PDF《采用二级热网电锅炉调峰的消纳弃风机理及经济性分析》

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a e p s - i n f o . c o m 采用二级热网电锅炉调峰的消纳弃风机理及经济性分析 邓佳乐1 ,胡林献1 ,李佳佳1,

2 ( 1. 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江省哈尔滨市

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2. 梅特勒 - 托利多测量技术有限公司,江苏省常州市

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2 5 ) 摘要:针对中国西北、 华北、 东北( 简称 三北 ) 地区冬季供暖期弃风现象日益严重的问题, 在研究 电负荷特性、 热负荷特性与风电场出力特性相关性基础上, 结合电网调峰、 热网调峰特点, 提出二级 热网配置电锅炉进行日调峰的消纳弃风方案.分析了方案的消纳弃风机理, 研究了调峰电锅炉的 启停控制策略, 构建了基于二级热网电锅炉调峰的电热联合系统优化调度模型, 并分析了方案的经 济性.研究表明, 该方案能在降低热电机组热负荷峰值、 以热定电 必发电功率的同时增加电网负 荷谷值, 从而为风电上网留出更大空间, 提升风电消纳率, 且能为整个电热联合系统带来经济收益. 关键词:消纳弃风机理;

二级热网;

调峰电锅炉;

启停控制策略;

经济性分析 收稿日期:

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修回日期:

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2 5. 上网日期:

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2 0. 国家科技支撑计划资助项目(

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0 0 ) .

0 引言 在中国的西北、 东北、 华北( 简称 三北 ) 地区, 冬季供暖普遍采用以热电联产为主的集 中供热方 式, 热电联产机组在该地区占有相当大的比例[

1 - 2] . 由于热负荷与电负荷有着相反的峰谷特性, 且热电 机组有 以热定电 的工况约束, 导致供热高峰期热 电机组必发电功率较大, 使得一些火电机组不得不 进行深度 调峰或直接停机, 电力系统调峰非常困难[

3 - 4] .近年来, 具有反调峰特性的风电大规模并网 进一步加剧了调峰难度, 致使 三北 地区弃风时常 发生, 其中, 吉林、 内蒙古、 甘肃等地是弃风最为集中 的区域, 最高弃风率均在2 0%以上[

5 ] . 大量研究表明, 解耦热电机组部分热电耦合能 够有效提高电热联合系统的调峰能力及 风电消纳 率[ 6] .目前, 热电机组的热电解耦方案主要分为两 类: 一类是通过平移热负荷来降低热电机组夜间热 负荷, 从而降低其 以热定电 的必发电功率[

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1 0] ;

另 一类是通过电热负荷转换来实现削热负荷峰、 填电 负荷谷的效果[

1 1 -

1 6] .文献[

1 0 ] 研究了热电机组利用 储热消纳风电的机理, 验证了在热电厂配置储热的 可行性, 但该方案需要在热负荷低谷时段对蓄热器 蓄热, 在调度过程中引入了时间耦合, 增加了优化难 度.文献[

1 1 ] 通过空调热泵改变电热负荷的比例, 实现了对风电机组和热电机组的节能调度, 但该方 案基于智能电网技术及需求侧管理, 需新建远程控 制系统.文献[

1 2] 研究了热电机组热电耦合的机 理, 提出热电厂通过配置电锅炉来解耦其 以热定 电 约束的方案, 该方案能为风电上网提供更多空 间, 有效提高风电消纳率.文献[

1 3] 研究了风电供 热原理及运行特点, 验证了风电供热有利于提高低 谷风电消纳能力, 但该方案需配置储热系统, 且纯用 电能供暖不经济. 热网调峰问题一直是供热领域的研究热点, 调 峰方式主要分为集中式和分布式两种.基本热源一 般选择大型热电厂, 调峰热源则可选择在一级热网 设置集中燃煤锅炉( 集中式调峰) 或二级热网设置燃 气锅炉( 分布式调峰) , 运行方式上采用阶段性调峰, 即采暖初期、 末寒期由基本热源承担全部热负荷, 严 寒期才投入调峰热源[

1 7 ] .研究表明, 采用分布式调 峰供热方式可以降低一级热网的设计容量, 减小远 距离传输热损失, 更具有灵活性与经济性[

1 8 -

1 9] .文献[

2 0 ] 提出了在二级热网中配置电锅炉作为热网日 调峰热源的方案, 并通过算例分析验证了该方案消 纳弃风的可行性.在此基础上, 本文进一步分析了 方案的消纳弃风机理及其经济性, 并优化了电锅炉 启停控制策略.

1 方案及消纳弃风机理 1.

1 电热负荷与风电出力特性相关性分析 一般来说, 电网负荷高峰在白天, 而夜晚处于低 谷, 与热网负荷、 风电出力的峰谷特性正好相反, 即 热网负荷、 风电出力与电网负荷的变化趋势成反向

1 4 第4 0卷第1 8期2016年9月2 5日Vol.40N o .

1 8S e p t .

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1 特性, 而热网负荷与风电出力的变化趋势则大致成 同向特性.由于弃风现象主要发生在夜间 风电大 发、 热负荷高峰、 电负荷低谷期间, 如果此时能将风 电转换成热网调峰热源, 则既能提升风电消纳率, 又 能降低热电机组的供热峰值和 以热定电 必发电功 率, 提高电网调峰能力. 1.

2 基于二级热网电锅炉调峰的消纳弃风方案 基于以上相关性分析, 本文提出在二级热网中 配置电锅炉进行日调峰的消纳弃风方案.二级热网 配置调峰电锅炉后, 其供热系统结构如图1所示. 图1 二级热网配置调峰电锅炉供热系统 F i g .

1 H e a t i n g s y s t e mw i t hp e a k - s h a v i n ge l e c t r i c b o i l e ra t t h e s e c o n d a r yh e a t s u p p l yn e t w o r k 电锅炉装设在各个换热站处, 开启时通过换热 站接入二级热网, 与热电厂一起共同对热用户进行 供热, 此时, 热电厂作为主热源( 基本热源) , 承担基 础热负荷;

电锅炉作为调峰热源, 在热负荷高峰时承 担各供热区域高峰热负荷.电锅炉启动后, 相当于 增加了电网电负荷, 减小了热电机组热负荷和 以热 定电 必发电功率, 从而提高了热电机组 的调峰能 力, 为风电等清洁能源的上网留出了更多的空间. 基于二级热网电锅炉调峰的消纳弃风方案与其 他热电解耦方案相比, 具有如下优点: ①二级热网数 量多, 调峰电锅炉的容量相对较小, 容易实施;

②调 峰电锅炉分散布置在各二级网, 离热负荷中心近, 热 损失小;

③调峰电锅炉可调性好, 可随时启停和调节 供热量, 能够很好地适应热负荷波动. 1.

3 消纳弃风机理 在电热联合系统中, 热电机组的热电耦合使得 电与热的调度密不可分.对于抽凝式热电机组, 其 电功率的上下限随着供热抽汽功率的变化而变化, 当供热抽汽功率较大时, 热电机组电功率的可调节 范围大幅度减小, 调峰能力急剧下降.抽凝式热电 机组电功率上下限约束可由式(

1 ) 表示. Pm a x= aH + bHD Pm i n= aL+ bL D { (

1 ) 式中: Pm a x和Pm i n分别为抽凝式热电机组电功率的 上限和下限;

D 为供热抽汽速率;

aH , bH , aL, bL 为 拟合系数. 三北 地区热电、 风电并存, 且比例较大, 弃风 现象主要出现在冬季夜间, 其弃风机理可用图2加 以解释. 图2 冬季夜间弃风机理示意图 F i g .

2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fw i n dp o w e r a b a n d o n e da tn i g h td u r i n gw i n t e r 图2中, 机组最小技术出力曲线是系统中热电 机组与纯凝火电机组的最小技术出力之和, 纯凝火 电机组的最小技术出力是个常数, 而热电机组的电 出力下限则如式(

1 ) 所示随热负荷的变化而变化: 热 负荷高时增加, 热负荷降低时减少.机组强迫出力 曲线 是在最小技术出力曲线基础上, 预留8% ~

1 0%的机组旋转备用形成, 决定了电网运行中所能 承受的最小负荷, 若负荷小于机组强迫出力, 则一些 机组不得不被迫停机.图中夜间风电大发使电网等 效负荷谷值进一步降低, 而热网负荷峰值又使机组 强迫出力增加, 两者共同作用导致机组强迫出力高 于电网等效负荷, 为了避免纯凝火电机组停机, 风电 场不得不弃风.二级热网电锅炉调峰方案消纳弃风 机理可由图3说明. 图3 消纳弃风机理示意图 F i g .

3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fw i n dp o w e ra c c o mm o d a t i o n 图3中, 在热负荷高峰期间, 调峰电锅炉启动, 起到调峰热源的作用, 替代了部分本应由热电机组 承担的热负荷, 使热电机组承担的高峰热负荷降低,

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1 8 ) ・学术研究・ h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m 对应的机组强迫出力下降.与此同时, 电网电负荷、 等效电负荷增加, 代表弃风量的等效电负荷曲线与 机组强迫出力曲线合围区域减少甚至消失, 从而达 到了消纳弃风的目的.

2 调峰电锅炉启停策略 在二级热网中装设调峰电锅炉是为了在热负荷 高峰、 电负荷低谷阶段削热电机组热负荷的峰, 填电 负荷的谷, 从而降低热电机组部分 以热定电 必发 电功率, 提高电网调峰能力和风电消纳能力.因此, 电锅炉应该仅在热负荷高峰时启动, 承担热网的调 峰任务.调峰电锅炉的主要启停策略如下. 策略1: 阈值启停[

2 0] .先确定各二级热网的基 本热负荷, 即启停阈值.当热负荷高于阈值时, 启动 电锅炉调峰, 即超出启停阈值部分的热负荷全部由 电锅炉承担;

当热负荷低于对应阈值时, 则关闭电锅 炉, 全部热负荷由热电厂承担.调峰电锅炉输出为: Qe=3.

6 η Pe=

0 Q≤Qk Q-Qk Q>

Qk { (

2 ) 式中: Q, Qk, Qe 分别为二级热网热负荷、 调峰电锅 炉启停阈值和承担的热负荷;

Pe 为调峰电锅炉消耗 的电功率;

η 为调峰电锅炉电热转换效率. 策略2: 弃风启停.有弃风时开启调峰电锅炉, 无弃 风时则关闭调峰电锅炉. 调度前先大致由式(

3 ) 确定各时段弃风标志. ft=

1 PC H P F, t+PC ON F>

Pl o a d , t-PWF, t

0 PC H P F, t+PC ON F≤Pl o a d , t-PWF, t { (

3 ) 式中: ft 为t 时段的弃风标志( 1为有弃风, 0为无 弃风) ;

PCH P F, t为t时段所有热电机组强迫出力之和 ( 计算其出力下限时各机组平均分配热负荷) ;

PC ON F 为所有火电机组强迫出力之和( 不考虑爬坡约束) ;

Pl o a d , t为t时段系统总电负荷;

PWF, t为t 时段风电场 预测出力. 阈值启停策略简单易行, 只需要对所供热区域 热负荷进行监测, 就可以确定调峰电锅炉的运行状 态及其出力大小, 且其运行、 管理与热网其他部分无 关.调峰电锅炉出力在优化调度中无需作为单独的 优化变量参与优化, 可以大大降低优化问题的复杂 程度.该策略中, 降低阈值虽可提高风电消纳率, 但 也存在无弃风、 热负荷较高时启动电锅炉调峰的问 题, 这显然并不经济, 因为电........