CN105807633B - 基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法 - Google Patents
基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法,包括以下步骤:S1:提出基于热电联合系统的集中供热管网和建筑物储能特性的风电消纳实现思路;S2:分析集中供热管网和建筑物的热动态特性;S3:基于集中供热管网和建筑物储能特性建立热电联合系统优化调度模型:S4:根据上述求解,协调优化热电联合系统中电力系统和热力系统各供能主体的逐时出力,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略。本方法可以改变原有风电本地消纳的模式,结合电能易传输、不易存储以及热能易存储、不易传输的特点,实现风电热电广域互动,达到风电广域消纳的目的。
Description
技术领域
本发明涉及热电联合系统协调调度控制领域,尤其涉及一种基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法。
背景技术
随着环境污染问题的日益严重以及能源结构综合优化调整问题的逐渐突出,世界各国发展新能源的意识都在不断加强。风电作为最具开发规模的可再生能源发电的代表,近年来受重视的程度越来越高,开发利用发展迅速,但是由于风电出力随风而定,时间上不稳定,空间上不均衡,具有随机性和波动性以及反调峰等特性,使得风力发电的消纳问题比较突出,弃风现象普遍并且严重。
我国的东北、西北、华北等“三北”地区的风电资源丰富,开发规模大,同时供热时间长,其建筑供热70%以上采用集中供暖方式,集中供暖中又有超过50%的热源为热电联产机组。因此,在“三北”地区,热电联产机组占总燃煤机组的比例相当高。在供暖季的夜间时段,全网电负荷处于低谷,但是供热负荷处于高峰,由于热电联产机组“以热定电”的运行方式,使得热电联产机组为满足高峰供热负荷的强迫发电出力很大,留给风电的上网空间很小,电源系统的调节灵活性较小。另一方面,夜间时段也是高风速时段,风电出力较大。二者共同作用,导致大量弃风。“三北”地区的弃风电量已经占到全国弃风电量的99%以上,随着风电开发规模的进一步增大,“三北”地区的弃风现象将更为严重,风电消纳问题进一步凸显,因此需要研究一种符合“三北”地区高风电、多热电等电源特点的调峰模式,达到更多消纳风电的目的。
考虑到“三北”地区供热季的集中供热管网数量庞大、采暖建筑面积巨大,这些管网和建筑物中能够蕴藏巨大的热量,同时集中供热系统管网和采暖建筑物的热惯性很大,在热电联产机组供热量增加的时候,采暖室内温度不能马上升高或者升高的温度过大;在供热量减少的时候,采暖室内温度不能马上减少或者减少的温度过大。这样在一定程度上避免了热负荷需求与风电出力高峰在时间上的冲突。因此,在“三北”地区的供热季,非常有必要研究利用管网和建筑物储能特性来打破热电联产机组“以热定电”的运行模式,实现“热电解耦”,提升系统灵活性,提高风电消纳水平。
目前已有部分学者利用集中供热系统的热动态特性研究热电联产机组进行电力调峰运行的意义和方式。文献[1]介绍了集中供热系统热动态特性研究对于热电联产电力调峰运行的意义,综述了集中供热系统热动态特性研究的进展,对集中供热系统热动态特性研究采用的方法进行了评述。这篇文献中指出“在集中供热系统热动态特性的研究中综合考虑建筑物热动态特性的研究没有进行过”。文献[2]采用系统辨识的方法对于一个以质调节方式运行的热网供热系统,以热网供水温度和室外温度为输入,热网回水温度和建筑物室温为输出的AMRA时间序列模型。将采暖建筑物、热网、热电厂及电网作为一个整体系统,利用供热系统热惯性大的特点,建立背压机组组成的热电厂参与电力调峰的优化运行模型。该文献是基于某地区热网运行的实际数据,采用系统辨识的方法,抽象出来建筑物室内温度与供回水温度之间的关系,没有具体给出建筑物热特性的模型,不具有普适性。文献[3]分析了我国电力行业现阶段存在的问题,提出利用热网和建筑物的热惯性实施热电联产电力调峰的运行模式,对其可行性进行了探讨。该文献只是说明了利用热网和建筑物热惯性实施热电联产电力调峰的可行性,没有给出具体实施方案。文献[4]考虑换热站中一次侧供热热水与二次侧供热出水之间的热交换具有时间延迟,以及供热管网具有巨大的储热能力,来实现热电联产机组的热电解耦。该文献对集中供热管网的建模比较详细,但是过于复杂,计算量巨大,同时没有考虑建筑物的热惯性。文献[5]建立了适用于电热能源集成系统分析的热力网络模型,并在此基础上建立了考虑热力网络约束及火电机组启停的电热能源集成系统运行优化模型。该文献同样没有考虑建筑物的热惯性对于热电联产机组电力调峰的作用。
因此,非常有必要研究建筑物的热惯性,利用建筑物储能进行热电联产电力调峰促进风电消纳的问题值得关注。
发明内容
根据现有技术存在的问题,本发明公开了基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法,包括以下步骤:
S1:提出基于热电联合系统的集中供热管网和建筑物储能特性的风电消纳实现思路;
S2:分析集中供热管网和建筑物的热动态特性;
S3:基于集中供热管网和建筑物储能特性建立热电联合系统优化调度模型:对集中供热管网和建筑物的热动态特性分别进行建模,抽象成适合热电联合系统优化调度模型的非线性约束条件,并给出该优化调度模型的目标函数并进行求解;
S4:根据上述求解,协调优化热电联合系统中电力系统和热力系统各供能主体的逐时出力,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略。
S3中具体包括以下方式:
S31:建立集中供热管网的抽象模型,将其延迟与损耗的热动态特性抽象成满足热电联合系统优化调度模型约束条件的多个数学表达式;
S32:建立建筑物的抽象模型,将其储能的热动态特性抽象成满足热电联合系统优化调度模型约束条件的多个数学表达式;
S33:设计热电联合系统优化调度模型:提出基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统优化调度模型。
符合热电联合系统优化调度模型中的集中供热管网模型为:
式中,Δτp,k为管道k的延迟时间;为时段τ内管道k的出口温度;为时段τ内管道k的入口温度;为管道k的外界土壤温度;μp,k为管道k的热损失系数;cw为水的比热;ρw为水的密度;Rp,k为管道k的半径;Gp,k,τ为时段τ内管道k的质量流量。
S33中具体采用如下方式:所述热电联合系统优化调度模型的目标函数是计及弃风惩罚成本的火电机组运行成本:
式中,为标准煤的价格;σ为弃风惩罚因子;N为调度周期时段数;Nco为纯凝火电机组的数量;Nchp为热电联产机组的数量;Nw为风电场数量;Pco,i,τ为第i台纯凝机组在时段τ内的电出力;Pchp,j,τ为第j台热电联产机组在时段τ内的电出力;Qchp,j,τ为第j台热电联产机组在时段τ内的热出力;Pw,k,τ为风电场k在时段τ内的实际电出力;fi,τ(Pco,i,τ)为第i台纯凝机组在时段τ内的成本函数;fj,τ(Pchp,j,τ,Qchp,j,τ)为第j台热电联产机组在时段τ内的成本函数;为风电场k在时段τ内的预测出力;该热电联合系统优化调度模型的约束条件包括电力系统约束、热力网络约束以及建筑物热动态特性约束,其中热力网络约束主要包括上述的集中供热管网延迟和损耗约束;建筑物热动态特性约束包括上述的室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度耦合约束,以及采暖室内温度上下限约束;
集中供热管网延迟和损耗约束是指
室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度耦合约束是指
采暖室内温度上下限约束是指
式中,与分别为保证人体工作生活舒适性的室内温度的上下限;
利用所述目标函数和各种约束条件构成热电联合系统优化调度模型,进行求解,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略。
由于采用了上述技术方案,本发明提供的基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法,具有以下优点:1、提出基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统消纳风电的思路,能够打破“三北”地区供热季热电联产机组“以热定电”的运行模式,实现热电解耦,可根据热电联合系统负荷侧需求响应,改变电热源侧控制模式,提高热电联合系统的调峰灵活性;2、该技术方案利用的是现有的数量众多的集中供热管网以及面积巨大的建筑物群,相对于建设风电外送线路、增加储热装置等已有消纳风电的方式不需要任何额外投资,只需要改变相应的控制策略,实现方式简单;3、所提出的适合热电联合系统优化调度的集中供热管网与建筑物热动态特性建模方法,区别于模式识别等抽象方法,建立了具有较大普遍性的通用模型,便于移植;4、所提出的基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统消纳风电的方案,可以改变原有风电本地消纳的模式,结合电能易传输、不易存储以及热能易存储、不易传输的特点,实现风电热电广域互动,达到风电广域消纳的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是基于集中供热管网与建筑物热惯性调峰的热电联合系统结构框图。
图2是集中供热系统结构框图。
图3是集中供热系统与建筑物的热能流图。
图4是基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统优化调度技术方案图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
如图1所示的基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法,具体步骤为:
S1:提出基于热电联合系统的集中供热管网和建筑物储能特性的风电消纳实现思路;电能具有不易存储、易传输;热能具有不易传输、易存储的特性。可以利用热电互补优势,在同一区域电网的多个热电联产机组和风电场之间,或者在不同区域电网之间展开协调控制,实现最大化消纳风电的目的。
如图1所示,为基于集中供热管网与建筑物热惯性调峰的热电联合系统结构框图,热电联合系统中电源为风电场、常规火电厂、热电联产机组等;热源为热电联产机组;电负荷为系统中各种用电设备的用电需求;热负荷为维持采暖建筑物室内温度在要求范围内所需的热量。其中热电联产机组作为热电联合系统中热与电的结合纽带,承担着发电和供热的双重任务,传统调度中,设定热电联产机组按“以热定电”方式运行,调节灵活性受限。
首先,针对某一个区域电网内部的热电联合系统进行分析。在“三北”地区的供热季热负荷高峰时段,热电联产机组为满足热负荷要求使得电出力很大,此时常规机组也在按照最小出力运行,不具备调节能力,系统总的电负荷减去热电联产机组的电出力和常规机组的电出力之后剩余的空间很小,留给风电的空间不足,当风电出力大于这个空间时就产生了弃风。为了减少甚至消灭弃风,热电联产机组必须降低电出力以增大风电上网空间,但是随着热电联产机组电出力的降低,热出力也随之下降,势必在一定程度上影响供热效果,建筑物室内温度会随之降低。但是,一是由于所在区域热电联产机组的总供热量非常大,从而电出力远远大于弃风容量,热电联产机组减少与弃风容量相当的电出力,对本身的热出力影响不大;二是由于集中供热系统和建筑物具有很大的热惯性,热电联产机组热出力降低之后,室内温度不会立刻下降,而是要经过一定的时间延迟之后缓慢的下降。这个时间延迟主要是由集中供热管网中热水流动、换热站中热水能量交换以及建筑物散热器与室内空气热交换造成的,另外建筑物围护结构具有良好的保温特性和储能热性,使得室内空气与室外环境热交换非常缓慢,室温下降缓慢。也就是说当预测风电出力在高峰期时,热电联产机组可以适当减少部分热出力,由于集中供热管网和建筑物的储能作用,建筑物室内温度会经过一定的延迟时间后再缓慢得下降,室温从初始温度下降到室内最低要求温度这一过程需要经过数小时的时间,这段时间内可以降低热电联产机组的电出力,从而消纳更多的高峰风电。另外,也可以在风电低谷时期,适当提高热电联产机组的热出力,建筑物室温就会适当升高,控制在室内温度最高要求温度以内,这样就在风电低谷时将部分热能储存在建筑物中,待到风电高峰时,就可以使得热电联产机组的热出力降低更多,给风电上网腾出空间,以便消纳更多风电。
其次,针对不同区域电网之间的热电联合系统进行分析。充分利用电能易传输、不易存储以及热能易存储、不易传输的特点,形成跨区域的热电联合调度系统。不同区域电网的电负荷峰谷时间、风电峰谷时间以及室外空气温度波动规律都不尽相同,单独一个区域内部受到常规火电机组最小技术出力以及热电联产机组为满足本区域供热要求的最小热出力的限制,使得消纳风电的效果有限,仍有部分弃风,此时如果其它的区域电网在满足本区域供热要求的前提下,除了具有消纳本区域内部风电的能力之外还有部分剩余消纳能力,那么就可以利用这部分剩余能力消纳上述区域中的弃风电量,通过跨区域的热电联合调度系统,实现热电联合系统时间层面与空间层面的协调优化,使得风电消纳达到最大化。
S2:分析集中供热管网和建筑物的热动态特性,集中供热系统属于典型的“过程控制系统”,包括管网与建筑物在内的系统本身存在很大的热惯性,同时热媒的输送存在一定的时间延迟。如图2所示,为集中供热系统结构框图。集中供热系统分为两种,直接供热系统和间接供热系统,其中间接供热系统应用范围最大。一个完整的间接供热系统一般包括热源(热制备环节)、换热站(热转换环节)、管网(热输送环节)、热用户(用热环节)等四部分;直接供热系统中没有换热站。
集中供热系统包括热源(主要为热电联产机组)、一次管网、换热器、二次管网以及热用户等环节。该系统的管网数量巨大、距离较长,管网中热媒通常采用热水,热水在集中供热管网中流动时会产生一定的热损失,并且具有很大的滞后性;该系统还包括数量众多的热交换站,热水在热交换站的一次侧与二次侧进行热量交换时同样会有一定热损失和时间延迟。采暖建筑物的室内温度受到用户散热器散热、室外温度、光照、风速以及建筑围护结构等不同因素的影响,其变化过程是缓慢的,同样表现出具有巨大的热惯性。
S3:基于集中供热管网和建筑物储能特性建立热电联合系统优化调度模型:对集中供热管网和建筑物的热动态特性分别进行建模,抽象成适合热电联合系统优化调度模型的非线性约束条件,并给出该优化调度模型的目标函数并进行求解;
3-1)建立集中供热管网的抽象模型,将集中供热管网的延迟和损耗等热动态特性抽象成满足热电联合系统优化调度模型约束条件的若干数学表达式。
热水在管道中流动,具有一定的时间延迟,同时热水通过管道壁与土壤等外界环境进行热交换,具有一定的损耗。集中供热管网的热特性主要表现为延迟和损耗两个方面,用如下数学表达式描述:
式中,Δτp,k为管道k的延迟时间;为时段τ内管道k的出口温度;为时段τ内管道k的入口温度;为管道k的外界土壤温度;μp,k为管道k的热损失系数;cw为水的比热;ρw为水的密度;Rp,k为管道k的半径;Gp,k,τ为时段τ内管道k的质量流量。
这就是符合热电联合系统优化调度的集中供热管网的模型。
3-2)建立采暖建筑物的抽象模型,将采暖建筑物的热动态特性抽象成满足热电联合系统优化调度模型约束条件的若干数学表达式,主要包括室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度的耦合关系等。
如图3所示,为集中供热系统与建筑物的热能流图。从该图中可以看出,集中供热系统中的热能流通途径如下:热能由热源产生,通过一次管网、换热器、二次管网到达建筑物散热器。建筑物内部,对室内空气温度具有升高作用的因素有散热器散热、人体及照明设备散热等内扰得热以及太阳辐射等;对于室内空气温度具有下降作用的因素有冷风渗透带走的热量以及室内空气通过建筑物门窗和墙体与室外空气交换的热量。
对于τ时刻冬季采暖建筑物供暖房间的建模通过以下瞬态热平衡方程得到:
式中,xg为高度附加率;xch为朝向修正率;xf为风力附加率;Kj为第j面围护结构的传热系数;Fj为第j面围护结构的面积;αj为第j面围护结构的温差修正系数;Tn为室内温度;Tw为室外温度;nk为房间的换气次数;Vid为房间的内部体积;ca为冷空气的定压比热;ρa为供暖室外计算温度下的空气密度;Va为流入的冷空气体积;I为房间的热容量;Qhr为建筑物通过散热器获得的热量;Qtd为建筑物内部得热量。
取建筑物的单位温差传热功率为
建筑物的室内外空气相对温度为
θ(τ)=Tn(τ)-Tw(τ) (5)
建筑物的热储备系数为
则有
Aθ(τ)dτ+Idθ=Qtddτ+Qhr(τ)dτ (7)
得出建筑物室内温度与建筑物散热器供热量、室外温度以及时间之间的耦合关系
式
这就是符合热电联合系统优化调度的建筑物的模型。
3-3)提出热电联合系统优化调度模型。提出基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统优化调度模型,提出该优化模型的目标函数以及各约束条件。
该优化调度模型的目标函数是计及弃风惩罚成本的火电机组运行成本,为
式中,为标准煤的价格;σ为弃风惩罚因子;N为调度周期时段数;Nco为纯凝火电机组的数量;Nchp为热电联产机组的数量;Nw为风电场数量;Pco,i,τ为第i台纯凝机组在时段τ内的电出力;Pchp,j,τ为第j台热电联产机组在时段τ内的电出力;Qchp,j,τ为第j台热电联产机组在时段τ内的热出力;Pw,k,τ为风电场k在时段τ内的实际电出力;fi,τ(Pco,i,τ)为第i台纯凝机组在时段τ内的成本函数;fj,τ(Pchp,j,τ,Qchp,j,τ)为第j台热电联产机组在时段τ内的成本函数;为风电场k在时段τ内的预测出力。
该优化调度模型的约束条件包括电力系统约束、热力网络约束以及建筑物热动态特性约束。其中热力网络约束主要包括上述的集中供热管网延迟和损耗约束;建筑物热动态特性约束包括上述的室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度耦合约束,以及采暖室内温度上下限约束。
集中供热管网延迟和损耗约束是指
室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度耦合约束是指
采暖室内温度上下限约束是指
式中,与分别为保证人体工作生活舒适性的室内温度的上下限。
利用所述目标函数和各种约束条件构成热电联合系统优化调度模型,进行求解,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略。如图4所示,为基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统优化调度技术方案图。第一,按照公式(1)(2)对集中供热管网热特性进行建模,按照公式(3)-(8)对建筑物热特性进行建模;第二,形成热力系统约束条件,结合电力系统约束条件构成热电联合系统优化调度模型约束条件;第三,按照公式(9)给出热电联合系统优化调度模型的目标函数,构成热电联合系统优化调度模型;第四,结合原始数据,对区域电网内部的风电、热电进行协调优化,以及跨区域电网之间的风电、热电协调优化;第五,结合以上优化结果,给出相应的调度控制策略,达到最大化消纳风电的目标。
S4:根据上述求解,协调优化热电联合系统中电力系统和热力系统各供能主体的逐时出力,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明涉及的参考文献如下:
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Claims (2)
1.一种基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:提出基于热电联合系统的集中供热管网和建筑物储能特性的风电消纳实现思路;
S2:分析集中供热管网和建筑物的热动态特性;
S3:基于集中供热管网和建筑物储能特性建立热电联合系统优化调度模型:对集中供热管网和建筑物的热动态特性分别进行建模,抽象成适合热电联合系统优化调度模型的非线性约束条件,并给出该优化调度模型的目标函数并进行求解;
S4:根据上述求解,协调优化热电联合系统中电力系统和热力系统各供能主体的逐时出力,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略;
S3中具体包括以下方式:
S31:建立集中供热管网的抽象模型,将其延迟与损耗的热动态特性抽象成满足热电联合系统优化调度模型约束条件的多个数学表达式;
S32:建立建筑物的抽象模型,将其储能的热动态特性抽象成满足热电联合系统优化调度模型约束条件的多个数学表达式;
S33:设计热电联合系统优化调度模型:提出基于集中供热管网与建筑物储能的热电联合系统优化调度模型;
符合热电联合系统优化调度模型中的集中供热管网模型为:
式中,Δτp,k为管道k的延迟时间;为时段τ内管道k的出口温度;为时段τ内管道k的入口温度;为管道k的外界土壤温度;μp,k为管道k的热损失系数;cw为水的比热;ρw为水的密度;Lp,k为管道k的长度;Rp,k为管道k的半径;Gp,k,ξ为时段ξ内管道k的质量流量。
2.根据权利要求1所述的基于集中供热管网和建筑物储能消纳风电的热电联合系统调度方法,其特征还在于:
S33中具体采用如下方式:所述热电联合系统优化调度模型的目标函数是计及弃风惩罚成本的火电机组运行成本:
式中,为标准煤的价格;σ为弃风惩罚因子;N为调度周期时段数;Nco为纯凝火电机组的数量;Nchp为热电联产机组的数量;Nw为风电场数量;Pco,i,τ为第i台纯凝机组在时段τ内的电出力;Pchp,j,τ为第j台热电联产机组在时段τ内的电出力;Qchp,j,τ为第j台热电联产机组在时段τ内的热出力;Pw,k,τ为风电场k在时段τ内的实际电出力;fi,τ(Pco,i,τ)为第i台纯凝机组在时段τ内的成本函数;fj,τ(Pchp,j,τ,Qchp,j,τ)为第j台热电联产机组在时段τ内的成本函数;为风电场k在时段τ内的预测出力;该热电联合系统优化调度模型的约束条件包括电力系统约束、热力网络约束以及建筑物热动态特性约束,其中热力网络约束主要包括集中供热管网延迟和损耗约束;建筑物热动态特性约束包括室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度耦合约束,以及采暖室内温度上下限约束;
室内温度-建筑物供热量-时间-室外温度耦合约束是指
采暖室内温度上下限约束是指
式中,Qhr为建筑物通过散热器获得的热量;Qtd为建筑物内部得热量;A为建筑物的单位温差传热功率;Ta为建筑物的热储备系数;τn和τk分别为第n和k个时段;与分别为保证人体工作生活舒适性的室内温度的上下限;
利用所述目标函数和各种约束条件构成热电联合系统优化调度模型,进行求解,得出区域内风电消纳以及跨区域风电协调消纳的最优控制策略。
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