第38卷第4期2019年4月电工电能新技术AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyVol.38,No.4Apr.2019
收稿日期:2018-03-15基金项目:国家电网公司科技项目(基于新能源接纳的电网调度支持技术研究应用)、国家自然科学基金项目(U1766204)、2017年吉林省发改委产业创新专项项目(2017C017-2)、吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目(吉教科合字[2016]第88号)作者简介:葛维春(1961-),男,辽宁籍,教授级高级工程师,博士,主要从事电力系统运行与控制、源网荷协同接纳调控技术、智能电网调控技术等方面的研究;李军徽(1976-),男,陕西籍,副教授,主要研究方向为新能源运行与控制、大规模储能技术(通讯作者)。提高风电接纳的储热系统容量优化配置葛维春1,李军徽2,马 腾2,李家珏3,高 凯1,杨继男1,王顺江1(1.国网辽宁省电力有限公司,辽宁沈阳110004;2.东北电力大学电气工程学院,吉林省吉林市132012;3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁沈阳110006)摘要:在东北地区,为保证冬季供暖需求,热电联产机组热出力较高,受热、电出力耦合关系限制,风电接纳空间有限。通过电锅炉等装置将电能转换为热能存储于储热系统可以起到减小负荷峰谷差、提高电网风电接纳能力的作用。以辽宁某地区供暖期风电并网受限的情况为例,以综合效益最大化为目标,考虑储热系统投资成本、运维成本、风热转化收益、节省供热燃煤收益、补偿收益等因素,建立一种储热系统辅助电网调峰的优化配置模型,通过模型求解得到最优储热系统容量配置。最后基于辽宁电网运行数据,通过算例验证了所提配置方法的有效性。关键词:风电;峰谷差;储热系统;综合效益DOI:10.12067/ATEEE1803041 文章编号:1003-3076(2019)04-0064-07 中图分类号:TM7341 引言随着雾霾问题的日益恶化,大力开发清洁能源成为解决环境问题的有效途径[1]。在可再生能源飞速发展的同时,以风电为代表的大规模新能源并网给常规电力系统带来了诸多问题[2]。根据国家能源局最新数据统计,2017年全国风电新增并网容量为1503万kW,累计并网装机容量达1.64亿kW,占全部发电装机容量的9.2%;平均弃风率仍高达12%,弃风问题不容忽视[3,4]。由于风电具有波动性、间歇性等特点,大规模风电并网给电网调峰带来巨大负担[5,6],为应对风电并网带来的调峰问题,最大化接纳风电,火电机组需留有足够的向下调节空间[7]。在东北地区,由于冬季供暖需求较大[8],热电耦合特性限制了热电联产机组的调峰能力[9],如果进一步接纳风电将造成电网调峰机组进入非常规出力[10],可能导致机组启停调峰,使冬季电网调峰问题愈加严峻[11,12]。近年来,储热系统由于具有响应速度快、建设成本低等调峰优势而受到广泛关注[13],储热系统响应速度可达分钟级,能够实现风电功率和能量的快速转移[14],储热系统完全有能力参与系统调峰[15],起到保护电力系统安全运行的作用[16,17],储热系统将成为未来能源互联网中的重要一环[18]。截至2017年底,辽宁地区风电装机占比达18.3%,并且建立了卧牛石等大型储能项目基地,故本文以辽宁地区为例进行分析。对于储热辅助电网调峰问题已有相关的研究。文献[19]提出在热电联产电厂加装储热装置,实现热电联产机组与风电场的联合调度。文献[20]考虑风电场与热电机组的整体经济收益,提出了风电场与热电机组的联合运行策略。文献[21]考虑热电机组的热电耦合约束提出了一种计及配置储热装置的热电联产电厂及碳捕集电厂的电力系统优化调度模型。文献[22]以最低运行成本为目标,分别建立火电机组、热电联产机组、电储能系统和蓄热式电锅炉的数学模型研究其综合调度方法。文献[23]构建了含热泵的风电供热项目与弃风协调的灵活运葛维春,李军徽,马 腾,等.提高风电接纳的储热系统容量优化配置[J].电工电能新技术,2019,38(4):64-70.65 行策略,并考虑其经济性,给出了确定风电供热项目最佳配置方案的方法。本文针对辽宁地区冬季供暖期调峰能力不足情况,分析了大规模风电接入对系统调峰造成的影响以及弃风产生的原因,提出利用储热系统对电网负荷“削峰填谷”,在保证电网稳定运行条件下,辅助电网调峰,提出提高风电接纳的储热系统调峰配置方法,并通过算例验证了本文所提配置方法的有效性。2 风电接入引起的调峰问题分析2.1 调峰问题分析电力系统的安全性要求电力系统电能供需保持动态平衡,调峰机组需要适应电源变化以维持电力系统动态平衡。由于风力变化具有波动性、间歇性,导致风电出力难以控制,当风电出力较大而负荷需求较小时,调峰机组需压低其出力,如果仍然无法满足电力系统供需平衡,只能采取“弃风限电”的措施以保证电力系统的安全运行。电网调峰示意图如图1所示。图1中曲线A与曲线C之差为系统峰谷差ΔP:ΔP=Pmax-Pmin(1)式中,Pmax、Pmin分别为负荷最大值和最小值。图1 电网调峰示意图[24]Fig.1 Peakshavingdiagramofpowergrid2.2 电源结构分析辽宁省电源结构以火电为主,其次为风电,调节能力较好的水电装机比较少,辽宁省各电源占比情况见表1。表1 2017年辽宁省电源容量及其比例Tab.1 PowercapacityandproportionofLiaoningprovincein2017项目装机容量/MW占总装机容量比例(%)总装机38852100火电 2474963.7风电 711018.3其他 699318.0火电机组包括热电联产机组和常规机组。由于冬季需要保证供暖,热电联产机组热出力需保持在一定水平,受热电耦合关系限制,热电联产机组电出力随热出力保持在较高水平。并且在夜间,居民及工业用电较少,为了保证电网供需平衡只能限制常规机组的出力,所以供暖期夜间调峰机组向下调节能力有限。火电机组出力与常规机组出力、供热机组出力的关系为:P=Pe+Pre(2)式中,P为火电机组出力;Pre为供热机组出力;Pe为常规机组出力。2.3 调峰能力不足引起的风电接入受限分析目前,辽宁省风电装机容量占总装机容量的18.3%。随着大规模风电接入电网,常规调峰机组在跟随负荷变化的同时,还需承担风电并网造成的调峰压力。由于给定时段(22∶00~次日6∶00)需要保证供暖,热电联产机组受热电耦合特性限制,可接纳风电空间减小,造成大量弃风,弃风电量占可发电量的比例见表2。给定时段内平均弃风率达30.9%,在0∶00~6∶00时段内弃风现象尤为严重,平均弃风率高达35.17%,风电接入严重受限,弃风现象亟待解决。表2 22∶00~次日6∶00弃风电量占可发电量比例Tab.2 Proportionofcurtailedwindpowertopowergenerationfrom22∶00to6∶00nextday 时段弃风率(%)22∶00~23∶0022.623∶00~0:0025.10:00~1:0035.11:00~2:0035.12:00~3:0035.23:00~4:0035.24:00~5:0035.25:00~6:0035.2典型日风电出力与负荷曲线如图2所示。图2中22∶00~次日6∶00为风电大发时段,期间负荷处于低谷时期;12∶00~20∶00为风电出力低谷时段,期间负荷处于高峰时期。该典型日风电功率呈现“反调峰”特性,即负荷峰谷分布与风电场出力峰谷分布在时序上呈相反特性,这种特性将加大等效负荷峰谷差,加剧电网调峰负担。冬季夜间热负荷较高,热电联产机组向下调节能力有限,式(3)为仅火电机组及风电机组供电时,66 电工电能新技术第38卷第4期
图2 典型日风电出力与负荷曲线示意图Fig.2 Schematicdiagramoftypicaldaywindpowerandloadcurve负荷与发电机组出力对应关系,由式(3)可知火电机组下压至其最低出力时,如仍无法满足风电接纳需求,只能采取“弃风限电”的措施。故夜间常为弃风严重时段,系统调峰压力较大。Pfh=P+Pwind(3)式中,Pfh为负荷功率;Pwind为风电可发功率。储热系统可以实现能量的时空平移,在负荷低谷时期,可以提高风电接纳空间,增加风电利用率,故配置一定量储热系统可以有效辅助电网调峰。配置储热系统的同时,为提高辅助电网调峰的储热系统经济效益,需要考虑储热成本及收益情况,如何配置储热容量使其效益最大化是研究的关键问题。3 储热系统辅助调峰的优化配置方法3.1 储热系统辅助电网调峰原理风电场多发电量可以通过电锅炉等设备将电能转化为热能存储于储热系统,由图2可知调峰受限时间为22∶00~次日6∶00,此时为负荷低谷时期,风电处于大发时段,为了进一步接纳风电,火电机组需要按照最小出力发电。对于超出风电接纳空间的部分,可以配置合适容量储热对这部分受限风电进行存储,此时约束条件为:Pfh-Ph.min
图3 典型日消纳弃风储热梯级调度示意图Fig.3 Theheatstoragetoabsorbabandonedwind确定100MW为储热单位调度等级,图3中弃风曲线大于0的部分需要调度储热系统进行消纳,可以看出风电大发时段所需调度储热系统较高,但风电出力持续时间较短,导致储热系统经济性较差,故如何合理配置储热使其经济性最优化是关键问题。3.3 储热系统容量最优配置模型及收益分析以储热系统寿命期限内效益最大化为目标,同时考虑各部分的收益及自身的成本,构建一种储热系统最优容量配置方法,其目标函数为:S(E)=max{D(E)+H(E)+B(E)-CESSE-Tη1E-CPESSPESS}(8)葛维春,李军徽,马 腾,等.提高风电接纳的储热系统容量优化配置[J].电工电能新技术,2019,38(4):64-70.67 式中,E为储热优化配置容量(MW·h);CESS为储热系统容量价格(元/(MW·h));T为储热系统寿命期限(年);η1为单位热储能运维成本(元/(MW·h));CPESS为储热系统单位功率价格(元/MW);D(E)、H(E)、B(E)分别为风热转化收益、替代供热受益、补偿收益。3.3.1 风热转化收益储热系统可有效对负荷削峰填谷,提高供热机组向下调节能力,本文定义风热转化收益为在负荷低谷时期多接纳的风电功率转化的热量收益。风热转化收益为:D(E)=KEQEη(9)式中,KE为输电企业外送单位热量的价格(元/(MW·h));QE为储热系统提高风电接纳转化的热量(MW·h);η为电锅炉电热转化效率。3.3.2 替代供热收益本文定义替代供热收益为储热系统替代供热机组所减少煤炭燃烧的成本和有害气体排放收益。替代供热收益为:H(E)=(Cf+Kfb)QE(10)式中,Cf为供热机组产生单位热量的排放废气成本(元/(MW·h));Kf为煤炭的价格(元/t);b为供热机组煤耗率(kg/(kW·h))。3.3.3 补偿收益本文定义储热系统在电网调峰瓶颈期帮助消纳弃风,避免火电机组超出规定而造成机组启停所获得的补偿收益。储热系统补偿收益为:B(E)=QEPp(11)式中,Pp为电网对非常规调峰机组的调峰电量补偿价格(元/(MW·h))。根据本文提出的储热容量优化配置方法及约束条件可知,当Pfh较小,受限风电较少且受限时间较短时,根据式(8)可知,配置少量的储热E即可提高负荷低谷时段的调峰能力;根据式(9)~式(11),随配置储热容量增加,风热转化收益D、替代供热收益H和补偿收益B会快速增加,使得储热系统的收益大于储热投资成本;当Pfh较大时,受限风电较多,根据式(8)可知,所需储热系统容量E将随之增加,考虑储热系统的成本因素,当储热系统容量超过一定值时,其收益不增反降。因此,当储热系统配置容量达到一定规模时,存在最优的配置容量使得整体经济收益达到最大化。4 算例分析4.1 算例条件以辽宁省电网为例,因为冬季需要保证供暖,夜间负荷需求处于低谷时段,风电出力比较大,因此调峰问题严重。典型日负荷高峰为19944MW,负荷低谷为15771MW;设计保证规定要求的火电机组运行方式,600MW机组7台(供热机组2台),350MW机组15台(供热机组6台),300MW机组16台(供热机组6台),200MW机组23台(供热机组10台),100MW机组22台(供热机组12台),火电机组最小出力为13471MW,可以提供的风电接纳空间为2300MW。该地区负荷情况如图4所示。
图4 典型日负荷曲线Fig.4 Typicaldayloadcurve给定计算条件如下:①谷时购电价格为293元/(MW·h);峰时售热价格为30元/GJ;②储热系统循环寿命为25年,系统能量转换率为95%,容量价格20万元/(MW·h),功率价格为120万元/MW;③替代供热机组收益中,Cf=230元/(MW·h),Kf=400元/t,供热机组煤耗率b取0.48kg/(kW·h);④为简化计算,考虑实际情况,拟定负荷低谷时段0∶00~6∶00,储热设备日充放一次,调度级为10MW,负荷低谷时储热系统吸收风电场多发电量,在负荷需求较高时储热系统为热负荷供热;每年供热季为11月1日~次年3月31日;⑤单位热储能运维成本为11元/(MW·h),Pp=300元/(MW·h)。4.2 算例结果根据式(7)可知,随着储热系统配置容量的增加,减少的弃风量随之增加,由于储热系统采用梯级调度方式,过多配置储热容量将会降低整体的经济性及储热的利用率,盲目配置过多储热并不能提高整体的收益,因此存在最优储热系统配置容量使整体效益最佳。
