供暖提供依据；同时建立了弃风电量、储热容量和供暖面积计算方法，为研究弃风电储热供暖提供计算依据；通过实际案例验证了本文所提方法的正确性。