CN107453707A - 利用储热系统解决光伏电能消纳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，在光伏过剩地区将传统燃煤制热改为电制热，打破燃煤热电联供机组“以热定电”的刚性约束，可有效提升光伏的消纳空间。在电制热基础上采用储热系统，综合考虑光伏出力特性、负荷特性以及电价因素，以最小化供热企业在调度周期内的购电成本为目标，优化调度储热运行状态，从时间维度改善供热企业供热特性，在进一步提升光伏消纳水平的同时保证了供热企业的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及光伏消纳技术领域，尤其涉及一种利用储热系统解决光伏电能消纳的方法。
背景技术
我国目前是风电、光伏装机规模和发展速度第一的国家，2015年底风电装机容量达到1.29亿kW，光伏装机容量达到0.43亿kW。可再生能源发电大力发展给人们带来清洁能源的同时，由于风力、光伏发电不可控性、社会用电量增速趋缓以及电网送出通道等问题，导致了严重的弃风、弃光现象，2015年全国弃风比例达到15％，弃光比例达到12.6％，最为严重的甘肃地区弃风、弃光比例分别达到39％和30.7％。导致弃风、弃光问题严重的原因很多，但最根本原因是发电出力与负荷特性不匹配，无法实现实时电力平衡，在常规调节手段耗尽后，不得已对风电及光伏限电。电池储能是解决这一问题的理想设备，其既可视为电源的调节手段，也可视为负荷的调节手段，但由于现阶段电池储能系统造价非常昂贵，且寿命较短，还不能做到商业应用，目前仅在部分工程中作为示范工程运行，如张北国家风光伏输示范工程。
北方地区冬季寒冷，一般有4-5个月的集中供暖期，采用燃煤机组热电联供的方式。由于采用“以热定电”的方式，供热机组调节裕度非常小，而冬季也往往是风电、光伏大发的季节，这也是造成弃风、弃光的一个重要因素。若将燃煤制热改为电制热，采用储热的方式，根据风电、光伏的出力特点，调节制热功率，吸收多余电量，在增加电力负荷的同时，减少供热机组开机量，可大为提高可再生能源消纳水平。
在光伏发电过剩的地区，现状供热多采用燃煤供热机组，其“以热定电”的方式极大限制了光伏电能的消纳，而采用电制热的方式代替传统燃煤制热供暖，并利用储热技术打破“以热定电”的刚性约束，使得电制热的负荷更加柔性，提高光伏消纳比例。本领域技术人员致力于研究利用储热系统解决光伏消纳问题的方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的技术目的在于在电制热基础上采用储热系统，综合考虑光伏出力特性、负荷特性以及电价因素，以最小化供热企业在调度周期内的购电成本为目标，优化调度储热运行状态，从时间维度改善供热企业供热特性，在进一步提升光伏消纳水平的同时保证供热企业的经济效益。
为实现上述技术目的，本发明提供了一种利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，包括以下步骤：
步骤A.建立电制热数学模型；
步骤B.计算调度周期内储热系统的储热容量；
步骤C.将步骤A中的所述电制热数学模型和步骤B中的所述调度周期内储热容量加入传统电网优化调度模型中，建立储热优化调度目标；
步骤D.建立储热优化约束条件；
步骤E.根据步骤D中的所述储热优化约束条件，从步骤C中得到的储热优化调度目标中排除不符合所述储热优化约束条件的方案，筛选出最终的储热优化调度策略。
进一步地，所述步骤A中所述电制热数学模型的表达式为：
Pe2h＝Phload+Phs；
式中，Pe2h为电制热功率；Phload为热负荷，所述热负荷已转化为供电负荷；Phs为储热功率，储热时所述储热功率为正，放热时所述储热功率为负。
进一步地，所述步骤B中所述调度周期内储热系统的储热容量的数学表达式为：
S(t+1)＝S(t)+Phs(t)Δt-(1-η)×S(t)
式中：S(t+1)，S(t)分别为第t+1和第t个调度阶段储热系统累计的储热容量，所述储热容量的单位为MWh；Phs(t)为阶段t所述储热系统的输出功率；Δt为储热系统的调度周期，所述调度周期的单位为h；η为储热系统在Δt时间内的储热效率；所述储热系统受额定容量和额定功率限制，所述储热系统在所述调度周期内的运行约束表达式为：
式中，Phsmin(t)、Phsmax(t)分别为所述储热系统在调度阶段t的最小和最大输出功率，与当前阶段所述储热系统累计容量、容量上下限及额定功率相关；Smax、Smin分别为所述储热系统容量上下限值；S(t)为调度阶段t所述储热系统的容量值。
进一步地，所述步骤C中，所述储热优化调度目标为最小化供热企业在调度周期内的购电成本，所述储热优化调度目标的数学表达式为：
式中，N为一天的调度时段数；Pe2h_pv(t)为第t个调度阶段内电制热从光伏买电的功率，所述从光伏买电的功率单位为MW；Cpv(t)为第t个调度阶段内电制热从光伏买电的电价，所述从光伏买电的电价单位为万元/MWh；Pe2h_net(t)为第t个调度阶段电制热从电网买电的功率，所述从电网买电的功率单位为MW；Cnet(t)为第t个调度阶段电制热从电网买电的电价，所述从电网买电的电价单位为万元/MWh。
进一步地，所述步骤D中，所述储热优化约束条件包括功率平衡约束、电制热功率约束和光伏机组出力约束；所述功率平衡约束的表达式为：
式中，SB为系统节点集合；所述光伏机组出力约束的表达式为：
0≤PGi(t)≤PGimax(t)
式中，PGi(t)为光伏电站i在第t个调度阶段的出力；PGimax(t)为调度部门确定的光伏电站i在第t个调度阶段的可调度入网功率；根据所述步骤A中的电制热数学模型和所述步骤B中的调度周期内储热系统的储热容量，建立所述电制热功率约束，所述电制热功率约束的表达式为：
式中：Pe2h(t)为电制热在第t个调度阶段的功率；Pe2hmax为电制热功率上限值。
进一步地，所述步骤B中的所述调度周期为1小时。
本发明的有益效果：
本发明在电制热基础上采用储热系统，综合考虑光伏出力特性、负荷特性以及电价因素，以最小化供热企业在调度周期内的购电成本为目标，优化调度储热运行状态，从时间维度改善供热企业供热特性，在进一步提升光伏消纳水平的同时保证供热企业的经济效益。
附图说明
图1为本发明一较佳实施例中位于甘肃省肃州区采暖期各月典型日热负荷曲线图。
图2为本发明一较佳实施例中位于甘肃肃州区的光伏出力特性及电网可调度入网功率图。
图3为本发明一较佳实施例中光伏在储热优化调度前后出力曲线图。
图4为本发明一较佳实施例中电制热在储热优化调度前后出力曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
实施例：
如图1、图2所示，图中为甘肃省肃州区采暖期的典型热负荷曲线、光伏出力特性曲线以及电网可调度入网功率曲线，采用以下方法筛选储热优化调度策略：
步骤(a)建立电制热数学模型：
电制热功率取决于供热负荷的大小和储热的功率，数学表达式为：
Pe2h＝Phload+Phs
式中，Pe2h为电制热功率；Phload为热负荷(已转化为供电负荷)；Phs为储热功率，储热为正，放热为负。
步骤(b)计算调度周期内储热系统的储热容量：
储热系统提高光伏消纳电量的本质是通过储热在光伏出力大于系统可调度容量时储热，反之放热。在进行储热优化调度时，相应储热系统的储放热控制策略可以描述如下：
S(t+1)＝S(t)+Phs(t)Δt-η×S(t)
式中：S(t+1)，S(t)分别为第t+1和第t个调度阶段储热系统累计的储热容量，其单位为MWh；Phs(t)为阶段t储热系统的输出功率；Δt为储热系统的调度周期，h；储热系统在Δt时间内会有漏热损失，η为储热系统在Δt时间内的储热效率。
储热系统受额定容量和额定功率限制，在调度周期内的运行约束可以描述如下：
式中，Phsmin(t)、Phsmax(t)分别为储热系统在调度阶段t的最小和最大输出功率，与当前阶段储热系统累计容量、容量上下限及额定功率相关；Smax、Smin分别为储热系统容量上下限值；S(t)为调度阶段t储热系统的容量值。
优选的，调度周期为一小时。
步骤(c)建立储热优化调度目标：
将步骤(a)中的电制热数学模型和步骤(b)中的调度周期内储热容量加入传统电网优化调度模型中，建立储热优化调度目标；传统电网优化调度模型包含功率平衡约束、机组出力约束等。
调度的优化目标为最小化供热企业在调度周期内的购电成本，可描述如下：
式中：N为一天的调度时段数；Pe2h_pv(t)为第t个调度阶段电制热从光伏买电的功率，其单位为MW；Cpv(t)为第t个调度阶段电制热从光伏买电的电价，其单位为万元/MWh；Pe2h_net(t)为第t个调度阶段电制热从电网买电的功率，其单位为MW；Cnet(t)为第t个调度阶段电制热从电网买电的电价，其单位为万元/MWh。
步骤(d)建立储热优化约束条件：
优化的储热约束条件包括功率平衡约束、电制热功率约束、机组出力约束。
1)功率平衡约束的表达式为：
式中：SB为系统节点集合。
2)光伏电站出力约束的表达式为：
0≤PGi(t)≤PGimax(t)
式中，PGi(t)为光伏电站i在第t个调度阶段的出力；PGimax(t)为调度部门确定的光伏电站i在第t个调度阶段的可调度入网功率。
3)根据步骤(a)中的电制热数学模型和步骤(b)中的调度周期内储热系统的储热容量，建立电制热功率约束：
式中：Pe2h(t)为电制热在第t个调度阶段的功率；Pe2hmax为电制热功率上限值。
步骤(e)根据步骤(d)中的储热优化约束条件，从步骤(c)中得到的储热优化调度目标中排除不符合储热优化约束条件的方案，筛选出最终的储热优化调度策略。
最终得到光伏在储热优化调度前后出力曲线图和电制热在储热优化调度前后出力曲线图，如图3和图4所示。由图3知，光伏最大可消纳电量约为355MWh，光伏的消纳电量在增加电制热和储热环节后有较大幅度提升，经过储热优化调度后，光伏消纳电量为300MWh，较无制热环节增加消纳电量68MWh，提升消纳率约19％。由图4知，优化后整个光伏储热系统更倾向于在电价低谷利用电网低价电和光伏弃电进行制热储热，并在电价高峰放热，大大提高了供热企业的经济效益。经过储热优化调度后，供热企业一天购电成本由5.90万元下降至3.07万元，购电成本降低了约48.0％。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.建立电制热数学模型；
步骤B.计算调度周期内储热系统的储热容量；
步骤C.将步骤A中的所述电制热数学模型和步骤B中的所述调度周期内储热容量加入传统电网优化调度模型中，建立储热优化调度目标；
步骤D.建立储热优化约束条件；
步骤E.根据步骤D中的所述储热优化约束条件，从步骤C中得到的储热优化调度目标中排除不符合所述储热优化约束条件的方案，筛选出最终的储热优化调度策略。
2.根据权利要求1所述的利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，其特征在于，所述步骤A中所述电制热数学模型的表达式为：
Pe2h＝Phload+Phs；
式中，Pe2h为电制热功率；Phload为热负荷，所述热负荷已转化为供电负荷；Phs为储热功率，储热时所述储热功率为正，放热时所述储热功率为负。
3.根据权利要求2所述的利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，其特征在于，所述步骤B中所述调度周期内储热系统的储热容量的数学表达式为：
S(t+1)＝S(t)+Phs(t)Δt-(1-η)×S(t)
式中：S(t+1)，S(t)分别为第t+1和第t个调度阶段储热系统累计的储热容量，所述储热容量的单位为MWh；Phs(t)为阶段t所述储热系统的输出功率；Δt为储热系统的调度周期，所述调度周期的单位为h；η为储热系统在Δt时间内的储热效率；所述储热系统受额定容量和额定功率限制，所述储热系统在所述调度周期内的运行约束表达式为：
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式中，Phsmin(t)、Phsmax(t)分别为所述储热系统在调度阶段t的最小和最大输出功率，与当前阶段所述储热系统累计容量、容量上下限及额定功率相关；Smax、Smin分别为所述储热系统容量上下限值；S(t)为调度阶段t所述储热系统的容量值。
4.根据权利要求3所述的利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，其特征在于，所述步骤C中，所述储热优化调度目标为最小化供热企业在调度周期内的购电成本，所述储热优化调度目标的数学表达式为：
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式中，N为一天的调度时段数；Pe2h_pv(t)为第t个调度阶段内电制热从光伏买电的功率，所述从光伏买电的功率单位为MW；Cpv(t)为第t个调度阶段内电制热从光伏买电的电价，所述从光伏买电的电价单位为万元/MWh；Pe2h_net(t)为第t个调度阶段电制热从电网买电的功率，所述从电网买电的功率单位为MW；Cnet(t)为第t个调度阶段电制热从电网买电的电价，所述从电网买电的电价单位为万元/MWh。
5.根据权利要求4所述的利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，其特征在于，所述步骤D中，所述储热优化约束条件包括功率平衡约束、电制热功率约束和光伏机组出力约束；所述功率平衡约束的表达式为：
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</mfenced>
式中，SB为系统节点集合；所述光伏机组出力约束的表达式为：
0≤PGi(t)≤PGimax(t)
式中，PGi(t)为光伏电站i在第t个调度阶段的出力；PGimax(t)为调度部门确定的光伏电站i在第t个调度阶段的可调度入网功率；根据所述步骤A中的电制热数学模型和所述步骤B中的调度周期内储热系统的储热容量，建立所述电制热功率约束，所述电制热功率约束的表达式为：
<mfenced open = "{" close = "">
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式中：Pe2h(t)为电制热在第t个调度阶段的功率；Pe2hmax为电制热功率上限值。
6.根据权利要求1-5任一所述的利用储热系统解决光伏消纳问题的方法，其特征在于，所述步骤B中的所述调度周期为1小时。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN110417049A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-11-05 | 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院 | 一种储热系统消纳多能源发电的协调控制方法 |
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2017
- 2017-08-25 CN CN201710739882.7A patent/CN107453707A/zh active Pending
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