储热式电锅炉消纳风电技术研究
2020-10-10王晖董桂林
王晖 董桂林
摘要：目前我国风电发展非常迅速，但依然存在着大量的弃风问题。弃风问题不仅造成了资源的严重浪费，也给国民经济等带来了不可估量的损失。结合我国当前电力系统运行特点及风力发电实际区域情况，对电网弃风原因进行具体分析，提出了一种储热式电锅炉消纳弃风供热技术方案及其数学模型，这对于促进风电供热就地消纳、缓解冬季风电并网运行困难具有非常重要的意义。
关键词：储热式电锅炉;消纳弃风;储热;风电供热
0 引言
近年来，伴随着新能源发电技术的高速发展，风电机组装机容量也在飞速增长，但依然存在着大量的弃风问题。根据2016年国家能源局发布的风电相关统计数据，我国在2016年总共弃风电量高达497亿kWh。
为推进风电相关产业更加快速发展，研究新能源领域如何更好地消纳弃风电量已经迫在眉睫。本文提出了一种储热式电锅炉消纳弃风供热的技术方案及其数学模型，以期合理解决弃风问题。
1 储热式电锅炉消纳弃风供热机理
以储热式电锅炉消纳弃风电量进行供热的原理是将储热式电锅炉作为热源代替普通燃煤锅炉。储热式电锅炉主要由两部分组成，分别是电极锅炉部分和蓄热管部分。储热式电锅炉是一种高效、清洁、安全的新式电加热设备。储热式电锅炉在电力系统中也可以看作用电负荷，负荷低谷期开启储热式电锅炉，将电能转换为热能，一部分可以用来为居民供热，另一部分可以进行储存，等到白天用电高峰期再进行供热。通过储热式电锅炉进行风电消纳，可以有效降低用电低谷期的弃风电量。
储热式电锅炉基本运行体系如图1所示。
储热式电锅炉跟踪弃风波动运行模式，比固定时间和功率恒定运行模式风电消纳能力有很大提升，但储热式电锅炉仍依赖电击棒调节运行功率，电击棒频次、调节速度和深度都不能与随时改变的风电相匹配。
电锅炉功率实时跟踪弃风功率，这种模式可提高系统消纳弃风电量能力。同时储能系统可以有效解决储热式电锅炉跟踪弃风调节频次与响应速度不匹配的问题[1]。
2 储热式电锅炉消纳弃风数学模型及求解
2.1 数学模型确定
有关风电消纳的数学模型一般有两种，一种是消纳弃风电量最大，另一种是系统运行成本最小。其中系统运行成本最小是指在保证了电力系统安全稳定运行以及负荷供应的情况下，使得方案整体花费电价总成本最小，方案中允许有一定规模的合理[2]弃风。本文建立的数学模型为弃风消纳电量最大的数学模型，所以不对上述方案加以叙述。
2.2 消纳弃风电量最大数学模型建立
建立消纳弃风总电量最大数学模型，此模型可实现风电全额收购，最大弃风消纳电量就是在此模式下可接受风电电量。
该模式下，储热装置在负荷低谷时期作为热负荷吸收热量，实现对电网的调峰，使风电上网空间得到增加。当储热装置达到饱和状态不能继续储存热量[3]时，再将多余风电弃掉。
根据已知风电场实际功率和预测功率，可求出弃风功率，在本模型中这些功率都是已知数据。设实际某时刻消纳弃风功率为Ps·t，其中t是1～96的整数，并且设当日24：00为次日00：00[2]。
目标函数：
max Wa=Pa·t （1）
式中：T是调度周期，周期为1天，时长为15 min，所以T=96;t为调度时段;Pa是储热式电锅炉在t时段消纳弃风功率（MW）。
3 约束条件
该数学模型约束条件很多，例如电锅炉以及储热罐约束、其他约束等。
3.1 储热式电锅炉供热约束
储热式电锅炉运行期间，存在着出力约束问题，包括最大出力约束和最小出力约束。设储热式电锅炉直接供热最小功率[2]为0，最大功率为Pmax。系统配备储热式电锅炉相关参数都是已知，可知Pmax=30 MW。
储热式电锅炉供热约束为：
0≤P≤Pmax （2）
式中：P是储热式电锅炉加热功率（MW）;Pmax为储热式电锅炉运行最大功率（MW）。
3.2 储热罐相关约束
在电锅炉运行期，储热罐也存在储热和放热约束问题。设储热罐功率为Pi（t），当Pi（t）>0时，储热罐进行储热;当P1（t）<0时，储热罐再放热。设储热罐在储热时期最大功率为P1max，最小功率为P1min，根据已知参数，得P1max=30 MW和P1min=0 MW;
设储热罐在放热时期最大功率为P0max，最小功率為P0min，根据已知参数，得P0max=30 MW和P0min=0 MW。
约束条件为：
P1min≤Pi（t）≤P1max
0≤Pi（t） （3）
Pi（t）≤0
P0min≤-Pi（t）≤P0max （4）
图2为储热罐一天储热量变化情况。
除上述约束条件外，某一时刻储热罐所储存热量与此时刻储热罐储热放热情况以及上一时刻储热罐内储存热量都相关。设某一时刻储热罐储存总热量为H（t），有关系为：
H（t）=H（t-1）+Pi（t） （5）
