电热能源集成系统日前优化调度的二阶段策略

刘健松，魏立明， 袁红斌， 司永利

( 1. 吉林建筑大学 电气与计算机学院，长春130011；2. 国网吉林省电力有限公司白城供电公司，吉林 白城137000)

0 引 言

随着世界各国长期以来对传统化石能源的大规模使用，世界环境问题的日益严峻和化石能源逐渐枯竭，而以风电为代表的清洁能源逐渐在世界各国快速发展，尤其风电在我国的发展规模一次又一次突破，已经成为我国第三大主力电源[1]。但是，在“三北”地区冬季供暖期间却出现大规模的弃风现象，因为“三北”地区的电源结构不算合理，具备灵活调节能力的电源占比显然不足，存在调峰困难。同时冬季供暖期间持续时间较长，室外的平均温度较低，采暖热负荷水平较高，热电联产机组(combined heat and power，CHP)总量大、占比高，同时需要优先保障采暖热负荷需求，CHP机组采用“以热定电”运行模式会使其电功率输出受到机组采暖热负荷的限制，风电的上网空间会受到极大限制[2]。

由于风电出力的随机性、波动性和反调峰特性，会造成风电出力不能随意调度和调控，增加调度计划的难度。由于电负荷预测曲线和风电的功率预测曲线呈相反趋势，且现有的预测方法对预测风电功率会产生误差，造成在冬季供暖期的夜间，风电正处于高出力水平，而采暖热负荷需求高且电负荷需求低。为保证供暖需求，CHP机组会增加出力，当机组的调节范围达到极限时，无法为风电提供上网空间，给系统的运行和控制带来了巨大的挑战[3]。

针对“三北”地区的电源结构特性，为了让风电有足够的上网空间，保证系统的最优经济性，电热集成系统的优化调度问题是系统运行中最重要的优化问题，许多学者对此进行了广泛研究。文献[4]提出了关于热电联产机组的经典经济调度模型。文献[5]综合考虑弃风成本和电动汽车调度成本等，针对区域电热集成系统提出了一种日前经济调度模型。文献[6]提出以电热集成系统的运行成本为最小优化目标的一种整体优化调度方法，但文中忽略了集中供热管网和采暖建筑物的热惯性。考虑到电传输、热传输损耗和网络传输约束，文献[7]提出排队竞争算法。文献[8-9]提出了一种基于时变加速的粒子群优化算法，来处理热电联产机组的多目标优化问题。在定义热传输损耗系数后，文献[10-11]提出了一种基于分布式神经动力学优化的方法来解决电热集成系统的经济调度问题，但尚未建立功率和热传输损失模型，文中只是将两者在一定程度上视为常量。目前考虑到集中供热管网热惯性是相对新颖并且复杂的经济调度问题。综上所述，文中借鉴国内外研究学者的工作成果，在他们的研究基础上继续挖掘电热集成系统的调峰能力和优化调度策略。

目前研究工作中对电热集成系统中优化调度问题的求解方面涉及不多，并且通常可以表示为约束优化问题。现有的经济调度优化算法主要有迭代式优化方法、牛顿法、线性规划法[12]。

为了提高热电联产机组参与系统的调峰能力，为风电上网提供更大的空间，建立最小供热负荷模型。合理分配热电联产机组的供热负荷，来满足供热区域的热用户处于适宜温度的最小供热量，研究电热能源集成系统日前优化调度的二阶段策略，优化结果将作为供热计划提供给机组的传统运行模式。

1 影响电热系统集成的机制因素分析

1.1 电价因素

1.1.1 常规火电机组

通过系统中电负荷的变化情况，利用低谷、平段、高峰等多个时段来平分24 h，以此来提高电网中资源的利用效率。

(1)

1.1.2 热电联产机组

热电联产机组发电功率Pe和供热功率Ph间的耦合关系，如图1所示。

图1 热电机组电热特性

在考虑分时电价原则后，需要保证热电联产机组的发电总价最高。

(2)

1.1.3 风电

风电的收益仅与电价因素有关：

(3)

1.2 调峰补偿因素

1.2.1 常规火电机组

根据国家相关规定，为了减少常规火电机组提供深度调峰时的电量损失，电网将对这一部分进行补偿。

(4)

式中：C2为调峰补偿增量；Γ为深度调峰总时段；φ′为调峰补偿电价；mt为t时段常规火电机组的额外损耗费用。

1.2.2 热电联产机组

热电联产机组的调峰补偿增量主要由调峰时段发电减少量的补偿、调峰时段供热热量的减少量的补偿及调度周期对供热系统提供供热量不足造成的赔偿三部分组成。

(5)

1.3 煤耗量成本因素

1.3.1 常规火电机组

常规火电机组的煤耗量成本也影响机组的经济收益。

(6)

同时，常规火电机组在参与系统调峰时，得到新的调度计划后，其收益增量C应为

C=max(C1+C2-C3)

(7)

该文建立的调度模型实质属于电力经济调度范畴，常规火电机组仅涉及常规调峰阶段，故常规火电机组收益增量变为

C′=max(C1-C3)

(8)

1.3.2 热电联产机组

热电联产机组的煤耗量成本也影响机组的经济收益。

(9)

同样，热电联产机组在参与系统调峰时，得到新的调度计划后，其收益增量C″应为

(10)

2 建筑物蓄热特性分析

现将某一供热区域等效成采暖建筑物，因此供热区域的热量平衡如图2所示。其中热源通过介质利用二级管网对采暖建筑物进行供热，以此控制采暖建筑物的室内温度，但是所提供热量会有部分被采暖建筑物内空气和物品等吸收，还有一部分会通过建筑物的围护结构对外进行散热。

图2 建筑物供热系统示意图

传热介质的传输时间可以忽略，采暖建筑物室内热平衡方程可表示为

(11)

热源提供给采暖建筑物的热量主要取决于二级管网的供水温度和回水温度，当考虑热量传输过程的损失时，二级管网的传热方程为

(12)

室内外温度会影响采暖建筑物的散热量，采暖建筑物的围护结构散热方程为

(13)

因此，通过利用建筑物的室内温度与机组的出力之间关系，在调峰出现困难时，仅需下调机组热出力，就可以增加深度调峰的空间。

3 日前优化调度的二阶段策略

3.1 深度调峰时段的最小供热负荷计算

当系统出现调峰困难时，热电联产机组需进行深度调峰，设深度调峰连续时段集合为Γ。通过采暖建筑物的蓄热特性可以减少CHP机组在深度调峰时段的热负荷，因此提出最小供热负荷模型，用以计算在深度调峰时段热负荷需求：

(14)

(15)

3.2 热负荷优化分配模型

由于CHP机组受到“以热定电”运行方式限制，首先需满足采暖用户的热负荷来确定机组的热出力，以热出力为基准确定机组的电出力灵活性调节空间，并以此确定风电上网空间。

因此当供热区域的热源为多台CHP机组联合供热时，需要对CHP机组的热负荷进行优化分配。其优化分配模型的目标函数和约束条件如下：

(16)

(17)

4 算例分析

4.1 算例描述

以一个含有10台常规火电机组、3台CHP机组和一个风电机组的电热能源集成系统为例，分析各机组参与系统调峰的情况。其中常规火电机组参数和CHP机组参数分别参考文献[8]和文献[9]，风电机组的容量上限为200 MW。同时将某一日划分为高峰时段、平时段及低谷时段，高峰的电价0.91元/(kW·h)，对应时段为9∶00～11∶00和19∶00～23∶00；平时段的电价0.63元/(kW·h)，对应时段为7∶00～8∶00和12∶00～18∶00；低谷时段的电价0.38元/(kW·h)，对应时段为24∶00～6∶00。

现依靠CHP机组利用采暖建筑物在室温为19.3 ℃下，利用其蓄热特性接纳风电，同时将此运行方式与CHP机组的传统运行模式进行对比。

4.2 结果分析

首先系统中CHP机组在传统的运行方式下，通过式(14)建立的最小供热负荷模型可得出符合采暖建筑物室内标准室温时的最小供热量。通过式(16)建立的热负荷分配模型，使CHP机组的热出力合理化，最后确定最终发电计划。

如图3所示为CHP机组在传统运行方式下，风电的并网功率，同时可以得到各机组出力计划。当得到常规火电机组的出力计划和启停状态后，通过利用采暖建筑物的蓄热特性来调节CHP机组的电出力空间，为风电上网提供空间。此时，通过CHP机组对系统调峰的响应来分析调度策略的可行性。

图3 “以热定电”模式风电功率图

4.2.1 电价因素

在一个调度周期内，CHP机组在传统运行方式下与利用采暖建筑物蓄热特性调整后各机组的发电量对比情况如表1所示。

表1 调度计划调整前后发电量对比

通过表1可以得出：在利用采暖建筑物的蓄热特性后，可以明显降低CHP机组的电出力，以此提高系统消纳风电的空间，其中机组1的电出力变化较为明显，为主要调峰机组。

在一个调度周期内，CHP机组在传统运行方式下与利用采暖建筑物蓄热特性调整后各机组的发电总价对比情况如表2所示。

表2 调度计划调整前后发电总价对比

通过表2可以得出：利用采暖建筑物的蓄热特性后，CHP机组1-2的发电总价发生减少，但CHP机组3的发电总价却升高。因此，从发电总价的角度来说，CHP机组1-2参加系统调峰时处于被动。

4.2.2 调峰补偿

根据相关规则，对于深度调峰的机组来说，电补偿和热补偿分别为50元/MW和87元/GJ，而对于热量赔偿来说，热电厂对采暖用户赔偿为30元/GJ(表3)。

表3 调峰瓶颈时段热电机组调峰补偿

通过表3可以得出：CHP机组1-3都获得了一定程度的电热补偿。但通过在调峰困难时期，利用建筑物的蓄热特性，来下调CHP机组的热出力，会导致在整个调度计划中的热出力都会发生改变。并且最后仅CHP机组1的热出力符合要求，同时作为调峰重要机组，获得的补偿费用以及总补偿最大。

4.2.3 煤耗量

一个调度周期内的煤耗量对比情况如表4所示。

表4 调度计划调整前后煤耗量对比

由表4可以得出：利用采暖建筑物的蓄热特性后，参与系统调峰的CHP机组煤耗量降低，同时节约了96.8 t煤。当设标准煤480元/t，则CHP机组调整前后的费用如表5所示。

表5 调度计划调整前后热电机组利润对比

通过表5可知，在系统处于传统运行方式及利用采暖建筑物的蓄热特性时，CHP机组均有收益,但不同CHP机组调整前后的收益却不同。当利用采暖建筑物的蓄热特性时，仅CHP机组1会对系统调峰发生响应。将CHP机组1-3看作一个整体，则调度计划调整后会多收益2.89万元。

5 结 语

提出日前调度的二阶段策略，从电价因素、调峰补偿因素和机组煤耗量三部分来研究电热能源集成系统的风电消纳能力。考虑采暖建筑物的蓄热特性会使系统的风电消纳空间增大，同时在调度计划调整后会降低系统的运行成本，通过对调度计划调整前后各项数据对比分析，最终验证了各机组对系统调峰的响应因素为电价因素、调峰补偿因素和机组煤耗量三个因素。