儲熱式電鍋爐消納風(fēng)電技術(shù)研究

王暉 董桂林

摘要：目前我國風(fēng)電發(fā)展非常迅速，但依然存在著大量的棄風(fēng)問題。棄風(fēng)問題不僅造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也給國民經(jīng)濟(jì)等帶來了不可估量的損失。結(jié)合我國當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及風(fēng)力發(fā)電實(shí)際區(qū)域情況，對電網(wǎng)棄風(fēng)原因進(jìn)行具體分析，提出了一種儲熱式電鍋爐消納棄風(fēng)供熱技術(shù)方案及其數(shù)學(xué)模型，這對于促進(jìn)風(fēng)電供熱就地消納、緩解冬季風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行困難具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：儲熱式電鍋爐;消納棄風(fēng);儲熱;風(fēng)電供熱

0 ? ?引言

近年來，伴隨著新能源發(fā)電技術(shù)的高速發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量也在飛速增長，但依然存在著大量的棄風(fēng)問題。根據(jù)2016年國家能源局發(fā)布的風(fēng)電相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國在2016年總共棄風(fēng)電量高達(dá)497億kWh。

為推進(jìn)風(fēng)電相關(guān)產(chǎn)業(yè)更加快速發(fā)展，研究新能源領(lǐng)域如何更好地消納棄風(fēng)電量已經(jīng)迫在眉睫。本文提出了一種儲熱式電鍋爐消納棄風(fēng)供熱的技術(shù)方案及其數(shù)學(xué)模型，以期合理解決棄風(fēng)問題。

1 ? ?儲熱式電鍋爐消納棄風(fēng)供熱機(jī)理

以儲熱式電鍋爐消納棄風(fēng)電量進(jìn)行供熱的原理是將儲熱式電鍋爐作為熱源代替普通燃煤鍋爐。儲熱式電鍋爐主要由兩部分組成，分別是電極鍋爐部分和蓄熱管部分。儲熱式電鍋爐是一種高效、清潔、安全的新式電加熱設(shè)備。儲熱式電鍋爐在電力系統(tǒng)中也可以看作用電負(fù)荷，負(fù)荷低谷期開啟儲熱式電鍋爐，將電能轉(zhuǎn)換為熱能，一部分可以用來為居民供熱，另一部分可以進(jìn)行儲存，等到白天用電高峰期再進(jìn)行供熱。通過儲熱式電鍋爐進(jìn)行風(fēng)電消納，可以有效降低用電低谷期的棄風(fēng)電量。

儲熱式電鍋爐基本運(yùn)行體系如圖1所示。

儲熱式電鍋爐跟蹤棄風(fēng)波動運(yùn)行模式，比固定時間和功率恒定運(yùn)行模式風(fēng)電消納能力有很大提升，但儲熱式電鍋爐仍依賴電擊棒調(diào)節(jié)運(yùn)行功率，電擊棒頻次、調(diào)節(jié)速度和深度都不能與隨時改變的風(fēng)電相匹配。

電鍋爐功率實(shí)時跟蹤棄風(fēng)功率，這種模式可提高系統(tǒng)消納棄風(fēng)電量能力。同時儲能系統(tǒng)可以有效解決儲熱式電鍋爐跟蹤棄風(fēng)調(diào)節(jié)頻次與響應(yīng)速度不匹配的問題[1]。

2 ? ?儲熱式電鍋爐消納棄風(fēng)數(shù)學(xué)模型及求解

2.1 ? ?數(shù)學(xué)模型確定

有關(guān)風(fēng)電消納的數(shù)學(xué)模型一般有兩種，一種是消納棄風(fēng)電量最大，另一種是系統(tǒng)運(yùn)行成本最小。其中系統(tǒng)運(yùn)行成本最小是指在保證了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行以及負(fù)荷供應(yīng)的情況下，使得方案整體花費(fèi)電價總成本最小，方案中允許有一定規(guī)模的合理[2]棄風(fēng)。本文建立的數(shù)學(xué)模型為棄風(fēng)消納電量最大的數(shù)學(xué)模型，所以不對上述方案加以敘述。

2.2 ? ?消納棄風(fēng)電量最大數(shù)學(xué)模型建立

建立消納棄風(fēng)總電量最大數(shù)學(xué)模型，此模型可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電全額收購，最大棄風(fēng)消納電量就是在此模式下可接受風(fēng)電電量。

該模式下，儲熱裝置在負(fù)荷低谷時期作為熱負(fù)荷吸收熱量，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的調(diào)峰，使風(fēng)電上網(wǎng)空間得到增加。當(dāng)儲熱裝置達(dá)到飽和狀態(tài)不能繼續(xù)儲存熱量[3]時，再將多余風(fēng)電棄掉。

根據(jù)已知風(fēng)電場實(shí)際功率和預(yù)測功率，可求出棄風(fēng)功率，在本模型中這些功率都是已知數(shù)據(jù)。設(shè)實(shí)際某時刻消納棄風(fēng)功率為Ps·t，其中t是1～96的整數(shù)，并且設(shè)當(dāng)日24：00為次日00：00[2]。

目標(biāo)函數(shù)：

max Wa=Pa·t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：T是調(diào)度周期，周期為1天，時長為15 min，所以T=96;t為調(diào)度時段;Pa是儲熱式電鍋爐在t時段消納棄風(fēng)功率（MW）。

3 ? ?約束條件

該數(shù)學(xué)模型約束條件很多，例如電鍋爐以及儲熱罐約束、其他約束等。

3.1 ? ?儲熱式電鍋爐供熱約束

儲熱式電鍋爐運(yùn)行期間，存在著出力約束問題，包括最大出力約束和最小出力約束。設(shè)儲熱式電鍋爐直接供熱最小功率[2]為0，最大功率為Pmax。系統(tǒng)配備儲熱式電鍋爐相關(guān)參數(shù)都是已知，可知Pmax=30 MW。

儲熱式電鍋爐供熱約束為：

0≤P≤Pmax ? ? ?（2）

式中：P是儲熱式電鍋爐加熱功率（MW）;Pmax為儲熱式電鍋爐運(yùn)行最大功率（MW）。

3.2 ? ?儲熱罐相關(guān)約束

在電鍋爐運(yùn)行期，儲熱罐也存在儲熱和放熱約束問題。設(shè)儲熱罐功率為Pi（t），當(dāng)Pi（t）>0時，儲熱罐進(jìn)行儲熱;當(dāng)P1（t）<0時，儲熱罐再放熱。設(shè)儲熱罐在儲熱時期最大功率為P1max，最小功率為P1min，根據(jù)已知參數(shù)，得P1max=30 MW和P1min=0 MW;

設(shè)儲熱罐在放熱時期最大功率為P0max，最小功率為P0min，根據(jù)已知參數(shù)，得P0max=30 MW和P0min=0 MW。

約束條件為：

P1min≤Pi（t）≤P1max

0≤Pi（t） ? ? ? ? （3）

Pi（t）≤0

P0min≤-Pi（t）≤P0max ? ? ?（4）

圖2為儲熱罐一天儲熱量變化情況。

除上述約束條件外，某一時刻儲熱罐所儲存熱量與此時刻儲熱罐儲熱放熱情況以及上一時刻儲熱罐內(nèi)儲存熱量都相關(guān)。設(shè)某一時刻儲熱罐儲存總熱量為H（t），有關(guān)系為：

H（t）=H（t-1）+Pi（t） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）