东北电力大学崔杨等：解决“三北地区”风电消纳难题的电热联合协调调度方法
基于含储热热电联产机组与电锅炉的弃风消纳协调调度模型
崔杨，陈志，严干贵，唐耀华
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.152406
1项目背景
我国“三北地区”（华北、东北和西北）的风电消纳状况较不理想，弃风严重，其总弃风电量一度占据全国总弃风量的90%以上。造成该问题的主要原因有三点：电能生产和消费的不对称性、电网传输通道限制以及热电联产机组(Combined heat and power，CHP)“以热定电”的生产方式。
在目前大规模风电接入以及热电联产机组高占比的场景下，利用储热装置解耦电热耦合约束，并利用电锅炉增加区域用电负荷是增加风电入网规模、解决热电耦合关系与新能源并网矛盾的有效途径，有着广泛的应用前景。随着储热和电锅炉等装置在电热综合系统中的逐渐应用，促使电热联合系统形成新的能源调度管理机制以适应系统的运行。
2论文所解决的问题及意义
本文以解耦热电耦合约束、提升电力系统调节能力为切入点，解决风电消纳问题。在分析含储热热电联产机组工作原理的基础上，提出极限消纳弃风电量的电锅炉供热量计算方法，对比传统供热方式与协调供热方式的经济性和风电消纳效果，同时达到保证最佳经济性与弃风电量最小化的目的，可为电网调度部门制定日前调度计划提供依据。
3论文重点内容
论文首先分析传统热电联产机组加装储热装置后电热运行特性的变化，并根据含储热热电联产机组与电锅炉的电热综合系统的结构，建立电热综合系统的弃风消纳空间数学模型：
其中，Pw.h.t为传统系统（不含储热装置和电锅炉）供热时的弃风功率；Pw0.t为传统系统不供热时的弃风功率；Pw.h.t为传统系统供热产生的弃风消纳空间(可能为负值)；ΔPw.ech为含储热热电联产机组与电锅炉协调供热时的弃风消纳空间；ΔPw.ch为含储热热电联产机组产生的弃风消纳空间；ΔPEB为电锅炉产生的弃风消纳空间。
为取得最佳经济性并使弃风量最小化，令Pw.h.t =ΔPw.ech，得到极限消纳弃风的电锅炉供热功率计算方法：
其中，Cv为固定进汽量下抽取单位蒸汽量时电功率的减值；Phe2.max为机组最小进汽量下工作于背压工况时的供热功率；β为电锅炉电热转换效率，取0.99。据此得出在一定的总供热范围内，完全消纳弃风的电锅炉供热量只与电网及设备的固有参数有关，与系统总供热负荷大小无关。此原理可用于电锅炉项目的规划，在分析电网风力资源特性和负荷特性的基础上，根据电网结构安排最合适的电锅炉容量。
在此基础上，建立包含弃风成本的日前调度计划目标函数，综合考虑电力系统约束和热力系统约束，增加储热装置运行的相关约束，形成协调供热的弃风消纳调度模型。
采用改进遗传算法求解该经济调度问题，并引入精英保留策略，以保证全局收敛性。模型求解的逻辑关系和流程图分别如图1和图2所示。
图1 模型求解的逻辑关系图
图2 采用含精英策略遗传算法的电热联合经济调度流程图
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采用三种不同供热方式（传统供热方式、增加储热装置并协同供热以及增加储热装置与电锅炉并协调供热）下的经济成本收敛特性和弃风特性分别如图3和图4所示。表1给出了三种方案经济调度的性能对比。
图3 三种不同供热方式下的经济成本收敛特性
图4 采用三种不同供热方式下的弃风特性
表1 三种供热方式的经济调度性能比较
4结论
本文针对“三北地区”冬季弃风问题，提出了基于含储热热电联产机组与电锅炉的弃风消纳协调调度模型以及极限消纳弃风电锅炉供热量的计算方法，比较了三种不用供热方式下的经济调度结果，得到以下结论：
1）含储热热电联产机组与电锅炉的弃风消纳协调调度模型可消纳最多的弃风功率，同时使系统的总调度成本最小，比传统方式减少了11.6%；
2）含储热热电联产机组与电锅炉协调供热的系统中，当电锅炉按极限消纳弃风电量的供热量进行供热时，可获得最佳经济性。
综上，本文方法可在保证最佳经济性的前提下，提高“三北地区”风电消纳能力，缓解北方冬季供暖期风电并网运行困难等问题，可作为电网调度部门制定日前调度计划的依据。
引文信息
崔杨, 陈志, 严干贵, 等. 基于含储热热电联产机组与电锅炉的弃风消纳协调调度模型[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(15): 4072-4080.
Cui Yang, Chen Zhi, Yan Gangui, et al. Coordinated Wind Power Accommodating Dispatch Model Based on Electric Boiler and CHP With Thermal Energy Storage [J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(15): 4072-4080(in Chinese)．
作者简介
崔杨（1980），男，博士，副教授，硕士生导师。主要从事大规模新能源（风电、光伏）联网运行关键技术、电力系统分析与控制的研究工作。主持国家自然科学基金项目、吉林省科技厅发展计划项目、国家电网公司科技项目等研究工作。获吉林省科技进步一等奖1项，吉林省科技进步二等奖1项。在国内外刊物及国际重要学术会议上发表论文30余篇，EI检索15篇；获授权国家发明专利5项。
陈志（1990），男，硕士研究生。主要研究方向为大规模风电联网协调控制策略。
严干贵（1971），男，博士，教授，博士生导师。新世纪百千万人才工程国家级人选，“长白山学者”特聘教授。主要从事新能源联网规划与运行控制、电力系统仿真、FACTS技术等领域的科研工作。主持国家自然科学基金、国家科技支撑计划等项目的研究工作。获国家科技进步二等奖1项，吉林省科技进步一等奖2项，吉林省科技进步二等奖2项。公开发表学术论文80余篇，被EI、ISTP收录40余篇。
唐耀华（1977），男，博士，高级工程师。主要从事新能源电力系统网源协调技术的研究。
作者所在东北电力大学穆钢教授团队，依托“现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术”省部共建教育部重点实验室以及“风力发电联网运行与控制技术”吉林省工程研究中心，紧密结合电网运行的工程技术问题，持续开展系统深入的研究，形成了5个稳定的研究方向：①大规模电力系统安全分析与控制；②城市电网规划；③风电机组大规模联网运行建模、分析与控制；④现代储能技术在风力发电中的应用研究；⑤电力系统数字物理混合仿真研究。近年来主持承担国家自然科学基金项目6项，国家科技部国际合作计划、863计划和国家电网公司项目13项。研究成果应用于我国东北、西北主要风电基地和多个电网调度中心，取得显著的经济效益，为推动我国能源低碳发展和电力系统安全运行做出了重要贡献。
