CN105656064B - 利用供热时滞性实现热电机组参与系统调峰调度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用供热时滞性热电机组参与调峰调度的方法，其特点是，包括供热时滞性的数学表达形式、总热负荷的优化调度、利用时滞性调节热电机组的出力范围、风‑电‑热综合调度模型和优化模型求解策略等内容。利用供热时滞性，在几乎不影响人民工作生活需要的前提下，一定程度上解决了以往热电机组不参与调峰或参与调峰容量小为电网调峰带来的难题。具有计算简单、结果合理、易于实现且应用价值高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统有功调度领域，是一种利用供热时滞性实现热电机组参与系统调峰调度的方法。
背景技术
当前，我国北方地区冬季供暖期热电机组按照“以热定电”约束运行，热电机组调峰范围小，加之风电反调峰特性，弃风现象严重，导致大量清洁能源的浪费。目前电网中，传统机组的结构已经基本固定，机组的组合模式难以改变，所以欲提高系统调峰能力，挖掘热电机组出力显得尤为重要。事实上，热网和建筑物的储热能力很强，考虑供热时滞性后，抽汽式机组可以解耦其“以热定电”约束，扩大出力调整范围，进而提高调峰能力，以接纳更多风电。现有研究对热网和建筑物的供热时滞性进行了描述，采取多种方法以增强系统调峰能力。热电联产与分产供热相结合的方式不足以满足供热质量；用户对供热的需求具有一定时滞性，短时间内对供热量的调整不至于大范围影响用户需求。研究削减供热量及削减时间对用户室温的影响有助于将供热时滞性应用于热电机组调峰中；蓄热装置能储存多余的能源，在需要时释放，目前蓄热装置主要安装在热电厂附近，且其经济效益不高，对于热电系统来说，用户是很好的蓄热载体，且不需要花费额外费用。因此，将供热受端用户作为蓄热载体，利用供热时滞性增大热电机组调峰能力是一种经济可行的方法，有助于减小系统调峰压力。
室温的变化不仅受供热影响，自然影响也占有很大比重。故室内温度波动性不可避免，即使热电机组出力波动范围不大，实际生活中，温度也不是保持不变的，热电机组利用供热时滞性调峰所产生的温度波动是可以控制在此范围内的。如在高峰负荷，增大热电机组出力和供热量，室温升高，此时供热系统作为一个大的储热装置储存一定热量；在低谷负荷，热电机组减少出力和供热量，由供热系统储存的热量配合供热。
发明内容
本发明的目的是，提供一种具有计算简单、结果合理、易于实现且应用价值高的利用供热时滞性热电机组参与调峰调度的方法。
本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种利用供热时滞性热电机组参与调峰调度的方法，其特征是，它包括以下内容：
1)供热时滞性的数学表达形式
用以下模型来表示热网回水温度τh,t、建筑物室温τn,t与热网供水温度τg,t、室外温度τw,t之间的关系，供热时滞性的约束条件表示为
热电厂抽汽供热流量与热网供回水温度之间的关系用下式表示
式中：J、E表示模型的阶次，温度的单位统一为℃；为抽汽机组t时段抽汽供热流量，MW；G为热网水流量，t/h；cp为定压比热容，J/(kg·℃)；
2)总热负荷的优化调度
通过当前时刻的采暖建筑物的室内温度、供热流量、室外温度预测下一时刻的室内温度，根据下一时刻室内温度的变化趋势，实时调节热电机组的供热流量，合理分配全网的供热流量，使所有参与调度的抽汽式机组的发电功率调节范围之和最大，目标函数表示为：
约束条件:
ui+vi＝1 (7)
0≤vihi≤vihmed,i (9)
目标函数中，cv保持恒定进气量条件下，改变供热抽取两时发电机功率的较少量，cv,1为最大电力出力条件下与之对应的cv值，cv,2为最小电力出力条件下与之对应的cv值；cm为在背压运行条件下热功率和电功率的弹性系数；hmed为在机组发电功率最小条件下的供热功率；为抽气机组的供热功率上限值；分别为抽气机组的发电功率上、下限值；Ki为常数，β是系统内热电机组的数目；约束条件中，供热功率hi要满足功率上下限约束；各发电机组的发热总和要满足供求平衡；ui、vi为0、1变量，分别表示抽气机组的关状态(0)和开状态(1)；
3)利用时滞性调节热电机组的出力范围
基于抽汽式机组的运行工况，对于一个给定的供热功率h，其输出电功率可在一定可行的范围内进行调节，改变供热功率h值，会使机组的出力调节范围产生相应的影响；传统的热电机组的调度方式下，抽汽式机组的供热水平基本保持不变，因此抽汽式机组的调峰能力有限，抽汽式机组的电热特性数学描述如下：
其中，分别为抽汽式机组i在凝气工况下最小、最大有功出力；为抽汽式机组i在t时刻的发电出力；式(10)给出了抽汽式机组热功率与发电功率之间的数学关系，由此能够计算出在给定的热功率的条件下抽汽式机组的发电功率的上下限，考虑了热网和采暖建筑物的供热时滞性后，热电机组的供热流量根据采暖室温的变化作相应的调整，通过降低热电机组在负荷低谷时段的供热水平，来增大抽汽式机组的发电功率的上下限，从而使热电机组具备调峰的能力；
4)风-电-热综合调度模型
在满足电、热平衡的前提下，以系统发电成本最小为目标，通过对热电机组、常规机组和风电机组的出力的优化分配，因此，优化目标函数为
其中：F是系统的煤耗总量；是系统内第i台热电机组t时段的煤耗量，且是系统内第i台常规机组t时段的煤耗量，β是系统内热电机组的数目；δ是系统内常规机组的数目；T为运行周期；
约束条件
A.供电平衡
忽略网损条件下的系统供电平衡约束
其中：为系统内第i台抽汽式机组t时段的电出力；是系统内第i台纯凝机组t时段的电出力；是风电场t时段实际出力；是系统在t时段的负荷预测值；
B.供热平衡
忽略传输损耗条件下的供热平衡约束
其中：是第j座热电厂i台机组t时段的热出力；是区域i在t时段的热负荷预测值；
C.各类机组电出力约束
D.抽汽式机组电出力约束：如式(10)；
E.纯凝式机组电出力约束：
F.风电场出力约束
其中，分别为纯凝机组电出力最小、最大值；是风电场在t时段的预测出力；
G.抽汽式机组热出力约束
抽汽式机组的热功率约束按照式(4)～(9)；
H.机组爬坡率约束
其中，为纯凝式机组爬坡速率下、上限值(MW/min)，T60为单段运行时长，通常为60min，机组最大爬坡速率一般处于最大功率4％～5％的水平；
5)优化模型求解策略
首先采集历史时刻的典型负荷数据，确定需要优化的时段和机组类型；在未进行优化调度时，计算室温和供水温度；获得小时级下的室内温度与供热功率之间的关系，确定热电机组的总供热功率；在保证全网热电机组的电出力调节范围最大的前提下，采用0-1整数规划的方法，求解各台热电机组的热出力，由此确定热电机组的发电出力上下限,模型以24小时为一个运行周期，以4小时为一个时段，从第N时段起采集前一时段中t-1、t-2、t-3时刻的室内温度、室外温度、供回水温度作为已知条件，逐时段向前递推室内温度和供热流量，以常规机组、热电机组和风电的发电功率作为决策变量进行优化计算。
本发明的利用供热时滞性实现热电机组参与系统调峰调度的方法，通过对一个含热电机组、常规机组和风电场的电热综合调度，将风—电—热联合调度优化运行视为初始条件的非线性规划问题，模型以24小时为一个运行周期，以4小时为一个时段，从第N时段起采集前一时段中t-1、t-2、t-3时刻的室内温度、室外温度、供回水温度作为已知条件，逐时段向前递推室内温度和供热流量，以常规机组、热电机组和风电的发电功率作为决策变量进行优化计算；利用供热时滞性，在几乎不影响人民工作生活需要的前提下，一定程度上解决了以往热电机组不参与调峰或参与调峰容量小为电网调峰带来的难题。具有计算简单、结果合理、易于实现且应用价值高等优点。
附图说明
图1抽汽式供热机组运行工况示意图；
图2为200MW机组优化运行前后电出力上下限对比图；
图3为优化运行前后室内温度对比图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的一种利用供热时滞性热电机组参与调峰调度的方法，包括以下内容：
1)供热时滞性的数学表达形式
用以下模型来表示热网回水温度τh,t、建筑物室温τn,t与热网供水温度τg,t、室外温度τw,t之间的关系，供热时滞性的约束条件表示为
热电厂抽汽供热流量与热网供回水温度之间的关系用下式表示
式中：J、E表示模型的阶次，温度的单位统一为℃；为抽汽机组t时段抽汽供热流量，MW；G为热网水流量，t/h；cp为定压比热容，J/(kg·℃)；
2)总热负荷的优化调度
通过当前时刻的采暖建筑物的室内温度、供热流量、室外温度预测下一时刻的室内温度，根据下一时刻室内温度的变化趋势，实时调节热电机组的供热流量，合理分配全网的供热流量，使所有参与调度的抽汽式机组的发电功率调节范围之和最大，目标函数表示为：
约束条件:
ui+vi＝1 (7)
0≤vihi≤vihmed,i (9)
目标函数中，cv保持恒定进气量条件下，改变供热抽取量时发电机功率的较少量，cv,1为最大电力出力条件下与之对应的cv值，cv,2为最小电力出力条件下与之对应的cv值；cm为在背压运行条件下热功率和电功率的弹性系数；hmed为在机组发电功率最小条件下的供热功率；为抽气机组的供热功率上限值；分别为抽气机组的发电功率上、下限值；Ki为常数，β是系统内热电机组的数目；约束条件中，供热功率hi要满足功率上下限约束；各发电机组的发热总和要满足供求平衡；ui、vi为0、1变量，分别表示抽气机组的关状态(0)和开状态(1)；
3)利用时滞性调节热电机组的出力范围
基于抽汽式机组的运行工况，对于一个给定的供热功率h，其输出电功率可在一定可行的范围内进行调节，改变供热功率h值，会使机组的出力调节范围产生相应的影响；传统的热电机组的调度方式下，抽汽式机组的供热水平基本保持不变，因此抽汽式机组的调峰能力有限，抽汽式机组的电热特性数学描述如下：
其中，分别为抽汽式机组i在凝气工况下最小、最大有功出力；为抽汽式机组i在t时刻的发电出力；式(10)给出了抽汽式机组热功率与发电功率之间的数学关系，由此能够计算出在给定的热功率的条件下抽汽式机组的发电功率的上下限，考虑了热网和采暖建筑物的供热时滞性后，热电机组的供热流量根据采暖室温的变化作相应的调整，通过降低热电机组在负荷低谷时段的供热水平，来增大抽汽式机组的发电功率的上下限，从而使热电机组具备调峰的能力；
4)风-电-热综合调度模型
在满足电、热平衡的前提下，以系统发电成本最小为目标，通过对热电机组、常规机组和风电机组的出力的优化分配，因此，优化目标函数为
其中：F是系统的煤耗总量；是系统内第i台热电机组t时段的煤耗量，且是系统内第i台常规机组t时段的煤耗量，β是系统内热电机组的数目；δ是系统内常规机组的数目；T为运行周期；
约束条件
A.供电平衡
忽略网损条件下的系统供电平衡约束
其中：为系统内第i台抽汽式机组t时段的电出力；是系统内第i台纯凝机组t时段的电出力；是风电场t时段实际出力；是系统在t时段的负荷预测值；
B.供热平衡
忽略传输损耗条件下的供热平衡约束
其中：是第j座热电厂i台机组t时段的热出力；是区域i在t时段的热负荷预测值；
C.各类机组电出力约束
D.抽汽式机组电出力约束：如式(10)；
E.纯凝式机组电出力约束：
F.风电场出力约束：
其中，分别为纯凝机组电出力最小、最大值；是风电场在t时段的预测出力；
G.抽汽式机组热出力约束
抽汽式机组的热功率约束按照式(4)～(9)；
H.机组爬坡率约束
其中，为纯凝式机组爬坡速率下、上限值(MW/min)，T60为单段运行时长，通常为60min，机组最大爬坡速率一般处于最大功率4％～5％的水平；
5)优化模型求解策略
首先采集历史时刻的典型负荷数据，确定需要优化的时段和机组类型；在未进行优化调度时，计算室温和供水温度；获得小时级下的室内温度与供热功率之间的关系，确定热电机组的总供热功率；在保证全网热电机组的电出力调节范围最大的前提下，采用0-1整数规划的方法，求解各台热电机组的热出力，由此确定热电机组的发电出力上下限,模型以24小时为一个运行周期，以4小时为一个时段，从第N时段起采集前一时段中t-1、t-2、t-3时刻的室内温度、室外温度、供回水温度作为已知条件，逐时段向前递推室内温度和供热流量，以常规机组、热电机组和风电的发电功率作为决策变量进行优化计算。
按照本发明的利用供热时滞性实现热电机组参与系统调峰调度的方法，大幅增大热电机组调峰能力。如图2所示，以200MW机组为例，在优化前，热电机组有功输出的调节范围为37.9MW，且极端情况下仅有25MW；通过利用供热时滞性，热电机组在需要参与调峰时有功输出的调节范围增大到51.9MW，较优化前正常运行状态增大了36.94％，较优化前极端情况增大了107.6％；而优化前后室温的变化却极小，如图3所示，优化前，室温一直在20.8摄氏度至21.8摄氏度之间波动，优化运行后，室温在20.6摄氏度至21.6摄氏度之间波动，室内最高、最低温度均降低0.2摄氏度，这对人民工作生活几乎没有影响。
Claims (1)
1.一种利用供热时滞性热电机组参与调峰调度的方法，其特征是，它包括以下内容：
1)供热时滞性的数学表达形式
用以下模型来表示热网回水温度τh,t、建筑物室温τn,t与热网供水温度τg,t、室外温度τw,t之间的关系，供热时滞性的约束条件表示为
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热电厂抽汽供热流量与热网供回水温度之间的关系用下式表示
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式中：J、E表示模型的阶次，温度的单位统一为℃；为抽汽机组t时段抽汽供热流量，MW；G为热网水流量，t/h；cp为定压比热容，J/(kg·℃)；
2)总热负荷的优化调度
通过当前时刻的采暖建筑物的室内温度、供热流量、室外温度预测下一时刻的室内温度，根据下一时刻室内温度的变化趋势，实时调节热电机组的供热流量，合理分配全网的供热流量，使所有参与调度的抽汽式机组的发电功率调节范围之和最大，目标函数表示为：
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目标函数中，cv保持恒定进气量条件下，改变供热抽取量时发电机功率的较少量，cv,1为最大电力出力条件下与之对应的cv值，cv,2为最小电力出力条件下与之对应的cv值；cm为在背压运行条件下热功率和电功率的弹性系数；hmed为在机组发电功率最小条件下的供热功率；为抽气机组的供热功率上限值；Pi min、Pi max分别为抽气机组的发电功率上、下限值；Ki为常数，β是系统内热电机组的数目；约束条件中，供热功率hi要满足功率上下限约束；各发电机组的发热总和要满足供求平衡；ui、vi为0、1变量，分别表示抽气机组的关状态(0)和开状态(1)；
3)利用时滞性调节热电机组的出力范围
基于抽汽式机组的运行工况，对于一个给定的供热功率h，其输出电功率可在一定可行的范围内进行调节，改变供热功率h值，会使机组的出力调节范围产生相应的影响；传统的热电机组的调度方式下，抽汽式机组的供热水平基本保持不变，因此抽汽式机组的调峰能力有限，抽汽式机组的电热特性数学描述如下：
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其中，分别为抽汽式机组i在凝气工况下最小、最大有功出力；为抽汽式机组i在t时刻的发电出力；式(10)给出了抽汽式机组热功率与发电功率之间的数学关系，由此能够计算出在给定的热功率的条件下抽汽式机组的发电功率的上下限，考虑了热网和采暖建筑物的供热时滞性后，热电机组的供热流量根据采暖室温的变化作相应的调整，通过降低热电机组在负荷低谷时段的供热水平，来增大抽汽式机组的发电功率的上下限，从而使热电机组具备调峰的能力；
4)风-电-热综合调度模型
在满足电、热平衡的前提下，以系统发电成本最小为目标，通过对热电机组、常规机组和风电机组的出力的优化分配，因此，优化目标函数为
其中：F是系统的煤耗总量；是系统内第i台热电机组t时段的煤耗量，且 是系统内第i台常规机组t时段的煤耗量，β是系统内热电机组的数目；δ是系统内常规机组的数目；T为运行周期；
约束条件
A.供电平衡
忽略网损条件下的系统供电平衡约束
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其中：为系统内第i台抽汽式机组t时段的电出力；是系统内第i台纯凝机组t时段的电出力；是风电场t时段实际出力；是系统在t时段的负荷预测值；
B.供热平衡
忽略传输损耗条件下的供热平衡约束
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其中：是第j座热电厂i台机组t时段的热出力；是区域i在t时段的热负荷预测值；
C.各类机组电出力约束
D.抽汽式机组电出力约束：如式(10)；
E.纯凝式机组电出力约束：
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G.抽汽式机组热出力约束
抽汽式机组的热功率约束按照式(4)～(9)；
H.机组爬坡率约束
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其中，为第i台纯凝式机组向下/上最大爬坡速率限值，MW/min，为第i台抽汽式机组向下/上最大爬坡速率限值，MW/min；T60为单段运行时长，为60min，机组最大爬坡速率处于最大功率4％～5％的水平；
5)优化模型求解策略
首先采集历史时刻的典型负荷数据，确定需要优化的时段和机组类型；在未进行优化调度时，计算室温和供水温度；获得小时级下的室内温度与供热功率之间的关系，确定热电机组的总供热功率；在保证全网热电机组的电出力调节范围最大的前提下，采用0-1整数规划的方法，求解各台热电机组的热出力，由此确定热电机组的发电出力上下限,模型以24小时为一个运行周期，以4小时为一个时段，从第N时段起采集前一时段中t-1、t-2、t-3时刻的室内温度、室外温度、供回水温度作为已知条件，逐时段向前递推室内温度和供热流量，以常规机组、热电机组和风电的发电功率作为决策变量进行优化计算。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |