CN109474026B - 一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电消纳技术领域，尤其涉及一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，具体是一种利用大容量储热装置解决风电消纳的方法。包括：储热装置参与风电消纳的实现方法；储热装置联合优化调度模型；储热装置调度方案效用收益指标；储热装置调度方案算例分析。本发明针对寒冷地区冬季供暖期弃风限电问题，与风电互补性良好的大功率固态储热技术相结合，从提升电力系统调节能力、增加风电消纳空间的角度出发，分析冬季供暖期风电日出力特性，考虑风电接入临界点，合理化提高用能负荷，解耦传统供热模式下能源耦合关系，对固态储热装置进行优化调度，有效解决供暖期弃风消纳问题，为寒冷地区电热调度提供可靠方案。

Description

一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法

技术领域

本发明涉及风电消纳技术领域，尤其涉及一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，具体是一种利用大容量固态储热装置解决风电消纳的方法。

背景技术

近年来，随着风电的迅速发展，风电出力不确定性给电力系统的运行控制带来了严峻的挑战，弃风消纳问题尤为显著。根据国家能源局统计，2017年全国平均弃风量达到12％，全年累计弃风电量419亿千瓦时，形式依然严峻。同时，冬季是风电消纳利用难度最大的时期，东北地区冬季供暖期弃风量巨大的问题尤为突出，已成为全社会关注的焦点。

东北地区风力资源丰富，但其电源结构调节能力不足，缺乏风电消费能力，是导致弃风限电的主要原因。此外，本地负荷低谷时段，外送通道受限，负荷不足与火电机组调峰能力之间的矛盾显著突出，也是导致弃风限电的重要原因。特别地，随着供暖季节的来临，为满足供热需要，机组采用“以热定电”的运行方式，使得系统调峰能力进一步下降，产生大规模弃风限电。为更好的消纳风电，现阶段已经提出了大量措施，其中与风电互补性良好的储能技术得到了电力工作者的广泛关注。在各种储能方式中，储热技术相对成熟，其他类型储能都存在着成本，技术和效率等问题。为了提高风电消纳水平，解决传统供热机组与风电机组之间矛盾。介绍了利用储热装置和供热装置等电制热的解决措施。对大容量的储热的电-热联合系统应用前景进行分析，指出了基于规模化固态储热的多源协调系统优化方法是研究电-热联合系统的关键所在，但缺乏具体实施方法的分析。面对储热容量配置较大的情况，缺乏对储热配置调度策略及优化方案的研究。在上述工作的基础上，进一步研究固态储热装置对提升清洁能源消纳能力的具体实施方式，充分利用调度周期内电热系统中能源的物理特性。结合系统负荷曲线峰谷特性，分析风电日出力水平，提出一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度模型。以解决能源生产和使用在时间上的不匹配为目的，提高系统风电消纳能力，分析了调度模型的效用经济收益和潜在收益。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，其目的是为了通过配置电极锅炉和储热，即储热式电锅炉，联通到城市供热管网，为社会供热，将传统电力系统转化为包含供电与供热两种形式的电-热联合系统。改变传统的供热模式，实现电加热与供暖解耦，更好地匹配电力需求与清洁能源出力特性，高效地解决清洁能源消纳问题；通过固态储热装置作用的供热电力系统更加灵活、可控，固态储热装置可以在低谷负荷时段运行，不必维持运行，增加能源利用率，缓解机组调峰压力。利用固态储热装置的调度方法有利于系统在更大的时空范围内接入和消纳风电。

为实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，包括：

固态储热装置参与风电消纳的实现方法；

固态储热装置联合优化调度模型；

固态储热装置调度方法效用收益指标；

固态储热装置调度方法算例分析。

所述固态储热装置参与风电消纳的实现方法：固态储热装置易协调电力系统，将热力负荷转化为电力系统中可调控且规律明显的电力负荷，有利于系统在时空范围内接入和消纳风电；通过固态储热装置的优化调度，将充分提高电力系统调控水平，扩大电网清洁能源消纳空间；储热技术是以储热材料为媒介将电能以热能形式储存起来，解决时空上的电-热供给需求间的不匹配的问题，提高整个系统的能源利用水平；

所述固态储热装置主要由：电发热体、高温蓄能体、高温热交换器、热输出控制器、耐高温保温外壳以及自动控制装置组成；当处于蓄热阶段时，固态储热装置接入电网，经电发热体加热高温蓄热体将热能吸收储存，直至蓄热体内温度达到预设限值或储热量满足供热需求，自动控制装置断开高压开关，使固态储热装置退出电网；当处于供热阶段时，高温蓄热体经由热输出控制器和高温热交换器将储存的热能转换为热风或热水向外输送；

所述固态储热装置调度方法只需要保证在一个调度周期内满足热负荷消耗的需求即可；在负荷低谷的弃风时段，固态储热装置开始运行，增加电网中的电负荷，增加风电消纳量、将电能转换成热能，一部分直接用于该时段居民供热，另一部分储存在储热罐内；在负荷高峰时段，电锅炉减少风电供热或者停运，固态储热装置开始进行供热，缓解高峰时段火电机组运行压力；

所述固态储热装置联合优化调度模型包括：

调度区间的确定：

负荷低谷时段电网开始出现弃风限电；取电网弃风限电，即网络负荷小于等效风电出力：

所处的总时间为优化调度时间区间T_c，其中P_j ^wind表示风电出力总和，

表示火电机组最小出力；当风电足够充裕时，受固态储热装置总容量限制，优化调度计划将按照固定目标进行调控；由于风电出力的不确定性，波动性，当某一时段出现风电出力不足以支撑固态储热装置储热的情况，调度计划将跟随风电变化进行优化调度；

为充分利用固态储热装置优势，最大限度消纳风电，将调度目标取风电接入临界值、固态储热装置总输出最大功率和等效风电出力之间的最小值，即

其中，P_i ^heat表示第i台固态储热装置额定最大功率，N表示固态储热装置总数，

为低谷时段曲线最小负荷，

表示火电机组最小出力；

所述固态储热装置调度方法算例分析，采用以下3种方式进行计算，方式1：固态储热装置不参与调度；方式2：固态储热装置不采用优化调度方法，按照常规运行原则进行调度控制；方式3：固态储热装置按照优化调度计划进行供热；

所述固态储热装置联合优化调度模型的目标函数：

其中，x_i,j表示第i台固态储热装置在第j个调度时刻的状态，相应

N表示固态储热装置总数，M表示低谷时段调度时间节点总数，

表示第j个调度时刻电力系统用电负荷有功；

所述固态储热装置联合优化调度模型的目标函数对应的约束条件包括系统热负荷约束、固态储热装置容量约束以及系统运行安全约束；

所述系统热负荷约束表示为：

其中，β表示固态储热装置效率，

表示调度周期内总热负荷；

所述固态储热装置容量约束表示为：

其中

是第i台固态储热装置额定容量，Δt为最小调度时间步长；考虑风电短期预测误差，固态储热装置预留备用容量

以应对实际风电出力超过预测值的情况；

所述系统运行安全约束表示为：

其中，

为系统最大可调峰功率。

更进一步的，所述固态储热装置调度方法效用收益指标：

固态储热装置调度的直接收益：

利用固态储热装置进行供热所带来的直接经济收益为：

其中S_unit、S_wind分别为热电联产机组和风电供电单位供电成本，L_unit为低谷时刻固态储热装置进行蓄热的总耗电量，T_i ^heat，F_i ^build,F_i ^deprecit,F_i ^maintain分别表示第i台固态储热装置使用寿命、建设成本、折旧总成本和维修总成本；

固态储热装置调度的间接收益：

应用固态储热装置后，间接减少火电机组调峰的补偿费用为：

其中

f_L分别表示第j时刻调度储热装置之前机组的深度调峰占比和应补偿费用，

f_N分别表示第j时刻利用储热装置优化调度之后机组的深度调峰占比和应补偿费用，P表示调度日内运行的机组总数，

为第k台机组额定有功；

优化储热装置参与系统调度，除了能带来了上述的直接收益，合理的储热装置调度方案将增加低谷时段用电负荷，减少高峰时段热电联产机组供热负荷，平抑电网峰谷差，使发电趋于平稳，电网更易制定发电调度计划；同时，新的发电调度计划反作用于调控储热装置调度方案，两者相互调整直至达到平衡；这种储热装置的运行方式可以类比“杠杆”对日发电调度产生“撬动”作用，将带来的降低火电机组的启停费用等更大的间接经济效益。

所述储热装置调度方案算例分析，采用以下3种方式进行计算，方式1：储热装置不参与调度；方式2：储热装置不采用优化调度方案，按照常规运行原则进行调度控制；方式3：储热装置按照优化调度计划进行供热；对辽宁省典型日的低谷时段市局进行分析并对所建立的储热装置优化调度模型进行优化求解；在相同风电出力情况下，采用不同方式下，结合实际风电数据，得出三种调度方案弃风电量，结果表明，采用优化调度模型的储热装置调度计划效果更好；使用储热装置后弃风量下降明显，特别地，当使用规模化固态储热优化调度模型的调度方案相较于方式2对弃风限电问题有更好的成效，同时更好地提高供热水平，并取得最优的经济收益。

本发明具有以下优点及有益效果：

本发明对提升电力系统调节能力与增加弃风消纳空间，利用规模化大功率固态储热消纳风电，减小系统峰谷差。综合考虑了风电出力特性、储热单元解耦热-电作用的优势，构建面向电热联合系统的规模化大功率固态储热调度模型，分析不同运行方式下利用储热装置提高能源利用率的效益。算例表明，优化调度储热装置不仅可节约高峰时刻供热产生的高额电费，且能提升用能负荷水平减少机组深度调峰，最大限度提升系统风电消纳空间，总体效用收益最优。

附图说明

图1为本发明的为电力系统风电消纳机理图；

图2为本发明的储热装置优化调度提升系统风电消纳空间图；

图3为本发明的3种运行方式储热装置投入方法对比图；

图4为本发明的3种运行方式系统弃风电量对比图。

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，以充分了解本发明的目的、特征和效果。

本发明是一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，解决能源生产和使用在时间上的不匹配，提高系统风电消纳能力，分析了调度模型的效用经济收益和潜在收益；包括：

1.固态储热装置参与风电消纳的实现方法；

所述固态储热装置参与风电消纳的实现方法：固态储热装置具有相对独立和分布广泛的特点，更易协调电力系统，将热力负荷转化为电力系统中可调控且规律明显的电力负荷，有利于系统在更大的时空范围内接入和消纳风电。通过固态储热装置的优化调度，将充分提高电力系统调控水平，扩大电网清洁能源消纳空间。储热技术是以储热材料为媒介将电能以热能形式储存起来，解决了时空上的电-供给需求间的不匹配的问题，从而最大程度地提高整个系统的能源利用水平而发展起来的一种技术。

所述固态储热装置主要由：电发热体、高温蓄能体、高温热交换器、热输出控制器、耐高温保温外壳以及自动控制装置等组成。其工作原理是处于蓄热阶段时，固态储热装置接入电网，经电发热体加热高温蓄热体将热能吸收储存，直至蓄热体内温度达到预设限值或储热量满足供热需求，自动控制装置断开高压开关，使固态储热装置退出电网；处于供热阶段时，高温蓄热体经由热输出控制器和高温热交换器将储存的热能转换为热风或热水向外输送。

所述固态储热装置调度方法只需要保证在一个调度周期内满足热负荷消耗的需求即可，为机组提供更大的灵活性，同时有效改善电力系统的用能负荷时空不匹配的问题。具体实施方式为：在负荷低谷的弃风时段，固态储热装置开始运行，增加电网中的电负荷，增加风电消纳量、将电能转换成热能，一部分直接用于该时段居民供热，另一部分储存在储热罐内；在负荷高峰时段，电锅炉减少风电供热或者停运，固态储热装置开始进行供热，缓解高峰时段火电机组运行压力。

上述方法具有以下特性：改变传统的供热模式，实现电加热与供暖解耦，更好地匹配电力需求与清洁能源出力特性，高效地解决清洁能源消纳问题；通过固态储热装置作用的供热电力系统更加灵活、可控，固态储热装置可以在低谷负荷时段运行，不必维持运行，增加能源利用率，缓解机组调峰压力。

2.固态储热装置联合优化调度模型；

固态储热装置联合优化调度模型包括：调度区间的确定；

负荷低谷时段电网开始出现弃风限电，取电网弃风限电，即网络负荷小于等效风电出力：

所处的总时间为优化调度时间区间T_c。其中P_j ^wind表示风电出力总和，

表示火电机组最小出力；当风电足够充裕时，受固态储热装置总容量限制，优化调度计划将按照固定目标进行调控。由于风电出力的不确定性，波动性，当某一时段出现风电出力不足以支撑固态储热装置储热的情况，调度计划将跟随风电变化进行优化调度。

为充分利用固态储热装置优势，最大限度消纳风电，将调度目标取风电接入临界值、固态储热装置总输出最大功率和等效风电出力之间的最小值，即

其中，P_i ^heat表示第i台固态储热装置额定最大功率，N表示固态储热装置总数，

为低谷时段曲线最小负荷，

表示火电机组最小出力。

所述固态储热装置联合优化调度模型的目标函数：

其中，x_i,j表示第i台固态储热装置在第j个调度时刻的状态，相应

N表示固态储热装置总数，M表示低谷时段调度时间节点总数，

表示第j个调度时刻电力系统用电负荷有功。

所述固态储热装置联合优化调度模型的目标函数对应的约束条件包括系统热负荷约束、固态储热装置容量约束以及系统运行安全约束。

所述系统热负荷约束表示为：

其中，β表示固态储热装置效率，

表示调度周期内总热负荷；所处的总时间为优化调度时间区间T_c。

所述固态储热装置容量约束表示为：

其中

是第i台固态储热装置额定容量，Δt为最小调度时间步长。考虑风电短期预测误差，固态储热装置预留备用容量

以应对实际风电出力超过预测值的情况。

所述系统运行安全约束表示为：

其中，

为系统最大可调峰功率。

3.固态储热装置调度方法效用收益指标；

固态储热装置调度方法效用收益指标包括：

(1)固态储热装置调度的直接收益。

利用固态储热装置进行供热所带来的直接经济收益为：

其中S_unit、S_wind分别为热电联产机组和风电供电单位供电成本，L_unit为低谷时刻固态储热装置进行蓄热的总耗电量，T_i ^heat，F_i ^build,F_i ^deprecit,F_i ^maintain分别表示第i台固态储热装置使用寿命、建设成本、折旧总成本和维修总成本。

(2)固态储热装置调度的间接收益：

应用固态储热装置后，间接减少火电机组调峰的补偿费用为：

其中

f_L分别表示第j时刻调度固态储热装置之前机组的深度调峰占比和应补偿费用，

f_N分别表示第j时刻利用固态储热装置优化调度之后机组的深度调峰占比和应补偿费用，P表示调度日内运行的机组总数，

为第K台机组额定有功。

优化固态储热装置参与系统调度，除了能带来了上述的直接收益，合理的固态储热装置调度方法将增加低谷时段用电负荷，减少高峰时段热电联产机组供热负荷，平抑电网峰谷差，使发电趋于平稳，电网更易制定发电调度计划。同时，新的发电调度计划反作用于调控固态储热装置调度方法，两者相互调整直至达到平衡。这种固态储热装置的运行方式可以类比“杠杆”对日发电调度产生“撬动”作用，将带来的降低火电机组的启停费用等更大的间接经济效益。

4.固态储热装置调度方法算例分析。

采用以下3种方式进行计算，方式1：固态储热装置不参与调度；方式2：固态储热装置不采用优化调度方法，按照常规运行原则进行调度控制；方式3：固态储热装置按照优化调度计划进行供热。对辽宁省典型日的低谷时段市局进行分析并对所建立的固态储热装置优化调度模型进行优化求解。在相同风电出力情况下，采用不同方式下，结合实际风电数据，得出三种调度方法弃风电量，结果表明，采用优化调度模型的固态储热装置调度计划效果更好。使用固态储热装置后弃风量下降明显，特别地，当使用规模化固态储热优化调度模型的调度方法相较于方式2对弃风限电问题有更好的成效，同时更好地提高供热水平，并取得最优的经济收益。

如图1所示，图1为本发明的电力系统风电消纳机理图，为充分利用固态储热装置优势，最大限度消纳风电，将调度目标取固态储热装置总输出最大功率和等效风电出力之间的最小值，即

其中，P_i ^heat表示第i台固态储热装置额定最大功率，N表示固态储热装置总数，

为低谷时段曲线最小负荷。

调度目标函数

其中，x_i,j表示第i台固态储热装置在第j调度时刻的状态，相应

N表示固态储热装置总数，M表示低谷时段调度时间节点总数，

表示第j时刻电力系统用电负荷有功。

系统热负荷约束

其中，β表示固态储热装置效率，

表示调度周期内总热负荷。

固态储热装置容量约束

其中

是第i台固态储热装置额定容量，Δt为最小调度时间步长。考虑风电短期预测误差，固态储热装置预留备用容量

以应对实际风电出力超过预测值的情况。

系统安全运行约束：

其中，

为系统最大可调峰功率。

如图2所示，图2为本发明的固态储热装置优化调度提升系统风电消纳空间图，可以得到利用固态储热装置进行供热所带来的直接经济收益为

其中S_unit、S_wind分别为热点联产机组和风电供电单位供电成本，L_unit为低谷时刻固态储热装置进行蓄热的总耗电量，T_i ^heat，F_i ^build,F_i ^deprecit,F_i ^maintain分别表示第i台固态储热装置使用寿命、建设成本、折旧总成本和维修总成本。

应用固态储热装置后，间接减少火电机组调峰的补偿费用为：

其中

f_L分别表示第j时刻调度固态储热装置之前机组的深度调峰占比和应补偿费用，

f_N分别表示第j时刻利用固态储热装置优化调度之后机组的深度调峰占比和应补偿费用，P表示调度日内运行的机组总数，

为第K台机组额定有功。

如图3和图4所示，图3、图4为3种运行方式固态储热装置投入方法对比以及3种运行方式系统弃风电量对比，使用固态储热装置后弃风量下降明显，特别地，当使用规模化固态储热的多源协调系统优化模型的调度方法，对弃风限电问题有更好的成效，同时更好地提高供热水平，并取得最优的经济收益。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，其特征在于，包括：

固态储热装置参与风电消纳的实现方法；

固态储热装置联合优化调度模型；

固态储热装置调度方法效用收益指标；

固态储热装置调度方法算例分析；

所述固态储热装置参与风电消纳的实现方法：固态储热装置易协调电力系统，将热力负荷转化为电力系统中可调控且规律明显的电力负荷，有利于系统在时空范围内接入和消纳风电；通过固态储热装置的优化调度，将充分提高电力系统调控水平，扩大电网清洁能源消纳空间；储热技术是以储热材料为媒介将电能以热能形式储存起来，解决时空上的电-热供给需求间的不匹配的问题，提高整个系统的能源利用水平；

所述固态储热装置主要由：电发热体、高温蓄能体、高温热交换器、热输出控制器、耐高温保温外壳以及自动控制装置组成；当处于蓄热阶段时，固态储热装置接入电网，经电发热体加热高温蓄热体将热能吸收储存，直至蓄热体内温度达到预设限值或储热量满足供热需求，自动控制装置断开高压开关，使固态储热装置退出电网；当处于供热阶段时，高温蓄热体经由热输出控制器和高温热交换器将储存的热能转换为热风或热水向外输送；

所述固态储热装置调度方法只需要保证在一个调度周期内满足热负荷消耗的需求即可；在负荷低谷的弃风时段，固态储热装置开始运行，增加电网中的电负荷，增加风电消纳量、将电能转换成热能，一部分直接用于该时段居民供热，另一部分储存在储热罐内；在负荷高峰时段，电锅炉减少风电供热或者停运，固态储热装置开始进行供热，缓解高峰时段火电机组运行压力；

所述固态储热装置联合优化调度模型包括：

调度区间的确定：

负荷低谷时段电网开始出现弃风限电；取电网弃风限电，即网络负荷小于等效风电出力：

所处的总时间为优化调度时间区间T_c，其中

表示风电出力总和，

表示火电机组最小出力；当风电足够充裕时，受固态储热装置总容量限制，优化调度计划将按照固定目标进行调控；由于风电出力的不确定性，波动性，当某一时段出现风电出力不足以支撑固态储热装置储热的情况，调度计划将跟随风电变化进行优化调度；

为充分利用固态储热装置优势，最大限度消纳风电，将调度目标取风电接入临界值、固态储热装置总输出最大功率二者之和与等效风电出力之间的最小值，即：

其中，P_i ^heat表示第i台固态储热装置额定最大功率，N表示固态储热装置总数，

为低谷时段曲线最小负荷，

表示火电机组最小出力；

所述固态储热装置调度方法算例分析，采用以下3种方式进行计算，方式1：固态储热装置不参与调度；方式2：固态储热装置不采用优化调度方法，按照常规运行原则进行调度控制；方式3：固态储热装置按照优化调度计划进行供热；

所述固态储热装置联合优化调度模型的目标函数：

其中，x_i,j表示第i台固态储热装置在第j个调度时刻的状态，相应

N表示固态储热装置总数，M表示低谷时段调度时间节点总数，

表示第j个调度时刻电力系统用电负荷有功；

所述固态储热装置联合优化调度模型的目标函数对应的约束条件包括系统热负荷约束、固态储热装置容量约束以及系统运行安全约束；

所述系统热负荷约束表示为：

其中，β表示固态储热装置效率，

表示调度周期内总热负荷；

所述固态储热装置容量约束表示为：

其中

是第i台固态储热装置额定容量，Δt为最小调度时间步长；考虑风电短期预测误差，固态储热装置预留备用容量

以应对实际风电出力超过预测值的情况；

所述系统运行安全约束表示为：

其中，

为系统最大可调峰功率。

2.根据权利要求1所述的一种基于规模化固态储热的多源协调系统优化调度方法，其特征在于，所述固态储热装置调度方法效用收益指标：

固态储热装置调度的直接收益：

利用固态储热装置进行供热所带来的直接经济收益为：

其中S_unit、S_wind分别为热电联产机组和风电供电单位供电成本，L_unit为低谷时刻固态储热装置进行蓄热的总耗电量，T_i ^heat，F_i ^build,F_i ^deprecit,F_i ^maintain分别表示第i台固态储热装置使用寿命、建设成本、折旧总成本和维修总成本；

固态储热装置调度的间接收益：

应用固态储热装置后，间接减少火电机组调峰的补偿费用为：

其中

f_L分别表示第j个调度时刻调度固态储热装置之前机组的深度调峰占比和应补偿费用，

f_N分别表示第j个调度时刻利用固态储热装置优化调度之后机组的深度调峰占比和应补偿费用，P表示调度日内运行的机组总数，

为第k台机组额定有功。

Images