考慮供熱機(jī)組與電鍋爐互動(dòng)的熱電協(xié)調(diào)調(diào)度方法

譚晶，蔡瑩，羅微，張德亮，張炎增，李展

(1.廣州供電局有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510620；2.北京清大科越股份有限公司，北京 100084)

0 引 言

供熱機(jī)組“以熱定電”的運(yùn)行要求大大限制了供熱機(jī)組出力的調(diào)節(jié)范圍，造成了低谷時(shí)段調(diào)峰能力不足，這也成為風(fēng)電等清潔能源消納的重要限制因素[1-2]。在供熱環(huán)節(jié)增加電鍋爐等電熱設(shè)備作為熱源補(bǔ)充，能大大提升供熱機(jī)組的運(yùn)行靈活性，已成為當(dāng)前解決由于供熱機(jī)組比例較高，導(dǎo)致調(diào)峰能力不足的有效途徑。

在上述背景下，研究供熱機(jī)組與電鍋爐的協(xié)調(diào)運(yùn)行控制方法，對(duì)于提升供熱機(jī)組和電鍋爐的運(yùn)行效率具有非常重要的作用。文獻(xiàn)[3]根據(jù)供熱機(jī)組的熱電特性，提出了熱電負(fù)荷最佳分配方法，在保證滿(mǎn)足供熱要求的前提下提升電力調(diào)節(jié)能力。文獻(xiàn)[4]提出了計(jì)及雜散損耗的供熱機(jī)組能量平衡模型修正方法，以解決供熱機(jī)組熱電特性協(xié)調(diào)建模問(wèn)題。文獻(xiàn)[5-6]提出了考慮供熱機(jī)組運(yùn)行特性的清潔能源消納能力的評(píng)估方法，基于該方法能夠測(cè)算出不同的熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求下調(diào)峰能力變化情況。文獻(xiàn)[7-8]重點(diǎn)研究了含熱電聯(lián)產(chǎn)和電鍋爐的調(diào)度運(yùn)行方法，重點(diǎn)解決凸運(yùn)行特性下的供熱機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行問(wèn)題。

供熱機(jī)組、電鍋爐運(yùn)行要求建模是解決供熱機(jī)組和電鍋爐協(xié)調(diào)運(yùn)行控制的核心問(wèn)題。為此，本文首先深入分析了供熱機(jī)組和電鍋爐的運(yùn)行特性，提出了其協(xié)調(diào)控制優(yōu)化的約束要求；進(jìn)一步結(jié)合供熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)運(yùn)行要求，提出了考慮供熱機(jī)組與電鍋爐互動(dòng)的熱電協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法；最后基于IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)構(gòu)造算例，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性。

1 供熱機(jī)組與電鍋爐運(yùn)行控制要求

1.1 供熱機(jī)組運(yùn)行控制要求

供熱機(jī)組，也稱(chēng)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，是在同一發(fā)電機(jī)組內(nèi)同時(shí)完成發(fā)電與供熱兩種能源形式供應(yīng)的發(fā)電設(shè)備。按照當(dāng)前我國(guó)供熱機(jī)組的調(diào)度運(yùn)行要求，供熱機(jī)組在供熱和發(fā)電上按照“以熱定電”的方式進(jìn)行電力調(diào)度。供熱機(jī)組在協(xié)調(diào)優(yōu)化中不僅需要考慮其與常規(guī)機(jī)組相同的電力運(yùn)行要求，還需要考慮其供熱特性要求，主要包括熱電耦合約束和成本特性?xún)蓚€(gè)方面。

1)熱電耦合約束

對(duì)于供熱機(jī)組在不同供熱量下出力調(diào)節(jié)范圍不同，當(dāng)以供熱量作為橫坐標(biāo)，發(fā)電量作為縱坐標(biāo)繪制其供熱-發(fā)電特性曲線時(shí)，所得的供熱-發(fā)電運(yùn)行區(qū)域存在兩種情況[9-10]425，分別為凸運(yùn)行特性情況(如圖1所示)和非凸運(yùn)行特性情況(如圖2所示)。凸運(yùn)行特性下供熱機(jī)組的運(yùn)行特性可表示為：

(1)

非凸特性下供熱機(jī)組的運(yùn)行特性可表示為：

(2)

圖1 運(yùn)行區(qū)域?yàn)橥苟噙呅螘r(shí)的示意圖

圖2 運(yùn)行區(qū)域?yàn)榉峭苟噙呅螘r(shí)的示意圖

實(shí)際上，絕大部分供熱機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域都為凸多邊形區(qū)域，極少量供熱機(jī)組運(yùn)行區(qū)域?yàn)榉峭苟噙呅螘r(shí)，也可以采用式(4)所示的方法將其轉(zhuǎn)化為凸多邊形形式表示。因此為了簡(jiǎn)化模型表示形式，本文假定所研究對(duì)象均為凸多邊形運(yùn)行區(qū)域的供熱機(jī)組。

2)成本特性

(3)

1.2 電鍋爐運(yùn)行控制要求

所謂電鍋爐，是指將電能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備，常見(jiàn)的電暖氣、電熱器等設(shè)備均可視為電鍋爐，則其運(yùn)行控制需要滿(mǎn)足：

(4)

2 熱電協(xié)調(diào)優(yōu)化建模與求解

2.1 協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)

協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)可選為煤耗最低、運(yùn)行成本最低等多個(gè)類(lèi)型。結(jié)合本文研究需要，不影響整體分析，在本文中選擇煤耗最小作為協(xié)調(diào)優(yōu)化目標(biāo)，并在目標(biāo)中同時(shí)考慮純發(fā)電機(jī)組、供熱機(jī)組兩種類(lèi)型電源。則上述目標(biāo)可表示為：

中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)分析研究會(huì)主辦的會(huì)刊《科學(xué)決策》雜志，系1994年12月創(chuàng)刊的國(guó)家一級(jí)綜合類(lèi)學(xué)術(shù)期刊，該雜志在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域一直得到好評(píng)。2015年7月，中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)分析研究會(huì)官方網(wǎng)站正式開(kāi)通，網(wǎng)站將提供研究會(huì)及專(zhuān)業(yè)委員會(huì)的研究活動(dòng)，加強(qiáng)與專(zhuān)家學(xué)者和社會(huì)的溝通交流。

(5)

2.2 協(xié)調(diào)優(yōu)化約束

所需要考慮的協(xié)調(diào)優(yōu)化約束項(xiàng)包括電網(wǎng)運(yùn)行約束、供熱端運(yùn)行約束、供熱機(jī)組運(yùn)行約束、常規(guī)機(jī)組運(yùn)行約束四類(lèi)。電鍋爐視為普通用電器，這里不對(duì)其特性單獨(dú)建模。

1)電網(wǎng)運(yùn)行約束

電網(wǎng)運(yùn)行約束是指電網(wǎng)運(yùn)行所必須滿(mǎn)足的運(yùn)行約束條件，包括電力電量平衡約束、斷面潮流約束，可表示如下：

(6)

2)供熱端運(yùn)行約束

供熱機(jī)組運(yùn)行約束為在滿(mǎn)足“以熱定電”要求下的供熱機(jī)組運(yùn)行約束，如式(1)～式(2)所示。此外還需要滿(mǎn)足供熱量恒定的要求，可表示如下：

(7)

常規(guī)機(jī)組運(yùn)行約束是指對(duì)純發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組出力運(yùn)行特性的約束項(xiàng)，包括出力上下限和爬坡速率約束，可表示為：

(8)

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文將在IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)造算例，以驗(yàn)證本文所提出方法的有效性。

圖3 IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

IEEE-30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖3所示。

在此基礎(chǔ)上，本文在該算例中設(shè)定6臺(tái)機(jī)組類(lèi)型包括：2臺(tái)純發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)供熱機(jī)組和2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。6個(gè)電源的基本參數(shù)如表1所示。2個(gè)風(fēng)電場(chǎng)預(yù)測(cè)出力曲線如圖4所示，可以看出兩處風(fēng)電場(chǎng)的逆調(diào)峰現(xiàn)象顯著，該特性與實(shí)際風(fēng)電運(yùn)行特性相符，也是造成電網(wǎng)調(diào)峰壓力的主要因素。供熱機(jī)組的運(yùn)行特性曲線均為凸多邊形運(yùn)行區(qū)域，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)注方式見(jiàn)圖1。其中節(jié)點(diǎn)8的供熱機(jī)組有4個(gè)頂點(diǎn)，坐標(biāo)分別為：(0,75)、(50,80)、(0,150)、(60,120)；節(jié)點(diǎn)11的供熱機(jī)組有4個(gè)頂點(diǎn)，坐標(biāo)分別為：(0,100)、(70,120)、(0,200)、(80,160)。

表1 機(jī)組參數(shù)

圖4 風(fēng)電預(yù)測(cè)出力曲線

3.2 算例分析

規(guī)定節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)11的供熱機(jī)組均須要在夜間低谷時(shí)段(00∶00-07∶00)向用戶(hù)供熱，節(jié)點(diǎn)8供熱機(jī)組對(duì)應(yīng)供熱用戶(hù)供熱需求量為50 MW，節(jié)點(diǎn)11供熱機(jī)組對(duì)應(yīng)供熱用戶(hù)供熱需求量為40 MW?？紤]兩種情況下的運(yùn)行情況：①供熱用戶(hù)不增加電鍋爐設(shè)備，按照“以熱定電”的供熱機(jī)組運(yùn)行原則，在保證50 MW的供熱量前提下，相應(yīng)的棄風(fēng)功率曲線如圖5所示；②供熱用戶(hù)增加電鍋爐設(shè)備，在供熱用戶(hù)處增加電鍋爐設(shè)備，并規(guī)定與節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)11供熱機(jī)組對(duì)應(yīng)的供熱用戶(hù)處增加電鍋爐功率上限均為30 MW。據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化分析，棄風(fēng)功率曲線如圖6所示。從棄風(fēng)電量角度對(duì)比上述兩種情況運(yùn)行效率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)不增加電鍋爐時(shí)，系統(tǒng)棄風(fēng)電量達(dá)到284.1 Mw·h，而增加兩處電鍋爐后，棄風(fēng)電量?jī)H為17.8 Mw·h。

圖5 情況一棄風(fēng)功率曲線

圖6 情況二棄風(fēng)功率曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了考慮供熱機(jī)組與電鍋爐互動(dòng)的熱電協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度方法。算例表明：在保證“以熱定電”的基本前提下，通過(guò)增加電鍋爐設(shè)備能大大提升供熱機(jī)組的運(yùn)行靈活性，同時(shí)為棄風(fēng)電量消納創(chuàng)造空間，提升風(fēng)電消納能力。