風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合消納下虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行

賈清泉,劉東澤,孫玲玲,隋 璐,梁紀(jì)峰

(1.電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點(diǎn)實驗室(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院),河北 秦皇島 066004;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

生態(tài)環(huán)境污染日益嚴(yán)重,這成為世界各國所面臨的巨大問題,發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化等高污染能源成為重大舉措[1-3]。隨著新能源技術(shù)的不斷完善與成熟,新能源消納問題成為阻礙其繼續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。虛擬電廠借助智能電網(wǎng)信息平臺將多樣化的分布式資源進(jìn)行優(yōu)化布局及規(guī)模化集群管控以發(fā)揮綜合效能,面對目前電網(wǎng)中存在的各環(huán)節(jié)之間“各自為政、信息孤島”的問題,能夠?qū)崿F(xiàn)各環(huán)節(jié)信息互動與共享,是解決地區(qū)電網(wǎng)新能源消納[4]的有效手段。

風(fēng)力發(fā)電由于有低碳環(huán)保、技術(shù)完善、發(fā)電量大等優(yōu)點(diǎn),得到廣泛應(yīng)用,但是因為其出力與風(fēng)速關(guān)聯(lián)極大,導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性和不確定性強(qiáng),往往出現(xiàn)嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象[5-9]。蓄熱電采暖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃煤取暖方式,其儲能特點(diǎn)能夠在一定程度上緩解風(fēng)電消納的問題[10-11]。文獻(xiàn)[12]分析了蓄熱式電采暖運(yùn)行對系統(tǒng)消納風(fēng)電的影響,然后將電采暖負(fù)荷對視為可控負(fù)荷進(jìn)行調(diào)控,實現(xiàn)風(fēng)電消納,其優(yōu)化過程中將風(fēng)電與蓄熱電采暖單獨(dú)考慮,沒有注意到兩者之間的耦合特性。文獻(xiàn)[13]利用電采暖設(shè)備的儲能特性進(jìn)行消納多余風(fēng)力發(fā)電量,并參與系統(tǒng)調(diào)峰,結(jié)果表明可以改善棄風(fēng)現(xiàn)象,但是其中并沒有對系統(tǒng)運(yùn)行成本進(jìn)行分析。

本文將大量蓄熱電采暖負(fù)荷聚合為虛擬電廠,并將其視為一個具有大規(guī)?？烧{(diào)節(jié)潛力的負(fù)荷參與到電網(wǎng)運(yùn)行。通過建立房屋熱需求模型總結(jié)出蓄熱電采暖參與風(fēng)電消納的用電模式,基于此建立了以消納棄風(fēng)量最大和運(yùn)行成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化運(yùn)行模型,算例結(jié)果證明了所提方法的有效性。

1 風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行模式特性分析

1.1 基于熱力學(xué)原理的房屋熱需求分析

研究風(fēng)電與電采暖聯(lián)合運(yùn)行下的虛擬電廠優(yōu)化運(yùn)行,需要建立電采暖用電特性模型與風(fēng)力發(fā)電模型,本文認(rèn)為用戶房屋通過電采暖設(shè)備進(jìn)行供熱,因此基于建筑物熱量傳遞原理來建立房屋內(nèi)溫度變化與熱量傳遞變化的方程,綜合考慮氣象因素、房屋面積以及取暖量等因素,得出房屋所需熱量,即電采暖設(shè)備為房屋提供的熱量,如式(1)所示

式中:ΔTin為房屋內(nèi)溫度變化值;Qh為用戶所需要的熱功率(視這部分熱功率全部通過電采暖工作供給);Qs為太陽向房屋提供的熱量;Qc為室內(nèi)空氣通過建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)損失的熱量;Qv為室內(nèi)外空氣流動所損失的熱量;Cair為房屋內(nèi)空氣總熱容。

對于某用戶住宅,假設(shè)房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)和熱量相關(guān)參數(shù)已知,根據(jù)房屋熱傳遞關(guān)系可計算得到Qc,其中Qv和Qs可以根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)得到

式中:Kc為綜合傳熱系數(shù),其值大小受房屋外部墻體、地面、門窗傳熱系數(shù)和房屋面積等因素影響;Tin和Ta分別為室內(nèi)溫度、室外溫度;v-為室外風(fēng)速;Kv為綜合換熱系數(shù),其值大小受室內(nèi)空氣比熱容、密度和房屋漏風(fēng)部分面積影響;Fw為房屋可采光面積,其值大小受房屋窗戶面積和太陽光折射系數(shù)影響;Gs為陽光輻射強(qiáng)度。

為維持室內(nèi)溫度不變,根據(jù)能量守恒式可表示為

式(5)為房屋內(nèi)熱量平衡方程式,即房屋所需要的熱量等于室內(nèi)通過墻體和空氣流動損失的熱量減去陽光提供的熱量。本文所提到的用戶熱功率需求,統(tǒng)一用Qh表示。

1.2 蓄熱電采暖參與風(fēng)電消納用電行為

蓄熱電采暖與風(fēng)電進(jìn)行互動,首先是要根據(jù)當(dāng)天風(fēng)電的發(fā)電量選擇進(jìn)行互動運(yùn)行模式,風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行模式如圖1所示。

圖1 風(fēng)電與蓄熱電采暖互動模式

風(fēng)電發(fā)電量則可以從與風(fēng)電相關(guān)的氣象要素入手,分析不同時間尺度所在區(qū)域風(fēng)速數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,建立風(fēng)電出力數(shù)學(xué)模型,最終得到不同時間尺度下風(fēng)電運(yùn)行功率數(shù)據(jù)。根據(jù)風(fēng)電發(fā)電量特征的分析,可以知道當(dāng)風(fēng)電出力足夠時,蓄熱電采暖在充分供熱的情況下選擇進(jìn)行蓄熱;本文假設(shè)風(fēng)電+蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行的方式下能夠預(yù)測次日風(fēng)電機(jī)組出力情況,從而判斷風(fēng)電發(fā)電量是否能夠滿足供電要求,若不能則利用低谷時間加以補(bǔ)償,從而避免高峰時段用電。根據(jù)以上說明,蓄熱電采暖負(fù)荷的互動及運(yùn)行模式可包括如下3個情況,設(shè)t1為當(dāng)天谷電開始時刻,t2為谷電結(jié)束即高峰電的開始時刻,t3為次日谷電開始時刻。

(1)峰電蓄熱供熱過程。如果蓄熱電采暖在風(fēng)力發(fā)電的高峰期存儲的熱量無法滿足用戶的熱需求時,就需要對用戶進(jìn)行實時供熱。一般該過程發(fā)生在t2至t3期間,在該時段進(jìn)行供熱需要用電量為

當(dāng)蓄熱電采暖在風(fēng)力發(fā)電的高峰期存儲的熱量大于用戶的需求熱量時,電采暖剩余蓄熱量為

(2)谷電蓄熱過程。假設(shè)風(fēng)電+蓄熱電采暖互動模式下可以預(yù)測次日風(fēng)電發(fā)電量,如果預(yù)測結(jié)果顯示風(fēng)力發(fā)電量無法滿足用戶熱需求量,則應(yīng)該在低谷時段提前存儲一定的熱量,該過程發(fā)生在t1至t2期間。儲熱過程所需電量為

式中:Psh為用于儲熱的電功率。

(3)平電跟蹤過程。在峰電時段讓蓄熱容量電采暖負(fù)載跟蹤風(fēng)能發(fā)電過程:當(dāng)風(fēng)電功率超過蓄熱電采暖負(fù)載的額定功率而蓄電已滿時,則其余風(fēng)能上網(wǎng);當(dāng)風(fēng)電功率小于電采暖額定容量且蓄電不足時,將風(fēng)能發(fā)電量全部用作電采暖負(fù)荷;該過程通常出現(xiàn)在t1至t2期間。此模式下為電采暖負(fù)荷的用電功率

式中:Qu為用戶的熱功率需求;Pwind為風(fēng)電發(fā)電功率;Pehn為蓄熱電采暖的額定功率;Wehn為電采暖的配置容量。

風(fēng)電上網(wǎng)功率為

購電功率為

蓄熱量為

1.3 風(fēng)電機(jī)組出力模型

風(fēng)能每時每刻都在變化,通常風(fēng)電出力會與風(fēng)速在一定范圍內(nèi)成正比,但是當(dāng)出力達(dá)到額定出力時,風(fēng)速增加出力也不再變化;當(dāng)風(fēng)速小到一定數(shù)值時,風(fēng)機(jī)會停止轉(zhuǎn)動,停止發(fā)電。所以當(dāng)風(fēng)機(jī)規(guī)模確定時,其出力的風(fēng)速范圍也確定了,其發(fā)電功率的多少將取決于當(dāng)?shù)氐奶鞖獾葘嶋H情況。根據(jù)風(fēng)速得到t時刻風(fēng)電輸出功率Pwt(t)為

式中:v(t)為t時刻的風(fēng)速;vc為切入風(fēng)速;vf為切出風(fēng)速;vr為額定風(fēng)速;Pwt,r為風(fēng)電機(jī)組額定功率。

1.4 聯(lián)合運(yùn)行邏輯

結(jié)合1.2提出的蓄熱電采暖3種運(yùn)行模式,得到風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行的邏輯如圖2所示。根據(jù)當(dāng)天時刻的劃分,判斷此時是處于用電高峰期還是用電低谷期。若處于低谷期則蓄熱電采暖根據(jù)自身需熱量進(jìn)入到谷電蓄熱模式或者平電跟蹤模式;若處于用電高峰期,則蓄熱電采暖進(jìn)入峰電蓄熱供熱。

圖2 風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行流程

2 虛擬電廠風(fēng)電與電采暖優(yōu)化運(yùn)行模型

2.1 年運(yùn)行成本計算

結(jié)合風(fēng)電與蓄熱電采暖互動運(yùn)行模式特性,以運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo),建立優(yōu)化模型,但考慮到風(fēng)電與電采暖具有的隨機(jī)性與不確定性,且互動模式下情況復(fù)雜,若按照典型日對其進(jìn)行成本計算,結(jié)果誤差大且普適性差,以全年氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立以年時間尺度為基礎(chǔ)的成本計算方法。運(yùn)行成本計算如下。

(1)通過建立的房屋熱需求模型和風(fēng)力發(fā)電模型,得到用戶的熱需求曲線和風(fēng)電機(jī)組的出力曲線。

(2)假設(shè)以年初首日某時刻t為計算起點(diǎn)時刻,蓄熱式電采暖在t時刻沒有蓄熱量。根據(jù)在步驟(1)中求出的用戶熱需求曲線和風(fēng)電機(jī)組的出力曲線查出t時刻對應(yīng)的數(shù)值,代入到風(fēng)電與蓄熱電采暖的互動邏輯中,開始循環(huán)計算,最終得到Eh、Esh、Pi和Pc。

(3)將Eh、Esh、Pi和Pc代入計算式(15)中,求出風(fēng)電與蓄熱電采暖運(yùn)行成本

式中:Cg為谷電電價;Cf為峰電電價;Cp余電上網(wǎng)售電電價;Cb光伏發(fā)電補(bǔ)貼電價。具體計算過程見圖3。

圖3 年運(yùn)行成本計算流程

2.2 目標(biāo)函數(shù)

電采暖型虛擬電廠在所提出的風(fēng)電與蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行模式下對蓄熱電采暖容量、額定運(yùn)行功率等進(jìn)行合理優(yōu)化,為進(jìn)一步消納風(fēng)電,減少棄風(fēng)量。結(jié)合蓄熱電采暖特性,對虛擬電廠運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化以此來消納更多風(fēng)電,同時優(yōu)化過程中經(jīng)濟(jì)成本必須納入考慮。因此,以消納風(fēng)電量最大和投資運(yùn)行成本最小為目標(biāo),建立虛擬電廠多目標(biāo)優(yōu)化模型,其中投資運(yùn)行成本以年為單位計算,引入等年值系數(shù),可以盡量避免因選取典型場景而引起的誤差。

(1)風(fēng)電消納量最大

式中:Pwi,t為蓄熱電采暖i在t時刻消納棄風(fēng)功率。

(2)投資運(yùn)行成本最小

在目標(biāo)函數(shù)(1)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化電采暖型虛擬電廠經(jīng)濟(jì)性,以安裝的風(fēng)電機(jī)組和蓄熱電采暖全壽命周期投資運(yùn)行成本最小為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù),選擇風(fēng)力發(fā)電單元中風(fēng)電機(jī)組臺數(shù)N1,風(fēng)電機(jī)組單價為M1,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本費(fèi)用為

由于本文以年為周期進(jìn)行成本計算,所以需要將經(jīng)濟(jì)指標(biāo)歸算到年,采用等年值費(fèi)用法進(jìn)行計算,等年值成本系數(shù)為

式中:r為利率;n為設(shè)備使用壽命年限。

將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始投資成本乘上年成本系數(shù)即為等年值投資成本費(fèi)用

將蓄熱電采暖型虛擬電廠的初始投資成本乘上年成本系數(shù)即為等年值投資成本費(fèi)用

式中:Ceh-u為單位蓄熱容量價格。風(fēng)電機(jī)組和蓄熱電采暖等年值維護(hù)成本為

式中:Cwom為每個風(fēng)電機(jī)組所需要的年維護(hù)成本;Cehom為單位容量電采暖所需要的年維護(hù)成本。

綜合分析,目標(biāo)函數(shù)可以表示為

式中:CG為虛擬電廠從電網(wǎng)購電成本;Cbt為蓄熱電采暖型虛擬電廠的補(bǔ)貼價格;Cag為虛擬電廠電采暖聚合成本;Cre為虛擬電廠運(yùn)行過程中的收益;Cth為火電機(jī)組消納成本。

2.3 約束條件

(1)功率平衡約束

式中:u i,t為火電機(jī)組i在t時段的狀態(tài)變量;P i,t為火電機(jī)組i在t時段的出力;I為火電機(jī)組數(shù);ξf為火電機(jī)組的廠用電率;Pwind,t為t時段風(fēng)電場實際出力;ξw為風(fēng)電場的廠用電率;Pload,t為t時段的非電采暖負(fù)荷;Peh,t為t時段的蓄熱電采暖負(fù)荷。

(2)蓄熱式電采暖運(yùn)行約束

熱功率平衡約束

在一個運(yùn)行周期內(nèi),房屋熱負(fù)荷值應(yīng)與蓄熱式電采暖設(shè)備制熱量與蓄熱損耗之差相等,具體如下

式中:ηc為電采暖散熱效率。

蓄熱電采暖容量約束

式中:Weh,min和Weh,max分別為蓄熱電采暖容量的上下限。

(3)風(fēng)電運(yùn)行約束

風(fēng)電實時出力約束

式中:Ppw,t為t時段風(fēng)電場預(yù)測風(fēng)電功率。

風(fēng)電機(jī)組的安裝數(shù)量需在一定范圍內(nèi)

(4)火電機(jī)組出力約束

2.4 模型求解

該模型以消納風(fēng)電量最大和投資運(yùn)行成本最小為目標(biāo)函數(shù),考慮了系統(tǒng)功率平衡約束、風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行約束以及電采暖負(fù)荷的運(yùn)行約束,選取蓄熱電采暖熱容量、蓄熱電采暖額定功率和風(fēng)電機(jī)組安裝數(shù)量為待優(yōu)選的決策變量,由于變量數(shù)較多,求解過程較為復(fù)雜,利用粒子群優(yōu)化算法對所建立模型進(jìn)行求解,求解過程如圖4所示。

圖4 模型求解流程

3 算例分析及仿真結(jié)果

3.1 算例分析

以提高消納新能源能力的同時提升風(fēng)電外送功率的穩(wěn)定性為目標(biāo),對虛擬電廠的風(fēng)電機(jī)組與電采暖進(jìn)行優(yōu)化配置。本節(jié)以北方某區(qū)域煤改電項目作為聚合電采暖型虛擬電廠分析案例,該虛擬電廠聚合了6臺火電機(jī)組G1—G6,且6臺機(jī)組相關(guān)參數(shù)如表1所示,煤改電用戶安裝的蓄熱電采暖為集中供暖方式,擬裝設(shè)的風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量為1.5 MW。

表1 火電機(jī)組參數(shù)

考慮到用戶住宅面積、結(jié)構(gòu)等因素各不相同,為方便分析計算,選取代表性房屋參數(shù)為一般規(guī)律,參與算例分析,如表2所示。

表2 房屋熱力學(xué)模型參數(shù)

由于風(fēng)電機(jī)組出力與電采暖聯(lián)合運(yùn)行受天氣因素影響極大,本節(jié)以該地區(qū)1年8760 h的氣溫和風(fēng)速數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),表3為部分時刻的氣象數(shù)據(jù),結(jié)合風(fēng)電出力模型和蓄熱電采暖模型確定風(fēng)電及負(fù)荷曲線如圖5所示。

表3 部分時刻的氣象數(shù)據(jù)

圖5 風(fēng)電出力預(yù)測及負(fù)荷曲線

算法參數(shù)設(shè)置為:種群數(shù)量為200,初始學(xué)習(xí)因子設(shè)為1.5,最大迭代次數(shù)為100,收斂判據(jù)為相鄰兩代的最優(yōu)個體的適應(yīng)度函數(shù)值差異小于0.1%,此時為最優(yōu)解。

3.2 仿真結(jié)果

通過對算例求解可以得到選取的虛擬電廠在風(fēng)電與蓄熱電采暖運(yùn)行邏輯模型優(yōu)化后的負(fù)荷曲線和風(fēng)電消納水平曲線等。并且算例求解過程中滿足設(shè)定的收斂判據(jù),說明得到的結(jié)果為最優(yōu)解。圖6為考慮電采暖負(fù)荷優(yōu)化后的風(fēng)電消納結(jié)果。

圖6 蓄熱式電采暖優(yōu)化前后的風(fēng)電消納水平

由圖6可以看出,與不對蓄熱電采暖采取控制手段時的風(fēng)電消納曲線進(jìn)行對比,當(dāng)蓄熱式電采暖參與到系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行中系統(tǒng)的風(fēng)電消納功率有所提高,尤其在0:00—7:00這個時間段風(fēng)電消納水平提高最為顯著;在白天時段,風(fēng)力相對較小,所以消納水平變化不大。由此可見,選取的蓄熱電采暖型虛擬電廠的仿真結(jié)果說明電采暖負(fù)荷是具有可控性的,提高電采暖接入系統(tǒng)的比例可以提高系統(tǒng)的風(fēng)電消納能力,增加風(fēng)電上網(wǎng)電量,間接減少本地電網(wǎng)的購電量,節(jié)約成本。電采暖負(fù)荷參與到系統(tǒng)優(yōu)化中也意味著減少了系統(tǒng)為解決風(fēng)電不確定性所儲備的資源,進(jìn)一步提高電網(wǎng)靈活性,增強(qiáng)電網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)事故的資源儲備。圖7則表示對電采暖進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度的結(jié)果。由圖7所示的系統(tǒng)負(fù)荷曲線可知,在夜晚11:00到第二天06:00這個期間,室外溫度低,用戶對溫度要求較高,自然電采暖的用電量也較高;在白天有太陽光為房屋提供熱量,且室外溫度比晚上高,所以電采暖的用電量就相對較低。這一結(jié)果說明本文所設(shè)定的蓄熱電采暖的3種工作模式合理有效。

圖7 蓄熱式電采暖優(yōu)化前后的系統(tǒng)負(fù)荷曲線

在系統(tǒng)總負(fù)荷曲線圖可以看出,在凌晨時段含蓄熱電采暖的總負(fù)荷曲線明顯要比不含蓄熱電采暖的總負(fù)荷曲線要高出一部分;在其他時段2條曲線基本相同,并未發(fā)生明顯波動,但是在10∶00—12∶00時段,也是當(dāng)天用電的高峰時段,含電采暖的曲線略微低于不含電采暖的曲線。這說明當(dāng)對蓄熱式電采暖參與到電網(wǎng)運(yùn)行時進(jìn)行優(yōu)化,可以減少虛擬電廠用電的峰谷差值,使總負(fù)荷曲線更平穩(wěn),提高了電網(wǎng)調(diào)峰資源的潛力,同時為虛擬電廠內(nèi)消納新能源提供了有效手段。電采暖型虛擬電廠的投資相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 電采暖型虛擬電廠投資參數(shù)

通過算例求解計算可以得到的風(fēng)電機(jī)組和蓄熱式電采暖的等年值投資運(yùn)行成本和優(yōu)化配置結(jié)果如表5所示。

表5 風(fēng)電和蓄熱電采暖投資運(yùn)行成本及容量配置

本文隨機(jī)選取了虛擬電廠2種運(yùn)行情況下的風(fēng)電機(jī)組和蓄熱電采暖的成本、容量配置,2種情況的具體結(jié)果如表6所示。

表6 不同容量下的風(fēng)電和蓄熱電采暖投資運(yùn)行成本

由表5、表6中的運(yùn)行結(jié)果可以看出,本文所提風(fēng)電和蓄熱電采暖聯(lián)合運(yùn)行模式下的配置結(jié)果等年值成本最少,經(jīng)濟(jì)性最佳,但是并沒有損失用戶對于取暖的需求。本文模型既可以有效提高風(fēng)電消納水平,提高可再生能源利用率,又可以優(yōu)化虛擬電廠內(nèi)配置,減少投資成本,達(dá)到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

為促進(jìn)可再生能源消納,考慮虛擬電廠內(nèi)資源消納特性,本文以風(fēng)電分布式能源與蓄熱式電采暖互動運(yùn)行模式下的虛擬電廠為研究對象,基于風(fēng)電和蓄熱電采暖特性的分析,提出了一種風(fēng)電機(jī)組和蓄熱式電采暖的聯(lián)合運(yùn)行模式,兩者發(fā)用電相互補(bǔ)充,能夠有效提高系統(tǒng)新能源消納水平。以消納棄風(fēng)量最大和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo),建立了虛擬電廠風(fēng)電與蓄熱式電采暖聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)化運(yùn)行模型,優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組和電采暖容量配置,減少了風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)量。本文針對1個虛擬電廠,在未來的發(fā)展過程中,一定會是多個虛擬電廠同時參與到系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行中,如何實現(xiàn)虛擬電廠之間的信息交互、協(xié)同優(yōu)化運(yùn)行和利益分配等問題,將是下一步的研究方向。