CN105976265A - 一种储能协调储热式电锅炉的容量规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能协调储热式电锅炉的容量规划方法，所述方法包括：I、计算电价的持续热负荷曲线的功率上限；II、计算所述电锅炉的热能；III、计算电价高峰时段热负荷电能缺额；IV、计算装置的容量；V、计算电价高峰时段和低谷时段储能装置功率需求；VI、计算全时段储能装置功率需求；本发明的容量规划方法根据待规划区域内年度风电、热负荷数据、峰谷分时电价数据，兼顾安全性和经济性，实现最大限度消纳风电、系统综合成本最低的储能装置与蓄热式电锅炉功率和容量规划。

Description

一种储能协调储热式电锅炉的容量规划方法

技术领域

本发明涉及一种容量规划方法，具体讲涉及一种储能协调储热式电锅炉的容量规划方法。

背景技术

节能减排、环境治理的背景下，国家出台了一系列可再生电源利好政策，风电装机容量快速增长，据统计，截至2015年底，风电累积装机容量达1.45亿千瓦，我国风能资源主要分布在东北、华北和西北地区，由于电网输送能力不足、系统调峰能力有限、就地负荷消纳能力不足等问题，弃风成为风电产业健康发展亟待解决的重要问题。以吉林为例，弃风比例连续多年超过20％限值，由于风电的反调峰特性、供热期间热电机组以热定电的运行方式，吉林冬季供热期间弃风电量约占全年弃风电量的80％，采用风电供热成为近年来国内解决风电消纳问题的一个措施，由于风电具有随机性、间歇性、波动性、反调峰特性，需采用储能储热装置将弃风进行时移，以满足热负荷需求，从而减少弃风，提高风电的消纳能力。

但是目前储能储热装置成本较高且储能容量有限，如何计算所需要配置的蓄热式电锅炉、储能装置的功率和容量，实现提升风电消纳能力是本领域技术人员迫切需要解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种储能协调储热式电锅炉降低弃风的容量规划方法。

本发明提供的技术方案是：一种储能协调储热式电锅炉降低弃风的容量规划方法，所述方法包括如下步骤：

I、计算电价的持续热负荷曲线的功率上限；

II、计算所述电锅炉的热能；

III、计算电价高峰时段热负荷电能缺额；

IV、计算装置的容量；

V、计算电价高峰时段和低谷时段储能装置功率需求；

VI、计算全时段储能装置功率需求。

优选的，按下式计算所述步骤I电价持续热负荷曲线的功率上限包括电价高峰时段和低谷时段持续热负荷曲线的功率上限；

按下式计算所述电价高峰时段持续热负荷曲线的功率上限

$P_L^h=max\left(P_L^h\right(t_1\left)\right)---\left(1\right)$

其中，t₁＝1,2,...,N₁，N₁为电价高峰时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价高峰时段热负荷曲线；

按下式计算所述电价低谷时段持续热负荷曲线的功率上限

$P_L^l=max\left(P_L^l\right(t_2\left)\right)---\left(2\right)$

其中，t₂＝1,2,...,N₂，N₂为电价低谷时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价低谷时段热负荷曲线。

优选的，按下式计算所述步骤II电锅炉的热能包括电锅炉的功率和蓄热装置的放热能力；

按下式计算所述电锅炉功率P_EB：

$P_{EB}=\frac{P_L^h+P_L^l}{2}---\left(3\right)$

按下式计算所述蓄热装置放热能力P_HS：

$P_{HS}=\frac{P_L^h-P_L^l}{2}---\left(4\right)$

其中，表示在电价高峰时段，持续热负荷曲线功率上限，表示在电价低谷时段，持续热负荷曲线功率上限。

优选的，按下式计算所述步骤III电价高峰时段热负荷电能缺额Q^h：

$Q^h=\underset{t_1=1}{\overset{N_i}{\Σ}}\left(P_l^h\right(t_1)-P_w^{h\_curtailment}(t_1\left)\right)\·\mathrm{\Δ}t---\left(5\right)$

其中，表示电价高峰时段弃风曲线，P_l ^h(t₁)表示持续时间1天的数据中电价高峰时段热负荷曲线，Δt表示采样步长；

按下式计算所述弃风曲线

$P_w^{curtailment}\left(t\right)=P_w^r\left(t\right)-P_w\left(t\right)---\left(6\right)$

其中，表示风电极限出力曲线，P_w(t)表示风电实际出力曲线，t＝1,2,...,n，n表示风电极限出力曲线风电实际出力曲线P_w(t)、热负荷曲线P_l(t)的采样点数，三条曲线的采样点数相同，均为n。

优选的，按下式计算所述步骤IV装置包括蓄热装置和储能装置；

按下式计算所述蓄热装置的容量E_HS：

E_HS＝P_HS×T^h (7)

其中，P_HS表示蓄热装置放热能力，T^h表示电价高峰时段的持续时间；

按下式计算所述储能装置的容量E_ESS：

$E_{ESS}=\frac{Q^h-{\mathrm{\η}}_{HS}{E}_{HS}}{\mathrm{\η}}---\left(8\right)$

其中，η：储能装置能量转换效率，η_HS：蓄能供热系统效率，Q^h：电价高峰时段热负荷电能缺额。

优选的，按下式计算所述步骤V的电价高峰时段储能装置功率需求

$P_{ESS}^h=max\left(P_l^h\right(t_1)-P_{HS}-P_w^{h\_curtailment}\left(t_1\right))---\left(9\right)$

其中，t₁＝1,2,...,N₁，表示t₁时段内对储能装置功率需求的最大值。

优选的，按下式计算所述步骤V电价低谷时段储能装置功率需求

$P_{ESS}^l=f_w^{l\_curtailment}\left(t_2^{\′}\right)-f_{EB}^l\left(t_2^{\′}\right)---\left(10\right)$

其中，t′₂表示低谷时段的一个采样点，表示持续弃风曲线在采样点t′₂处的值，表示电锅炉持续出力曲线在采样点t'₂处的值。

优选的，所述t′₂用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{t_2=t_2^{\&prime;}+1}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t<E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\\ \underset{t_2=t_2^{\&prime;}}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\&GreaterEqual;E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，表示低谷时段的持续弃风曲线，表示电锅炉持续出力曲线，Δt表示采样步长，η：储能装置能量转换效率，E_ESS：储能装置的容量。

优选的，按下式计算所述步骤VI全时段储能装置功率需求P_ESS：

$P_{ESS}=\max \left(P_{ESS}^h,P_{ESS}^l\right)---\left(12\right)$

式中，电价低谷时段储能装置功率需求，表示t₁时段内对储能装置功率需求的最大值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明根据待规划区域内年度风电、热负荷数据、峰谷分时电价数据，兼顾安全性和经济性，实现最大限度消纳风电、系统综合成本最低的储能装置与蓄热式电锅炉功率和容量规划。

附图说明

图1为本发明的容量规划方法的流程图；

图2为低谷时段储能装置功率需求示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种储能协调储热式电锅炉降低弃风的容量规划方法，如图1所示，容量规划方法包括如下步骤：

I、计算电价的持续热负荷曲线的功率上限，所述电价的持续热负荷曲线的功率上限包括电价高峰时段和电价低谷时段的持续热负荷曲线的功率上限；

电价高峰时段持续热负荷曲线的功率上限用下式计算：

$P_L^h=max\left(P_L^h\right(t_1\left)\right)---\left(1\right)$

其中，t₁＝1,2,...,N₁，N₁为电价高峰时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价高峰时段热负荷曲线；

所述电价低谷时段持续热负荷曲线的功率上限用下式计算：

$P_L^l=max\left(P_L^l\right(t_2\left)\right)---\left(2\right)$

其中，t₂＝1,2,...,N₂，N₂为电价低谷时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价低谷时段热负荷曲线；N₁和N₂满足下式：N₁+N₂＝N，其中，N为总采样点数。

II、计算电锅炉的功率和蓄热装置的放热能力：

电锅炉功率P_EB用下式计算：

$P_{EB}=\frac{P_L^h+P_L^l}{2}---\left(3\right)$

所述蓄热装置放热能力P_HS用下式计算：

$P_{HS}=\frac{P_L^h-P_L^l}{2}---\left(4\right)$

其中，表示在电价高峰时段，持续热负荷曲线功率上限，表示在电价低谷时段，持续热负荷曲线功率上限。

III、计算电价高峰时段热负荷电能缺额：

电价高峰时段热负荷电能缺额Q^h用下式计算：

$Q^h=\underset{t_1=1}{\overset{N_i}{\&Sigma;}}\left(P_l^h\right(t_1)-P_w^{h\_curtailment}(t_1\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t---\left(5\right)$

其中，表示电价高峰时段弃风曲线，P_l ^h(t₁)表示持续时间1天的数据中电价高峰时段热负荷曲线，Δt表示采样步长；

所述弃风曲线用下式计算：

$P_w^{curtailment}\left(t\right)=P_w^r\left(t\right)-P_w\left(t\right)---\left(6\right)$

其中，表示风电极限出力曲线，P_w(t)表示风电实际出力曲线，t＝1,2,...,n，n表示风电极限出力曲线风电实际出力曲线P_w(t)、热负荷曲线P_l(t)的采样点数，三条曲线的采样点数相同，均为n。

IV、计算蓄热装置和储能装置的容量：

蓄热装置的容量E_HS用下式计算：

E_HS＝P_HS×T^h (7)

其中，P_HS表示蓄热装置放热能力，T^h表示电价高峰时段的持续时间；

所述储能装置的容量E_ESS用下式计算：

$E_{ESS}=\frac{Q^h-{\mathrm{\&eta;}}_{HS}{E}_{HS}}{\mathrm{\&eta;}}---\left(8\right)$

其中，η：储能装置能量转换效率，η_HS：蓄能供热系统效率，Q^h：电价高峰时段热负荷电能缺额。

V、计算电价高峰时段储能装置功率需求：

电价高峰时段储能装置功率需求用下式计算：

$P_{ESS}^h=\max \left(P_l^h\right(t_1)-P_{HS}-P_w^{h\_curtailment}(t_1\left)\right)---\left(9\right)$

其中，t₁＝1,2,...,N₁，表示t₁时段内对储能装置功率需求的最大值。

计算电价低谷时段储能装置功率需求：

电价低谷时段储能装置功率需求用下式计算：

$P_{ESS}^l=f_w^{l\_cunailment}\left(t_2^{\&prime;}\right)-f_{EB}^l\left(t_2^{\&prime;}\right)---\left(10\right)$

其中，t′₂表示低谷时段的一个采样点，表示持续弃风曲线在采样点t'₂处的值，表示电锅炉持续出力曲线在采样点t'₂处的值。

式11中t′₂用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{t_2=t_2^{\&prime;}+1}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t<E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\\ \underset{t_2=t_2^{\&prime;}}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\&GreaterEqual;E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，表示低谷时段的持续弃风曲线，表示电锅炉持续出力曲线，Δt表示采样步长，η：储能装置能量转换效率，E_ESS：储能装置的容量。

VI、计算全时段储能装置功率需求：

全时段储能装置功率需求P_ESS用下式计算：

$P_{ESS}=max(P_{ESS}^h,P_{ESS}^l)---\left(12\right)$

式中，电价低谷时段储能装置功率需求，表示t₁时段内对储能装置功率需求的最大值。

如图1所示，步骤1：根据所获取的待规划区域内年度热负荷数据和峰谷分时电价计算电价高峰与低谷时段的持续热负荷曲线的功率上限；

电价高峰时段持续热负荷曲线的功率上限 其中，t₁＝1,2,...,N₁，N₁为电价高峰时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价高峰时段热负荷曲线；

电价低谷时段持续热负荷曲线的功率上限 其中，t₂＝1,2,...,N₂，N₂为电价低谷时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价低谷时段热负荷曲线。

步骤2、根据所述电价高峰时段和电价低谷时段的持续热负荷曲线的功率上限计算电锅炉功率和蓄热装置放热能力需求；

电锅炉功率P_EB：

蓄热装置放热能力P_HS：

其中，表示在电价高峰时段，持续热负荷曲线功率上限，表示在电价低谷时段，持续热负荷曲线功率上限。

步骤3、根据所述弃风曲线、热负荷曲线计算电价高峰时段热负荷电能缺额；

电价高峰时段热负荷电能缺额Q^h：

其中，表示电价高峰时段弃风曲线，表示持续时间1天的数据中电价高峰时段热负荷曲线，Δt表示采样步长；

弃风曲线

其中，表示风电极限出力曲线，P_w(t)表示风电实际出力曲线，t＝1,2,...,n，n表示风电极限出力曲线风电实际出力曲线P_w(t)、热负荷曲线P_l(t)的采样点数，三条曲线的采样点数相同，均为n。

步骤4、根据所述电价高峰时段热负荷电能缺额、蓄热装置与储能系统技术参数计算蓄热装置和储能装置的容量；

蓄热装置的容量E_HS：E_HS＝P_HS×T^h

其中，P_HS表示蓄热装置放热能力，T^h表示电价高峰时段的持续时间；

储能装置的容量E_ESS：

其中，η：储能装置能量转换效率，η_HS：蓄能供热系统效率，Q^h：电价高峰时段热负荷电能缺额。

步骤5、根据所述电价高峰时段热负荷曲线、弃风曲线、蓄热装置放热能力计算电价高峰时段储能装置功率需求；

电价高峰时段储能装置功率需求

其中，t₁＝1,2,...,N₁，P_l ^h(t₁)表示持续时间一天的数据中电价高峰时段热负荷曲线，P_HS表示蓄热装置放热能力，表示电价高峰时段弃风曲线。

步骤6、根据所述低谷时段的持续弃风曲线、电锅炉持续出力曲线计算电价低谷时段储能装置功率需求；

如图2所示，电价低谷时段储能装置功率需求

$P_{ESS}^l=f_w^{l\_curtailment}\left(t_2^{\&prime;}\right)-f_{EB}^l\left(t_2^{\&prime;}\right)$

其中，t′₂表示低谷时段的一个采样点，表示持续弃风曲线在采样点t'₂处的值，表示电锅炉持续出力曲线在采样点t'₂处的值；

t′₂用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{t_2=t_2^{\&prime;}+1}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t<E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\\ \underset{t_2=t_2^{\&prime;}}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\&GreaterEqual;E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.$

式中，表示低谷时段的持续弃风曲线，表示电锅炉持续出力曲线，Δt表示采样步长，η：储能装置能量转换效率，E_ESS：储能装置的容量。

步骤7、根据所述电价高峰和低谷时段储能装置功率需求计算全时段储能装置功率；

全时段储能装置功率需求P_ESS：

式中，电价低谷时段储能装置功率需求，电价高峰时段储能装置功率需求。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种储能协调储热式电锅炉的容量规划方法，其特征在于，所述方法包括：

I、计算电价的持续热负荷曲线的功率上限；

II、计算所述电锅炉的热能；

III、计算电价高峰时段热负荷电能缺额；

IV、计算装置的容量；

V、计算电价高峰时段和低谷时段储能装置功率需求；

VI、计算全时段储能装置功率需求。

2.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤I电价持续热负荷曲线的功率上限包括电价高峰时段和低谷时段持续热负荷曲线的功率上限；

按下式计算所述电价高峰时段持续热负荷曲线的功率上限

$P_L^h=max\left(P_L^h\right(t_1\left)\right)---\left(1\right)$

其中，t₁＝1,2,...,N₁，N₁为电价高峰时段热负荷的采样点数,表示持续时间一年的电价高峰时段热负荷曲线；

按下式计算所述电价低谷时段持续热负荷曲线的功率上限

$P_L^l=max\left(P_L^l\right(t_2\left)\right)---\left(2\right)$

其中，t₂＝1,2,...,N₂，N₂为电价低谷时段热负荷的采样点数，表示持续时间一年的电价低谷时段热负荷曲线。

3.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤II电锅炉的热能包括电锅炉的功率和蓄热装置的放热能力；

按下式计算所述电锅炉功率P_EB：

$P_{EB}=\frac{P_L^h+P_L^l}{2}---\left(3\right)$

按下式计算所述蓄热装置放热能力P_HS：

$P_{HS}=\frac{P_L^h-P_L^l}{2}---\left(4\right)$

其中，表示在电价高峰时段，持续热负荷曲线功率上限，表示在电价低谷时段，持续热负荷曲线功率上限。

4.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤III电价高峰时段热负荷电能缺额Q^h：

$Q^h=\underset{t_1=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(P_l^h\right(t_1)-P_w^{h\_curtailment}(t_1\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t---\left(5\right)$

其中，表示电价高峰时段弃风曲线，表示持续时间一天的数据中电价高峰时段热负荷曲线，Δt表示采样步长；

按下式计算所述弃风曲线

$P_w^{curtailment}\left(t\right)=P_w^r\left(t\right)-P_w\left(t\right)---\left(6\right)$

其中，表示风电极限出力曲线，P_w(t)表示风电实际出力曲线，t＝1,2,...,n，n表示风电极限出力曲线风电实际出力曲线P_w(t)、热负荷曲线P_l(t)的采样点数，三条曲线的采样点数相同，均为n。

5.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤IV装置包括蓄热装置和储能装置；

按下式计算所述蓄热装置的容量E_HS：

E_HS＝P_HS×T^h (7)

其中，P_HS表示蓄热装置放热能力，T^h表示电价高峰时段的持续时间；

按下式计算所述储能装置的容量E_ESS：

$E_{ESS}=\frac{Q^h-{\mathrm{\&eta;}}_{HS}{E}_{HS}}{\mathrm{\&eta;}}---\left(8\right)$

其中，η：储能装置能量转换效率，η_HS：蓄能供热系统效率，Q^h：电价高峰时段热负荷电能缺额。

6.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤V的电价高峰时段储能装置功率需求

$P_{ESS}^h=max\left(P_l^h\right(t_1)-P_{HS}-P_w^{h\_curtailment}(t_1\left)\right)---\left(9\right)$

其中，t₁＝1,2,...,N₁，表示持续时间一天的数据中电价高峰时段热负荷曲线，P_HS表示蓄热装置放热能力，表示电价高峰时段弃风曲线。

7.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤V电价低谷时段储能装置功率需求

$P_{ESS}^l=f_w^{l\_curtailment}\left(t_2^{\&prime;}\right)-f_{EB}^l\left(t_2^{\&prime;}\right)---\left(10\right)$

其中，t′₂表示低谷时段的一个采样点，表示持续弃风曲线在采样点t'₂处的值，表示电锅炉持续出力曲线在采样点t'₂处的值。

8.如权利要求7所述的规划方法，其特征在于，所述采样点t′₂用下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{t_2=t_2^{\&prime;}+1}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t<E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\\ \underset{t_2=t_2^{\&prime;}}{\overset{N_2}{\&Sigma;}}\left(f_w^{l\_curtailment}\right(t_2)-f_{EB}^l(t_2\left)\right)\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}t\&GreaterEqual;E_{ESS}\&CenterDot;\mathrm{\&eta;}\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，表示低谷时段的持续弃风曲线，表示电锅炉持续出力曲线，Δt表示采样步长，η：储能装置能量转换效率，E_ESS：储能装置的容量。

9.如权利要求1所述的规划方法，其特征在于，按下式计算所述步骤VI全时段储能装置功率需求P_ESS：

$P_{ESS}=max(P_{ESS}^h,P_{ESS}^l)---\left(12\right)$

式中，电价低谷时段储能装置功率需求，电价高峰时段储能装置的功率需求。