引入储能技术的环保热电联产系统的经济运行

文/张洋 文福栓 张忠梅 陆春校 严奕飞

在《嵌入碳排放限制的环保热电联产系统经济运行分析》研究当中，已经建立了热电联产机组经济运行模型，确保在“以热定电”的运行模式下，在一定的运行周期内合理地分配机组出力及安排启停计划，使得系统的燃料费用最少，并考虑了碳排放限制使得电力生产更为环保。但是热电联产机组采用“以热定电”的运行模式，能确保热量供应充足但是限制了其调峰能力。对于整个系统运行而言，考虑热负荷需求后的热电联产机组的电负荷区间成为了发电计划制定中经济运行的边界条件，在实际生产中由于某些原因，一方面热电联产机组的电负荷上下限难以做到及时调整，另一方面在一个区域内的热负荷在不同机组之间分配时并未考虑到机组的整体调峰能力，因此热电联产机组的实际调峰能力应该具有更大的挖掘潜力。引入储能系统，合理配置储能系统容量，制定与机组经济运行相结合的储能充放电策略，将系统出力进行最优分配，显著改善热电联产机组的调峰能力，使得电力的发输和使用更为经济和高效，最终采用遗传算法结合实际算例验证建立模型的可行性，为今后的热电联产机组参与系统调峰问题提供参考。

1 热电联产机组参与系统调峰能力的经济运行模型

热电联产机组“以热定电”的运行模式导致其参与系统调峰能力不足，急需改善热电联产机组的调峰性能。目前关于热电联产机组参与系统调峰的研究各异，文献中研究了热电联产机组在东北地区采暖期调峰能力并建立了热力曲线数学模型。大部分研究只是在建立数学模型的基础上分析说明机组相关参数的调峰能力。而热电机组受自身调节范围的限制，发电量的大小随供热量变化而改变，要在保证供热量供应充足前提下让热电联产机组参与系统调峰有一定的难度。

在《嵌入碳排放限制的环保热电联产系统经济运行分析》研究当中，已经建立了热电联产机组经济运行模型，确保在“以热定电”的运行模式下合理地分配机组出力及安排启停计划，使得系统的燃料费用最少，并且考虑了碳排放限制使得电力生产更为环保。在此研究基础之上，为让热电联产机组参与到系统的调峰任务当中，引入储能系统，合理配置储能系统容量，制定与机组经济运行相结合的储能充放电策略，将系统出力进行最优分配，不仅显著提高热电联产机组参与系统调峰的能力，而且保证系统运行的经济和高效性，最终利用先进的智能计算机仿真与遗传算法结合实际算例验证所建立模型的可行性。

1.1 目标函数

1.1.1 燃料费用

热电联产机组包含普通纯火电发电机组、热电联产机组、纯发热机组，是综合考虑现有通用的机组类型。

式中：CTOTAL为总燃料费用；N为纯火电发电机组、热电联产机组、纯发热机组的台数及储能系统的种类；Cpi为第i台纯火电发电机组燃料费用；Cci为第i台热电联产机组燃料费用；Chi为第i台纯发热机组燃料费用；CBi为第i种储能系统的充放电费用。

在实际热电联产经济运行问题当中，纯火电发电机组中汽轮机进气阀突然开启时出现的拔丝现象称为阀点效应，忽略该现象会使求解精度受到明显影响。因此考虑阀点效应的纯火电发电机组的燃料费用为：

式中: Ppi为第i台纯火电发电机组的出力；ai、bi、ci分别为第i台纯火电发电机组的燃料费用系数；ei、fi为纯火电发电机组i的阀点效应系数；为纯火电发电机组i的最小技术出力。

热电联产和纯发热机组燃料费用函数分别为：

式中：Pci、Hci分别为热电联产机组i的有功出力及热功率；H_hi为纯发热机组i的热功率；αi、βi、γi、δi、εi、ξi为热电联产机组 i的燃料费用系数；ψi、ηi、λi为纯发热机组i的燃料费用系数。

储能系统的充放电费用函数为：

式中：πB是储能的充放电费用系数，取0.6元/kWh；Δt为单位调度时间；和分别为时段t储能的充电和放电功率。

1.1.2 碳排放计算函数

将热电联产机组在供热和供电过程中燃料燃烧产生的CO2排放量考虑在内，具体的数学模型如下所述。

式中：ETOTAL为CO2总排放量；Epi、Eci、Ehi分别为纯火电发电机组、热电联产机组与纯发热机组的CO2排放量；m为燃烧的燃料的量，单位为kg/年或m3/年；i为消耗的化石燃料种类；为化石燃料中CO2的排放系数，单位为tCO2/年/kg或tCO2/年/m3。

Vc为化石燃料的含碳量。

表1：不同模式下的总燃料费用、总排放量对比

1.2 储能系统

储能作为可灵活调节出力的单元，能够对电能进行合理地转移，在时间上解耦电能的生产和消耗。让储能充分参与到系统调峰任务当中，在负荷低谷时储存电能，在负荷高峰期释放电能，减小系统峰谷差，使得发电、用电趋于平衡。合理配置储能系统容量，制定与机组经济运行相结合的储能充放电策略，将系统出力进行最优分配，不仅能够提高热电联产机组参与系统调峰的能力，而且保证系统运行的经济和高效性。储能系统形式多样，包括蓄电池储能、压缩空气储能、超级电容、相变储能、氢储能等都是目前国内应用较为广泛的储能形式。而蓄电池储能的功率和能量可根据不同应用场合需求灵活配置，响应速度快，不受地理等外部条件的限制，在电力系统调峰、调频和调压等方面发挥重要的作用，因此本次研究选用技术成熟，成本低，响应时间快的铅酸蓄电池，其容量与充放电量的数学模型如下所述。

式中：EES(t)为时段t储能容量； τ为电储能自放电率；和 ηch、ηdis分别为时段t储能的充放电功率及效率。

文献[7]中提供了一种储能容量配比的方法，储能容量依据发电机组装机容量的百分比配置，文中分别选取了15%、20%和25%的比值进行测试，对比三种不同比值下的机组运行成本和碳排放量数据，测试对比结果表明，储能容量配比为发电机组装机容量的20%时，机组的运行成本和碳排放量最低。因此，本次研究参考此种方法，确保系统经济运行，拟配置25MWh的储能系统。

1.3 约束条件

热电联产机组运行的约束条件包括: 电功率平衡约束、热功率平衡约束、设备功率约束。

式中：PR、PL分别为系统的电负荷需求和网络损耗；HR为系统的热负荷需求；分别为纯发电机组出力的上、下限；分别为热电联产机组发电出力的上、下限；分别为热电联产机组的热功率上、下限；分别为纯发热机组的热功率上、下限。

储能系统约束条件：

2 遗传算法

本次研究仍然采用遗传算法，其基本原理是模拟自然选择和遗传中发生的复制、交叉和变异等现象，从任一初始种群出发，通过随机选择、交叉和变异操作，产生一群更适应环境的个体，使群体进化到搜索空间中越来越好的区域，这样一代一代地不断繁衍进化，最后收敛到一群最适应环境的个体，求得问题的最优解。

3 算例分析

本研究是建立在《嵌入碳排放限制的环保热电联产系统经济运行分析》研究的基础上，模型仍然是含有4台纯发电火电机组、2台热电联产机组和1台纯发热机组。该系统的电、热负荷需求分别为650MW和200MW。本次算法程序语言编写使用MATLAB R2014b进行。

以浙江省某地区实际数据为例。某天该系统出力曲线与引入储能技术的系统出力曲线如图1所示。储能充放电功率曲线如图2所示，调度时间段T=24h，单位调度时间Δt=1h。

从调峰性能的角度分析，引入储能技术的经济运行模式，低谷阶段系统内用电量较低，储能系统充能，可等效为负荷用电；高峰阶段系统内用电量较高，储能系统释放电能，可等效为供电电源。储能系统将能量进行适当转移，有效削减了系统峰谷差，整体提高了热电联产机组参与系统调峰能力。而常规运行模式、考虑经济运行模式和嵌入碳排放限制的经济运行模式都不能有效改善系统的调峰能力，减少系统的峰谷差。

图1：系统出力曲线与引入储能技术的系统出力曲线

图2：储能充放电功率曲线

从总费用和总排放量的角度分析，考虑经济运行模式与常规运行模式相比，总燃料费用减少了3%，但总排放量下降不明显；嵌入碳排放限制的经济运行模式与常规运行模式相比，总排放量下降了12%，但总燃料费用上涨；嵌入碳排放限制的经济运行模式与考虑经济运行模式相比，总排放量下降，同时总燃料费用增加。引入储能技术的经济运行模式与其它三种模式相比，总排放量下降，同时总燃料费用上涨。

综上所述，考虑经济运行模式相比于常规运行模式而言，总成本降低；嵌入碳排放限制的经济运行模式相比于常规运行模式而言，减排效果显著；引入储能技术的经济运行模式相比于常规运行模式而言，机组整体调峰能力增强，同时也能起到很好的减排作用。

4 结束语

本文是在《嵌入碳排放限制的环保热电联产系统经济运行分析》研究基础上借助已经建立的经济运行模型，同时为改善热电联产机组参与系统调峰能力，引入储能系统，合理配置储能系统容量，制定与机组经济运行相结合的储能充放电策略，将系统出力进行最优分配，最终利用先进的智能计算机仿真与算法应用在实际算例当中验证建立模型的可行性，得出以下结论：

（1）相对于传统的热电联产机组运行方式而言，引入储能技术的热电联产机组经济运行方式可有效改善系统峰谷差，使系统内能量达到最优分配，成本虽有所上涨，但整体有利于电力系统安全运行。

（2）该方式大幅度提升了系统的调节能力和灵活性，为今后热电联产机组参与类似调峰任务提供参考。

（3）可依据本模型进一步研究不同储能装置、不同储能配比容量与热电联产机组经济运行结合提高系统调峰能力的差异性。