大规模弃风与储热协调调控评估方法

张诗钽，楚 帅，葛维春,3，李音璇，刘 闯

（1东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012；2沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；3国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006；4国网天津市营销服务中心（计量中心），天津 300120）

在碳达峰、碳中和目标推动下，风电机组的装机容量逐年增加[1]。由于风力发电具有随机性和波动性的特点[2]，降低了风电的利用率，导致电网产生大量的弃风电量[3]。在北方地区，电网可将弃风电量用于储热供暖，实现弃风消纳[4]，不仅能降低储热成本，减少煤炭消耗，还能提高电网的风电接纳能力[5]。

目前应用储热技术提高弃风消纳的研究得到广泛关注。文献[6]采用改进粒子群算法，提出一种基于需求响应的含储热装置的优化调度模型，将储热机组与负荷侧响应方法相结合，提高弃风电量消纳能力。文献[7]研究了电储热消纳弃风电量与同等热量下燃煤锅炉的煤耗换算关系，建立了电、热锅炉联合消纳弃风的综合效益分析模型，大幅减少燃煤锅炉煤耗，提升经济和环境效益。文献[8]针对风电下调峰需求，对比分析了低压缸切除、储热、电锅炉方案的电热综合能源系统协同运行关系，低压缸切除方案和储热方案的配合既可实现机组燃料的高效利用，亦可实现机组的灵活运行。文献[9]针对西北地区弃风限电问题，构建了含储热光热电站与风电系统日前优化调度模型，优化了系统风电消纳能力的同时降低旋转备用成本。文献[10]采用模块化的系统集成思路，以复合相变储热材料为核心，将电加热模块、储热模块、换热模块和控制模块进行有机组合，建立36 MW·h 级的工业示范系统，分析供暖期系统的储热性能和供暖运行情况，为系统改良和应用推广建立基础。

电储热作为一种灵活性资源，不仅能提高电力系统的灵活性与调峰能力[11-12]，还能够实现跨季节储能解决风电导致的季节性电量不平衡问题[13-14]。电储热在实际运行中产生的成本主要来自电费成本，即使利用低谷电储热供暖，其成本也令开发商难以接受，因此，利用价格低廉的弃风电量进行储热供暖拥有更广阔的发展前景。本文深入研究了弃风规律，建立了弃风功率与储热容量匹配关系，分析了储热负荷运行特性，提出了弃风功率与储热功率协调调度方法以及弃风与储热评估模型。

1 弃风与储热匹配模型

电网储热装置容量与弃风电量的合理匹配关系是实现高效弃风供暖的核心。储热装置容量越大，能够消纳的弃风电量就会越多，从而减少弃风现象。当储热装置最大容量超过弃风电量时，储热装置就有能力全额消纳弃风电量。尽管扩大储热装置容量能够提高弃风消纳量，但是考虑到以下3个方面的约束，储热装置配置的容量不能无限扩大。一是电网对储热容量的需求是有限度的；二是储热容量配置过大，储热利用效率就会下降，投资也过大；三是电网除采用弃风供暖外同时还会采用其他调节手段消纳弃风[15-16]。因此，电网要合理配置储热容量，电网配置储热容量PC与年弃风电量PNQW的大小、年最大弃风功率PNQWM、最大日弃风电量PRQWM有关。

1.1 全额消纳弃风电量储热与弃风匹配模型

1.1.1 年最大弃风功率与储热功率的匹配关系

首先，根据电网历史弃风数据，计算年最大弃风功率PNQWM、年弃风电量PNQW和最大日弃风电量PRQWM。以一年历史弃风数据为基础，则年弃风最大功率PNQWM可用式(1)表达

式中，PQW(I，J)为第I天、第J小时的弃风功率。

通过式(1)，对PQW(I，J)中的365×24 个弃风功率选取最大值，即为年最大弃风功率。只要储热配置功率大于等于弃风最大功率，就具备全额消纳弃风的条件，如式(2)所示

式(2)并不能完全确定全额消纳弃风电量，还应进一步确定储热容量与弃风电量的匹配关系。

1.1.2 年弃风电量与储热容量的匹配关系

年弃风电量PNQW可由式(3)表达

式中，M代表一天24小时；N代表一年365天。对PQW(I，J)中的365×24 个弃风功率求和计算，即可计算出一年弃风电量。

根据储热装置容量PC计算一年的储热容量PNCQ，可由式(4)所示

式中，K代表供暖期天数；β代表储热装置一天连续运行小时数。不同地区，K值是不一样的，有的210 天，也有120 天；β在储热装置仅加热不放热时大约等于7，在加热和放热同时进行时可以超过10。因此，储热容量与弃风电量匹配关系如式(5)所示

式(5)表明，只要储热装置年储热能力大于等于年弃风电量，就有可能全额消纳弃风。

1.1.3 最大日弃风电量与储热容量的匹配关系

一年中最大日弃风电量PRQWM，如式(6)所示

式(6)表达的是在365个日弃风电量中，选择一个最大值。只有储热装置容量在满足日最大弃风电量PRQWM的需求时，储热装置容量才能与弃风电量相匹配。

根据式(4)可以看出，储热装置每日运行容量是有约束的，通常最多能连续运行10 h，当然，如果储热装置连续释热，运行时间会更长，但无论如何总是有限的。储热容量与弃风电量的匹配关系又可由式(7)表达

式(2)、式(5)和式(7)从不同角度描述了电网为全额消纳弃风电量而需投入的储热功率和容量，最直接而有说服力的指标是式(7)所表达的满足最大日弃风电量要求，它隐含了对储热装置的功率要求和连续运行时间要求。然而，工程上不能全额消纳弃风的情况下，按照式(7)配置储热装置可能会导致储热容量偏大，不能达到经济最优。

1.2 部分消纳弃风电量储热与弃风匹配模型

实际上，电网为了全额消纳弃风电量不会仅采用单一的储热技术措施，因此，为了提高储热装置的利用效率，可以依据式(1)计算出的年弃风最大功率PNQWM，给定一个比例系数L，来确定储热装置配置的功率，如式(8)所示

按式(8)配置储热功率后，储热装置就不能全额消纳弃风电量。那么，弃风电量就包含两个部分，一是弃风功率低于储热功率部分，这部分弃风能被全额消纳；另一部分是弃风功率高于储热功率部分，这部分弃风电量的消纳只能由其他措施完成。因此，当弃风功率低于储热功率时，被储热装置消纳的弃风功率PXQW等于实际弃风功率PQW；当弃风功率高于储热功率时，被储热装置消纳的弃风功率PXQW等于储热装置配置功率PC，如式(9)所示

根据式(8)确定的储热装置配置容量，一年中实际消纳的总弃风电量等于每天每个小时消纳掉的弃风功率之和，如式(10)所示

当弃风电力高于储热装置配置功率时，剩余电量只能被弃掉。未能消纳的弃风电量PQWQ可以由式(11)表示

储热按式(8)配置功率后，消纳的弃风电量占比∂可用式(12)表示

可见，当弃风功率高于储热功率时，储热装置配置比例系数L越大，消纳的弃风电量占比∂也越大。

1.3 弃风发生的时序分析模型

弃风现象发生时序分析是储热装置投入策略的依据，对于弃风功率PQW(I，J)，只要大于等于临界值ε，就记录TQW(I，J)=1，否则，TQW(I，J)=0，如式(13)所示

式中，TQW(I，J)表达的就是弃风发生的时序，为1 表示发生了弃风，为0 就没有发生弃风。连续为1的个数，就是连续发生弃风的小时数。

那么，总的弃风小时数TNQW即可由式(14)表达

当N为365、M为24 时，式(14)表达的就是一年弃风小时数；如果N为一个月30天，M为24时，式(14)表达的就是一个月的弃风小时数；如果N为一年一个取暖季的天数，例如150 天，M为每天24小时，式(14)表达的就是取暖季弃风小时数；如果N为一年365 天，M为每天低谷时段的小时数，例如10小时，式(14)表达的就是低谷时段的弃风小时数；如果N为一年一个取暖季的天数，例如150 天，M为每天低谷时段的小时数，例如10 小时，式(14)表达的就是取暖季低谷时段的弃风小时数。

同样地，还可以计算弃风功率小于储热装置配置功率PC的弃风小时数。当弃风功率PQW(I，J)小于储热装置容量PC时，记录TXQW(I，J)=1，否则，TXQW(I，J)=0，如式(15)所示

那么，弃风功率小于储热装置容量PC的总小时数TNXQW即可由式(16)表达

当弃风功率超过储热装置额定容量PC时，即使储热装置满负荷投入，也不能全额消纳弃风。从而，可计算出在储热装置满负荷PC投入使用的情况下，仍有弃风不能被消纳的总小时数TC，如式(17)所示

2 电储热运行特性

实际电网中的电储热装置可以当做负荷，通常分为两类，一类是分布式电储热负荷，为低谷运行方式，每天低谷时段开始投入，低谷结束退出，如式(18)所示

式中，PL表示电网负荷；PLC表示分布式储热投入功率；t1表示低谷起始时间；t2表示低谷结束时间；T表示运行温度；TM表示运行温度上限。式(18)表明电网运行到低谷起始时间t1投入储热装置，在低谷结束时间t2退出储热装置；当储热装置运行温度T≥TM时，储热装置也退出。

分布式电储热负荷只在电网低谷时段运行，电网低谷时段正是电网调峰最困难时段，如果此时段有大量风力发电需求，电网就极易发生弃风电现象，有了储热负荷，就会为风力发电提供空间。因此，分布式电储热负荷消纳的不全是弃风电，但一定是低谷电。

集中式电储热方式，按电网调度指令运行，当电网即将或已经出现弃风现象时投入，弃风现象消失时退出，运行模型如式(19)所示

式中，PG表示电网发电功率。PLC表示集中式储热投入功率。当电网将要或已经出现弃风时，投入集中式储热装置，当运行温度T≥TM时装置退出。

对于一个热电联产发电厂，储热装置的投入相当于减少发电厂的上网电力，提高了热电联产机组的调峰能力，调峰裕度PGF下限由原来的PGm进一步降低，可由式(20)表示

如果一个热电厂的储热功率按50%容量配置，则当发电厂发电的负荷率降到50%时，上网电力就相当于零。所以，发电厂配置50%储热，可以在电网低谷时段等同于停机。

综上所述，不论是集中式电储热，还是分布式电储热，都是电网消纳弃风电的重要措施。分布式储热跟踪负荷曲线，主要目标为消纳低谷电量，同时也会消纳低谷期的部分弃风电量；而集中式储热跟踪弃风现象，其目标是消纳弃风电量。

3 电网弃风储热协调评估方法

电网利用弃风电量制热储热，能够将大量的弃风电量变废为宝。原本弃掉的风电代替从电网购电制热储热，大幅降低了供暖成本、减少了煤炭消耗、提高了风电接纳能力。如果储热能够跟随弃风运行，必将大幅提高储热的利用效率和效果。

储热能否跟随弃风主要取决于两者运行时段是否一致。记录弃风时间序列TQW(I，J)、储热投入时间序列TC(I，J)，如式(21)和式(22)所示

式中，ε为实际发生弃风阀值。

为评估弃风出现后，储热跟随弃风能力，将弃风时间序列TQW(I，J)和储热投入时间序列TC(I，J)进行“与”运算后，形成新的时间序列TWC(I，J)，如式(23)所示

TWC(I，J)为储热投入和弃风时段重合的时间序列，即弃风和储热同时出现的时间序列。TWC(I，J)数值越接近储热TQW(I，J)，说明储热跟随弃风投入效果越好，也更加能够说明储热对弃风的调节作用效果越明显。即有弃风发生时，储热一定投入，反过来，储热投入不一定有弃风电发生，TQW(I，J)、TC(I，J)和TWC(I，J)三者关系如式(24)所示

式(24)表明，储热投入时段远远大于弃风发生时段，其差值表明储热效果δ，如式(25)所示。δ越大，说明储热效果越好。

4 数值分析

以某省电网近五年实际数据为例，表1给出近五年年弃风电量、年最大弃风功率和最大日弃风电量数据表。从表中数据可以看出，前4年最大弃风功率逐年增加，最大日弃风电量变化不大，第3年和第4 年年弃风电量较多，第5 年各种数据均有下降。

表1 近5年年弃风电量、年最大弃风功率和最大日弃风电量数据Table 1 Data of wind abandoned power,maximum power of wind abandoned and maximum power of daily wind abandoned in the past five years 单位:万kW·h

表2给出根据年弃风电量、年最大弃风功率和最大日弃风电量配置的储热功率数据。从表中数据可以看出，按年弃风电量配置的储热功率在第1年和第2 年相近，第3 年至第4 年相近，第5 年略有下降；按年最大弃风功率配置的储热装置功率仍然是第1 年和第2 年相近，第3 年和第4 年相近，第5 年略有下降；按最大日电量配置的储能容量基本相近，只是第5年略低。从三个维度计算配置储热容量表明，用年弃风电量计算出的储热容量较符合实际，按最大日弃风电量配置储热装置的容量数值偏大。

表2 根据年弃风电量、年最大弃风功率和最大日弃风电量配置的储热功率数据Table 2 Data of thermal storage power based on annual abandoned wind power,annual abandoned wind maximum power and daily abandoned wind maximum power 单位:MW

表3给出按年最大弃风功率的不同比例配置储热数据，从表中数据可以看出，按年最大弃风功率的70%配置储热，仍能消纳90%以上的弃风电量，即使是按30%配置，也能消纳2/3的弃风电量，说明用年最大弃风功率配置储热是不够经济的。

表3 按年最大弃风功率的不同比例配置储热数据Table 3 Data of configuration thermal storage according to the annual maximum electric power percentage

表4给出年度弃风、取暖季弃风、取暖季低谷弃风小时数及其占比数据，从表中数据可以看出，以弃风小时数为基数，取暖季弃风占比仍较大，在第3年内超过95%，但是，低谷时段弃风小时数占比都超过50%，只是没有达到60%，说明弃风在电网低谷时段运行时不占优势。表4还表明，北方冬季供暖季，配置储热供暖装置，对消纳弃风电作用明显，只是应该使储热装置跟随弃风，而不是固定在低谷时段运行，因为，只在电网低谷时段运行，只能消纳60%的弃风电量，如果跟随弃风运行，就会消纳90%的弃风。

表4 年度弃风、取暖季弃风、取暖季低谷弃风小时数及其占比数据Table 4 Hours of annual abandonment wind,heating season abandonment wind,heating season low valley abandonment wind and their proportion

以第6 年第一个季度数据为例，图1 给出弃风电量、弃风小时数与弃风功率关系曲线，由曲线可以看出弃风电量与弃风功率关系曲线相当于抛物线，弃风小时数与弃风电力相当于一条单调下降的曲线，两条曲线在最大弃风功率达到2800 MW时停止，此时，弃风电量为2781 MW·h，弃风次数为1。当弃风功率为1600 MW 时，弃风电量达到最大值，为15012 MW·h。可见，如果储热容量达到2800 MW，即可全部消纳弃风电量，此时弃风电量为2781 MW·h；如果储热容量为1600 MW，将有8 次2000 MW、5 次2600 MW 和1 次2800 MW弃风功率达不到全额消纳要求，但同样能消纳8×1600+5×1600+1600=22400 MW·h 弃风电量，而3 个时段总的弃风电量为28284 MW·h，实际弃风电量为28284-22400=5884 MW·h，用5884 MW·h电量换取减少安装1200 MW 储热装置，经济效益显著。

图1 弃风电量、弃风小时数与弃风电力关系曲线Fig.1 The relationship between wind abandoning power capacity,hours of wind abandoning and wind abandoning power

图2 基于第1 年至第5 年弃风数据，给出储热配置功率与消纳弃风电量(亿千瓦时)及其弃风占比曲线图。从图中曲线可以看出，储热配置功率太小，对消纳弃风电量起不到作用，在储热功率增加到500 MW 时，可以消纳20%左右的弃风电量，当其达到1500 MW时，对于第1年和第2年就可以消纳90%以上的弃风电量，超过2000 MW 时，几乎能消纳100%的弃风电量；但是相对第3 年和第4年，2000 MW储热可消纳80%左右的弃风电量。可见，随着风力发电装机容量的增长，以及热电联产机组投入比例的增加，消纳弃风电量需要配置的储热功率也要增加。

图2 储热功率与消纳弃风电量及其弃风占比曲线图Fig.2 Graph of thermal storage power,consumption of abandoned wind and abandonment wind ratio

以第6 年一季度数据为例，总的储热投入电量、弃风电量与应弃风电量曲线图如图3所示。从图中曲线可以看出，总储热投入电量远大于弃风电量，总弃风电量与储热电量之和如果定义为应弃风电量，则应弃风电量远大于实际弃风电量。图3中可以直观地看出储热对弃风的消纳作用，也可以看出储热的投入符合弃风规律，即低谷比例较大。实际上，图中的储热为电网调度中心可直接调度的集中式储热，在21:00—23:00 之间很少投入，是因为在该时段有分布式储热装置投入，占去了集中式储热投入空间。

图3 储能、弃风电量与应弃风电量曲线图Fig.3 The curve of energy storage,wind abandoning and deserting the wind

以第6 年一季度数据为例，总的储热投入时序、弃风时序以及储热与弃风同时发生时序曲线如图4 所示。由图4 可以看出，弃风小时数和储热与弃风同时出现的小时数相近，说明储热能够较好地跟随弃风，只要有弃风就有储热投入；然而，储热投入小时数远高于弃风小时数，说明储热投入时，不一定有弃风发生。此外，储热主要运行于电网低谷时段，说明储热装置的投入使用能够减少弃风发生的小时数。

图4 储热和弃风运行关系图Fig.4 Diagram of energy storage and wind abandoning operation relationship

5 结 论

本文重点研究了如何应用弃风历史数据分析储热功率配置方法，提出了基于年度弃风电量、最大弃风功率和最大日弃风电量配置储热容量的方法，建立了按功率不同比例配置储热装置容量的模型，分析了分布式储热和集中式储热的分时运行特性。通过实际运行数据分析表明，储热是北方地区弃风消纳的最佳方式之一。储热消纳弃风电量的前提是要有足够大的容量，同时，按照年弃风电量和总需求的百分比配置储热装置的容量，比按照最大弃风功率和最大日弃风电量配置储热容量，更能高效利用储热装置。本文提出的方法可用于根据弃风电量历史数据配置储热装置容量，从而更加有效地使用储热装置降低电网弃风率，为北方地区冬季供暖期“清洁供暖”的建设提供理论依据，下一步将继续深入研究储热功率的最佳投入比例。