CN109685319B - 一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法 - Google Patents

一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于蓄热式电锅炉电‑热时移特性的弃风消纳方法，是针对我国“三北”地区冬季供暖期弃风量巨大的问题而提出来的，其特点是：采用蓄热与风电供热相结合的弃风消纳模式，在对蓄热式电锅炉电‑热时移特性分析的基础上，考虑供暖期风电弃风特性及其与负荷的相关性，针对弃风量不足的情况，提出基于蓄热式电锅炉和蓄热式锅炉‑热电联产的两种风电供热组合方案，具有能够在低谷时段消纳更多弃风等优点，可为日后用户提供多种供热方案的择优采用结果。

Description

一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法
技术领域
本发明涉及风电消纳领域，是基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法。
背景技术
我国风能资源丰富，主要集中在东北、西北和华北，简称“三北”地区，然而，随着风电装机容量的增加，其实际接入和消纳的情况却不尽人意，近年来弃风问题十分严重。2017年全国弃风电量419亿千瓦时，“三北”地区占全国总量的98％，其中较为严重的地区是甘肃、 新疆、吉林和内蒙古，弃风率分别达到33％、29％、21％和15％。
风电供热是解决我国“三北”地区弃风问题的有效途径之一，不仅可以提高风电消纳能 力，还能够缓解传统采暖燃煤污染等问题。现今，通过电锅炉来完成电能转化成热能的过程 是风电供热的主要途径。储热作为整个能源供热系统中不可或缺的重要环节，可良好应对风 能储存起来用于其他时段的供热，起到消纳风电及削峰填谷的作用。因此，利用弃风电量和 蓄热式电锅炉将储热与风电供热相结合的弃风消纳模式是一个较好的解决方法。在单独考虑 如何消纳弃风的基础上，考虑弃风量不足时蓄热式电锅炉供热方案，可为日后用户提供多种 供热方案的择优采用结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提出一种基于蓄热式电锅电-热时移特性的弃风消纳方 法，本发明在对蓄热式电锅炉“电-热时移特性”分析的基础上，考虑供暖期风电弃风特性及 其与负荷的相关性，利用弃风电量和蓄热式电锅炉将储热与风电供热相结合以达到充分消纳 弃风的目的。
本发明的目的是由以下技术方案来是实现的：一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃 风消纳方法，其特征是，它包括基于实际数据分析供暖期风电弃风特性及其与负荷的相关性， 定义并分析了蓄热式电锅炉的电-热时移特性，针对弃风量不足的情况而提出的基于蓄热式电 锅炉和蓄热式锅炉-热电联产的两种风电供热组合方案，并建立模型，具体步骤是：
1)蓄热式电锅炉电-热时移特性分析
某调度日内的电-热时移特性可由(1)式表述：
Figure BDA0001880202120000021
其中：η为电热效率；
t1、t2分别为供暖期内每天每次弃风发生的始末时刻；
t3、t4分别为供暖期内非弃风时段电负荷转化成热负荷的始末时刻；
S1为弃风时段弃风电量所对应的储热量；S2、S3为非弃风时段的供热需求；
n1为弃风发生次数、n2为非弃风时段电负荷转化成热负荷的次数；
Pqf.j(t)为第j次t时刻的弃风功率；Qg(t)为第g次t时刻的供热功率；
为消纳t1-t2时段的弃风电量S，考虑到热的存储特性，将t1-t2时段的风电转换成热S1储 存起来，用于供给非弃风时段的供热需求S2+S3，由此非弃风时段的电负荷也将减少的部分就 是S2+S3“以热定电”所对应的电量N，由此实现了S到N在时间上的转移，在保证供热需求 前提下，S到S1实现了电热能量之间的转移，S2+S3到S1实现了热在时间上的转移，通过热负 荷的时移实现电负荷的时移，即定义为电-热时移特性；
2)弃风消纳供热组合方案及其模型的建立
弃风发生具有不确定性，个别时段内，弃风电量甚至可完全满足整日供热需求；而某些 时段则可能无弃风或弃风较少，无法完全满足蓄热式电锅炉供热的用电需求，此时不足部分 需由其他能源来满足。就此，提出2种蓄热式电锅炉的供热组合方案；
方案1：仅利用蓄热式电锅炉，低谷时段弃风无法满足供热需求时，则需在低谷时段从 电网购电来使蓄热式电锅炉供热；
方案2：蓄热式电锅炉+热电联产，当低谷时段弃风无法满足供热需求时，则采用热电联 产替代电锅炉直接供热；
系统用电负荷计算模型：
系统供热一日所需用电量Eh，即系统一日最大程度消纳弃风电量的计算为(2)式：
Figure BDA0001880202120000022
其中：W为采暖热负荷指标；Shot为供暖面积；Th为日供暖时间；
系统消纳弃风能力计算模型：
风电供热系统消纳弃风的能力与低谷时段弃风量有关，当低谷弃风功率Pqf.l大于蓄热式 电锅炉电功率Peb时，仅利用弃风就能满足供热的用电需求，但多余部分弃风无法消纳；当低 谷弃风功率Pqf.l小于Peb时，虽能完全消纳低谷弃风，但无法满足供热的用电需求，系统还需 要同时消耗其他能源，
Figure BDA0001880202120000031
其中：Eqf是系统一日消纳的弃风电量；
Pqf.l.h是低谷时段第h个采样点的弃风功率；
Teb是一日蓄热式电锅炉工作时长；
Tk是所选时间尺度；
k是所选时间尺度下的数据采样点数；
弃风消纳供热组合方案计算模型：
以社会综合收益F最大为目标函数；
Figure BDA0001880202120000032
其中：F亦为效益与成本之差；
Mp为系统效益；
Ceb为蓄热式电锅炉投入成本；
CCHP为热电联产供热成本，方案1中为0；
系统效益Mp：
利用弃风代替煤炭燃烧的弃风供热，其效益主要是体现在风电环境效益及节约燃煤量；
Mp＝Mf×Eqf+Cc×Y (5)
其中：Mf为风电环境效益；
Cc为标煤价格；
Y为节约标煤量；
蓄热式电锅炉投入成本Ceb：
分为两部分：一是静态投资成本Ceb.s，一是运行成本Ceb.w；
Ceb＝Ceb.s+Ceb.w (6)
Figure BDA0001880202120000033
Ceb.w＝C0×(Eqf+Eqf.n)×103×n (8)
其中：Eqf.n是系统一日消纳的非弃风电量，方案2中为0；n为供暖期天数；
IC为一次性投资费用；DC为退役残值；m为使用寿命；C0为民用低谷电价；
热电联产供热成本CCHP：
热电联产这部分的供热费用按热计量方式收费：供热成本等于基本热费与计量热费之和；
CCHP＝CaShot+nηCb(Eh-Eqf)，Eqf≤Eh (9)
其中：Ca、Cb分别为基本热费单价和计量热费单价；
常规供热成本Chot：
Chot＝CrShot (10)
其中：Cr为常规供暖价格。
本发明的一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法，是针对中国“三北”地 区冬季供暖期弃风量巨大的问题，采用蓄热与风电供热相结合的弃风消纳模式，在对蓄热式 电锅炉电-热时移特性分析的基础上，考虑供暖期风电弃风特性及其与负荷的相关性，针对弃 风量不足的情况，提出基于蓄热式电锅炉和蓄热式锅炉-热电联产的两种风电供热组合方案， 可为日后用户提供多种供热方案的择优采用结果。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等 优点。
附图说明
图1是供暖期消纳弃风电量图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明的一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方 法作进一步说明。
本发明的一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法，包括基于实际数据分析 供暖期风电弃风特性及其与负荷的相关性，定义并分析了蓄热式电锅炉的电-热时移特性，针 对弃风量不足的情况而提出的基于蓄热式电锅炉和蓄热式锅炉-热电联产的两种风电供热组 合方案，并建立模型，具体步骤是：
1)蓄热式电锅炉电-热时移特性分析
某调度日内的电-热时移特性可由(1)式表述：
Figure BDA0001880202120000051
其中：η为电热效率；
t1、t2分别为供暖期内每天每次弃风发生的始末时刻；
t3、t4分别为供暖期内非弃风时段电负荷转化成热负荷的始末时刻；
S1为弃风时段弃风电量所对应的储热量；S2、S3为非弃风时段的供热需求；
n1为弃风发生次数、n2为非弃风时段电负荷转化成热负荷的次数；
Pqf.j(t)为第j次t时刻的弃风功率；Qg(t)为第g次t时刻的供热功率。
为消纳t1-t2时段的弃风电量S，考虑到热的存储特性，将t1-t2时段的风电转换成热S1储 存起来，用于供给非弃风时段的供热需求S2+S3，由此非弃风时段的电负荷也将减少的部分就 是S2+S3“以热定电”所对应的电量N，由此实现了S到N在时间上的转移，在保证供热需求 前提下，S到S1实现了电热能量之间的转移，S2+S3到S1实现了热在时间上的转移，通过热负 荷的时移实现电负荷的时移，即定义为电-热时移特性。
2)弃风消纳供热组合方案及其模型的建立
弃风发生具有不确定性，个别时段内，弃风电量甚至可完全满足整日供热需求；而某些 时段则可能无弃风或弃风较少，无法完全满足蓄热式电锅炉供热的用电需求，此时不足部分 需由其他能源来满足。就此，提出2种蓄热式电锅炉的供热组合方案。
方案1：仅利用蓄热式电锅炉，低谷时段弃风无法满足供热需求时，则需在低谷时段从 电网购电来使蓄热式电锅炉供热；
方案2：蓄热式电锅炉+热电联产，当低谷时段弃风无法满足供热需求时，则采用热电联 产替代电锅炉直接供热；
系统用电负荷计算模型：
系统供热一日所需用电量Eh，即系统一日最大程度消纳弃风电量的计算为(2)式：
Figure BDA0001880202120000052
其中：W为采暖热负荷指标；Shot为供暖面积；Th为日供暖时间。
系统消纳弃风能力计算模型：
风电供热系统消纳弃风的能力与低谷时段弃风量有关，当低谷弃风功率Pqf.l大于蓄热式 电锅炉电功率Peb时，仅利用弃风就能满足供热的用电需求，但多余部分弃风无法消纳；当低 谷弃风功率Pqf.l小于Peb时，虽能完全消纳低谷弃风，但无法满足供热的用电需求，系统还需 要同时消耗其他能源，
Figure BDA0001880202120000061
其中：Eqf是系统一日消纳的弃风电量；
Pqf.l.h是低谷时段第h个采样点的弃风功率；
Teb是一日蓄热式电锅炉工作时长；
Tk是所选时间尺度；
k是所选时间尺度下的数据采样点数。
弃风消纳供热组合方案计算模型：
以社会综合收益F最大为目标函数；
Figure BDA0001880202120000062
其中：F亦为效益与成本之差；
Mp为系统效益；
Ceb为蓄热式电锅炉投入成本；
CCHP为热电联产供热成本，方案1中为0；
系统效益Mp：
利用弃风代替煤炭燃烧的弃风供热，其效益主要是体现在风电环境效益及节约燃煤量；
Mp＝Mf×Eqf+Cc×Y (5)
其中：Mf为风电环境效益；
Cc为标煤价格；
Y为节约标煤量；
蓄热式电锅炉投入成本Ceb：
分为两部分：一是静态投资成本Ceb.s，一是运行成本Ceb.w；
Ceb＝Ceb.s+Ceb.w (6)
Figure BDA0001880202120000063
Ceb.w＝C0×(Eqf+Eqf.n)×103×n (8)
其中：Eqf.n是系统一日消纳的非弃风电量，方案2中为0；n为供暖期天数；
IC为一次性投资费用；DC为退役残值；m为使用寿命；C0为民用低谷电价；
热电联产供热成本CCHP：
热电联产这部分的供热费用按热计量方式收费：供热成本等于基本热费与计量热费之和；
CCHP＝CaShot+nηCb(Eh-Eqf)，Eqf≤Eh (9)
其中：Ca、Cb分别为基本热费单价和计量热费单价；
常规供热成本Chot：
Chot＝CrShot (10)
其中：Cr为常规供暖价格。
本实施例采用东北某市级电网总装机容量348.7MW的8个风电场实际弃风数据，依据供 热面积选用11台固体蓄热式电锅炉(技术参数见表1)，使用寿命取20年，电热转化效率为 98％，1度电＝360g标煤，标煤平均价格为535元/t。
表1单台电锅炉主要技术参数
Figure BDA0001880202120000071
本实施例得出如图1所示一个供暖期消纳弃风电量为6659.6MW·h，占供暖期低谷时段 弃风总量的34.84％，占整个供暖期弃风总量的28.02％，相当于节约标煤2125t，折合减少CO2排放量5311t。
目前国家大力推广风电供热的清洁供暖方式，更多的利用弃风能带来更高的环境减排效 益，则社会综合收益也将大幅增加，形成良性循环。
本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不 构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创 造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于蓄热式电锅炉电-热时移特性的弃风消纳方法，其特征是，它包括基于实际数据分析供暖期风电弃风特性及其与负荷的相关性，定义并分析了蓄热式电锅炉的电-热时移特性，针对弃风量不足的情况而提出的基于蓄热式电锅炉和蓄热式锅炉-热电联产的两种风电供热组合方案，并建立模型，具体步骤是：
1)蓄热式电锅炉电-热时移特性分析
某调度日内的电-热时移特性可由(1)式表述：
Figure FDA0001880202110000011
其中：η为电热效率；
t1、t2分别为供暖期内每天每次弃风发生的始末时刻；
t3、t4分别为供暖期内非弃风时段电负荷转化成热负荷的始末时刻；
S1为弃风时段弃风电量所对应的储热量；S2、S3为非弃风时段的供热需求；
n1为弃风发生次数、n2为非弃风时段电负荷转化成热负荷的次数；
Pqf.j(t)为第j次t时刻的弃风功率；Qg(t)为第g次t时刻的供热功率；
为消纳t1-t2时段的弃风电量S，考虑到热的存储特性，将t1-t2时段的风电转换成热S1储存起来，用于供给非弃风时段的供热需求S2+S3，由此非弃风时段的电负荷也将减少的部分就是S2+S3“以热定电”所对应的电量N，由此实现了S到N在时间上的转移，在保证供热需求前提下，S到S1实现了电热能量之间的转移，S2+S3到S1实现了热在时间上的转移，通过热负荷的时移实现电负荷的时移，即定义为电-热时移特性；
2)弃风消纳供热组合方案及其模型的建立
弃风发生具有不确定性，个别时段内，弃风电量甚至可完全满足整日供热需求；而某些时段则可能无弃风或弃风较少，无法完全满足蓄热式电锅炉供热的用电需求，此时不足部分需由其他能源来满足； 就此，提出2种蓄热式电锅炉的供热组合方案；
方案1：仅利用蓄热式电锅炉，低谷时段弃风无法满足供热需求时，则需在低谷时段从电网购电来使蓄热式电锅炉供热；
方案2：蓄热式电锅炉+热电联产，当低谷时段弃风无法满足供热需求时，则采用热电联产替代电锅炉直接供热；
系统用电负荷计算模型：
系统供热一日所需用电量Eh，即系统一日最大程度消纳弃风电量的计算为(2)式：
Figure FDA0001880202110000021
其中：W为采暖热负荷指标；Shot为供暖面积；Th为日供暖时间；
系统消纳弃风能力计算模型：
风电供热系统消纳弃风的能力与低谷时段弃风量有关，当低谷弃风功率Pqf.l大于蓄热式电锅炉电功率Peb时，仅利用弃风就能满足供热的用电需求，但多余部分弃风无法消纳；当低谷弃风功率Pqf.l小于Peb时，虽能完全消纳低谷弃风，但无法满足供热的用电需求，系统还需要同时消耗其他能源，
Figure FDA0001880202110000022
其中：Eqf是系统一日消纳的弃风电量；
Pqf.l.h是低谷时段第h个采样点的弃风功率；
Teb是一日蓄热式电锅炉工作时长；
Tk是所选时间尺度；
k是所选时间尺度下的数据采样点数；
弃风消纳供热组合方案计算模型：
以社会综合收益F最大为目标函数；
Figure FDA0001880202110000023
其中：F亦为效益与成本之差；
Mp为系统效益；
Ceb为蓄热式电锅炉投入成本；
CCHP为热电联产供热成本，方案1中为0；
系统效益Mp：
利用弃风代替煤炭燃烧的弃风供热，其效益主要是体现在风电环境效益及节约燃煤量；
Mp＝Mf×Eqf+Cc×Y (5)
其中：Mf为风电环境效益；
Cc为标煤价格；
Y为节约标煤量；
蓄热式电锅炉投入成本Ceb：
分为两部分：一是静态投资成本Ceb.s，一是运行成本Ceb.w；
Ceb＝Ceb.s+Ceb.w (6)
Figure FDA0001880202110000031
Ceb.w＝C0×(Eqf+Eqf.n)×103×n (8)
其中：Eqf.n是系统一日消纳的非弃风电量，方案2中为0；n为供暖期天数；
IC为一次性投资费用；DC为退役残值；m为使用寿命；C0为民用低谷电价；
热电联产供热成本CCHP：
热电联产这部分的供热费用按热计量方式收费：供热成本等于基本热费与计量热费之和；
CCHP＝CaShot+nηCb(Eh-Eqf)，Eqf≤Eh (9)
其中：Ca、Cb分别为基本热费单价和计量热费单价；
常规供热成本Chot：
Chot＝CrShot (10)
其中：Cr为常规供暖价格。
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