提升风电消纳的热电混合储能系统优化控制策略

李军徽，张志云，马冬梅，阚中锋，郭 健，韩 冬

(1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司吉林供电公司，吉林 吉林 132000)

在我国“三北”地区风电迅速发展，但是风电出力的随机性与波动性使得弃风现象突出，特别是在供暖期，由于热电联产机组“以热定电”的约束，进一步降低了风电接纳空间，使得供暖期热负荷高、电负荷低，电网调峰与供热矛盾[1-3].储热式电锅炉作为储热制热装置，可以使能量空间平移，从而实现热电解耦，但是由于其机械特性，使得它不可以频繁调节，所以如何在保证供热以及电锅炉使用寿命的前提下高效消纳弃风这一问题亟待解决.

为了促进风电消纳，提高风电接纳空间，目前在利用储热式电锅炉技术方面有了不少研究，大致有两种方法，其一是热电联产机组解耦技术，即在热电厂加装储热或电锅炉释放热电机组调峰空间，增加风电消纳空间[4-5]；其二是风电供热技术，即通过在弃风严重风电场配置储热式电锅炉，尽量使电锅炉消纳弃风电量储热供热[6].文献[7]提出热电厂加装电锅炉消纳弃风的方案.配置电锅炉可以分担部分热电厂热负荷，增加机组的调峰空间，也可在夜间低谷时段消纳夜间过剩风电电量.文献[8]提出了在热电厂建设储热式电锅炉进行风电供热的方法，建立了可含热泵的风电供热项目通用数学模型，电锅炉协调运行方式下，不但减小了煤耗，还提高了弃风消纳效果；文献[9]以热电机组和储热罐供热的收益为目标函数建立模型，当热电机组配置了储热装置后，热电-储热系统整体的消纳弃风能力提高.文献[10]在热电耦合系统中，引入储热式电锅炉以及热泵，在难以调峰期间提供辅助热源，依靠外部热源的参与，可以拓宽人工发电量变化区间，以接纳更多的风电.文献[11-14]都建立了含储热热电联产与电锅炉协调供热的弃风消纳调度模型，分析了配置电锅炉前后热电机组的运行特性和调峰能力变化，比较了热电联产机组在是否加装储热装置的情况下弃风消纳的效果跟经济性.综上来看，目前利用储热式电锅炉进行弃风消纳都没有考虑到电锅炉的电极调节能力，即储热式电锅电极调节次数受电极机械部件制约，频繁调节不利于装置使用寿命.而在限制电锅炉电极不频繁改变的条件下，电池储能调节能力灵活可以弥补电锅炉弃风消纳的不足，对此，本文基于供暖期风电特性提出一种热电混合系统消纳弃风电量的优化运行策略，建立了混合储能系统优化模型以及弃风消纳量、系统经济性的目标函数，比较了电锅炉追踪弃风方式、混合系统运行方式以及电锅炉优化后混合系统消纳弃风方式的效果，并分析了三种方式下系统运行经济性.

1 热电联合系统的构成

热电混合储能系统由发电机组、电网、电池储能系统、储热式电锅炉、热网、电/热负荷组成，其结构如图 1所示，当风电接纳空间不足时，风电场产生弃风可以通过电池储能储存起来，作为电负荷高峰时的补充，也可以通过储热式电锅炉将弃风转换为热能供给热负荷.

如图1所示，负荷侧配置储热式电锅炉可增加用电负荷，通过提高供热期低谷时段电负荷水平来消纳弃风；电池储能通过“削峰填谷”方式提高系统整体的调峰能力，进而减少弃风电量[14].通过对电锅炉、电池进行控制，优化系统运行情况，提高弃风消纳效率，同时多余的储能电量可以在负荷高峰时段供给电负荷，提高储能装置的利用率与经济性.

图1 热电混合储能系统构成图

2 含热电混合储能系统的电力系统模型

含热电混合储能的电力系统模型由收益、成本以及相应的约束条件构成.

(1)成本模型

储热式电锅炉与电池储能的建设成本

Ceh=Ec，iuc+Eh，iuh+Pc，iupe+Ph，iuph，

(1)

公式中：Ec，i、Eh，i为电池储能、储热式电锅炉配置容量；uc、uh为单位电池储能、单位储热式电锅炉成本；Pc，i、Ph，i为为电池储能、储热式电锅炉配置功率；upe、uph为电池储能、储热式电锅炉单位功率成本.

热电混合储能系统运行维护成本由电储能与储热式电锅炉维护成本共同组成，即

Ctm=Ec，inemfe+Ec，inhmfh，

(2)

公式中：mfe、mfh为单位电储能、储热式电锅炉运维成本；ne、nh为电池储能系统、储热式电锅炉寿命期限.

传输损耗成本为系统在能量转换及传输过程中产生能量损耗而产生的费用

Ctra=(Pqhηh+Pqeηe)Cf+Ch，

(3)

公式中：ηe、ηh为电池储能储放电的效率和储热式电锅炉热转化的效率；Pqe、Pqh为电池储能、储热式电锅炉消纳的弃风；Cf为与风电场商议的风电购入电价；Ch为输配电成本.

电锅炉向电网购电成本

Cg=PghCpe，

(4)

公式中：Pgh为电锅炉向电网购电电量；Cpe为某时刻售电电价.

(2) 收益模型

环境收益

Rcom=Pqe×pen+Pqh×(Che+Kfb+Kfb)，

(5)

公式中：Pen为环境污染治理费用；Che为热电联产机组产生单位热量所排放的废气治理成本(元/(MWh))；Kf为煤炭的价格(元/t)；b为电锅炉煤耗率(t/(MWh))，c为纯凝机组煤耗率(t/(MWh)).

热电联合系统在运行效益是通过峰谷差价以及售热获取的效益

Rrun=Pqe×(Cpe-Cf)+Pqh(KE-Cf)ηe，

(6)

公式中：Cf为与风电场商议的风电购入电价；KE为输电企业外送单位热量的价格(元/(MWh)).

调峰补偿收益为热电联合系统通过调峰作用获取的政府补贴收益

Rsub=(Pqe+Pqh)ps，

(7)

公式中：Rsub为调峰补偿效益；ps为单位补偿价格.

消纳风电供电/供热的节煤收益，Fc为混合储能系统的节煤收益

Fc=(Pqhμcfu+Pqeμcu)pc，

(8)

公式中：Pqh为代替燃煤锅炉供热功率；Pqh为电池储能消纳弃风代替纯凝机组供电功率；μcfu为燃煤锅炉的煤耗率；μcu为纯凝机组的煤耗率；pc为煤价.

(3)约束条件

储热式电锅炉运行功率约束为

0≤Peb(t)≤Peb，max，

(9)

(10)

公式中：Peb，max为电锅炉运行功率最大值；PHS，out，max(t)PHS，out，max(t)、PHS，in，max(t)为储热装置最大储放热功率.

电池储能运行功率及荷电状态约束为

(11)

Stmin≤St≤Stmax，

(12)

公式中：Pcha(t)、Pdis(t)为电池储能在第t个时段的充电、放电功率；St为t时段电池储能装置SOC状态；Stmin、Stmax为电池SOC状态上、下限.

3 热电混合系统优化控制策略

为了改善电锅炉采用追踪弃风模式运行电极频繁调节的弊端，本文从优化电锅炉电极档位以及改善电锅炉档位调节情况出发，采用电池储能和储热式电锅炉协调运行的方式，从而提高系统风电利用率、延长系统的使用寿命.

3.1 热电单元优化运行策略

由于弃风功率的不确定性，当其正好处于两个挡位之间时，应该如何选择电锅炉工作挡位是一个值得考虑的问题.根据遗传算法选择的思想，依据优胜劣汰的选择机制，将群体中适应能力较强的个体选取出来并保留，而将适应能力较差的个体淘汰掉.据此，本文提出根据电锅炉储热罐的SOC状态来选择运行挡位，每个挡位被选中概率与储热罐SOC状态强相关，即储热式电锅炉运行首先要满足供热需求，而后根据优化档位概率选择公式来选择运行挡位，即储热罐SOC较大以及负荷高峰时，电锅炉更大概率工作在低一点的挡位，反之如果储热罐的SOC状态较小以及负荷低谷时，电锅炉工作的功率更大概率运行在高一点的挡位，从而避免了储热罐因为储热过多或者过少而失去调节的灵活性，并且可以保证系统削峰填谷的能力.同时选择也要考虑负荷处于高峰还是低谷状态，挡位优化选择率公式为

F1(x)=0.5cosπx+0.2+θ(x)+α(x)+β(x)，F2(x)=1-F1(x)，

(13)

公式中：F1(x)为储热式电锅炉工作在比弃风高一个挡位的概率；F2(x)为储热式电锅炉工作在比弃风低一个挡位的概率；x为储热罐SOC状态.

(14)

(15)

(16)

(2)热电混合系统协调运行策略

在负荷低谷存在弃风时，储热式电锅炉与电池储能谁具有动作优先性取决于两者动作的经济性，热电混合系统参与电网调峰的单位效益函数为

(17)

3.2 优化目标函数

为实现储热式电锅炉最大化消纳弃风，建立以弃风消纳最大为目标的优化控制模型，控制其最大化跟踪弃风出力运行.以弃风消纳最大为目标的目标函数为

maxP=Pqh+Pqe.

(18)

在热电混合储能的系统中，两者协调还要使得系统收益最大化，表示为

minF=Rcom+Rrun+Rsub+Fc-(Ceh+Ctm+Ctra+Cg).

(19)

3.3 优化模型求解

针对上述模型在MATALB中通过YALMIP调用优化软件CPLEX进行求解，CPLEX能够求解线性规划、二次规划、二阶锥规划及相应的混合整数规划问题[15-16]，求解流程如图2所示.

图2 优化求解流程图

4 算例分析

以“三北”地区某风电场为例，给定条件如下：

(1)与风电场协商签订的风电电价为112元/MWh；与供热厂签订的售热价格为173.69元/MWh.

(2)储热式电锅炉寿命为25年，电锅炉单位功率价格为50万元/MW，系统能量转换率为95%，储热罐容量价格15万元/MWh；电池储能系统寿命为23年，效率为92%，容量价格为180万元/MWh，功率价格为190万元/MW；

(3)常规纯凝火电机组、热电联产机组产生单位电量所造成的环境污染治理费用pen=145元/MWh，热电联产机组产生单位热量所排放的废气成本Cf=156元/MWh，煤炭的价格Kf=500元/t，供热机组煤耗率b取0.154 t/MWh，纯凝机组的煤耗率c取0.35 t/MWh；

(4)电锅炉单位运维成本为10元/(MW/天)，储热罐单位热储能运维成本为8元/(MWh/天)，电池储能单位运维成本为140元/(MWh/天)；政府的调峰补偿价格为130元/MWh.

(5)选取容量及功率为150 MWh/30 MW储热式电锅炉以及80 MWh/20 MW的电池，储热式电锅炉分为11个档位，每个档位功率差值为3，即 0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30.

三种运行方式：方式①：储热式电锅炉跟踪弃风的运行方式；方式②：热电混合系统运行在上述双目标模式下，但未对储热式电锅炉电极进行优化；方式③：本文热电混合储能优化控制策略运行.

4.1 仿真结果分析

4.1.1 运行方式1、方式2结果分析

数据为典型日每15分钟选取一点的96点的弃风出力数据，当系统采用运行方式1、方式2消纳弃风时，运行情况如图3、图4所示.

图3 跟踪弃风运行方式下电锅炉运行情况

图4 电锅炉电极优化前热电混合储能系统运行情况

由图3、图4可以看出运行方式1，弃风消纳量情况还较为可观，但电极调节次非常多，单日电极调节次数达到了33次，在运行方式2下，由于加入了人调节能力更为灵活的电池储能系统，系统弃风消纳量进一步提升，但是这并未改善电锅炉电极频繁调节的弊端.

4.1.2 运行方式3结果分析

采用优化运行方式3下的热电混合系统运行情况如图5、图6、图7所示.

图5 热电混合储能系统优化运行功率图

图6 储热罐容量曲线图

图7 电池储能SOC状态图

结合图5～图7可以看出0：00～5：00和22：00～24：00时间段的弃风电量下储热式电锅炉转化效益较高，故储热式电锅炉按照优化电极方式先动作消纳弃风，但由于此时为用电低谷电价低且热储能受充放热功率约束等，需要电储能一起动作消纳弃风，储热量跟电量上升.7：00～11：00，18：00～22：00时间段为电热负荷需求高的时段，且电售价高，此时储热罐动作供热，电储能动作放电，储热罐跟电储能储能量下降，采用此方式电锅炉调节次数较方式1、方式2有显著下降.

4.1.3 三种运行方式对比

对比三种不同方式下的弃风消纳情况及电极调节次数情况如表2所示.

表2 三种方式下弃风消纳及电极调节次数情况

由表1可以看出在采用本文所述热电混合储能系统优化运行策略，在档位调节上较方式1，方式2均有明显减少，这可以增加储热式电锅炉的使用寿命，在消纳弃风量上较方式1，方式2也有一定的增加，这是因为提高了电池储能的利用率，电池储能的进一步参与使得电锅炉调节次数有所下降，这样也能保证系统较高的风电消纳率.

4.2 收益分析

热电储能单位时间转化收益的关系曲线图，如图8所示.从图8可知，当弃风非常小时，储热式电锅炉与电储能单位转化收益均较低，但是随着两种装置消纳电量的增加，收益迅速增长而后呈现稳步增长.

图8 热电储能单位转化收益

热电联合系统三种运行方式下的收益情况，如表2所示.

表2 热电联合储能系统典型日收益

可以看出运行方式1虽然投资低，但是电锅炉由于频繁调节，寿命缩短，导致等效投资成本等效增加，日收益为三种运行方式中最少的.方式2较方式1在收益方面有了很大提高，这是因为电池储能虽然投资高，但同时运行收益也高，电锅炉与电池储能配合也使得弃风消纳量进一步增大.方式3对电锅炉电极进行了优化，电极调节次数明显变少，等效增加了使用寿命，日收益也进一步增加.

5 结 论

针对热电混合系统消纳弃风，建立了混合储能系统优化模型并对电锅炉电极进行优化.从仿真结果可以看出：

(1)储热式电锅炉可以在一定程度上进行热电联产机组的解耦，而本文所提混合储能运行方法比跟踪弃风方式在弃风消纳量上提高了7.26%；

(2)由于对电锅炉进行了档位优化，混合系统运行方式下电极调节次数明显降低，比跟踪弃风方式下减少15次，可以有效提高电锅炉使用寿命；

(3)就储热式电锅炉与电池储能的配合而言，弃风量较低时，由电锅炉来消纳比直接用电池储能消纳经济性要好，但是随着弃风量的增大，调节能力更为灵活的电池储能参与进来可以使得弃风更多地被利用.