CN110311395B - 一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法 - Google Patents

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CN110311395B CN201910685158.XA CN201910685158A CN110311395B CN 110311395 B CN110311395 B CN 110311395B CN 201910685158 A CN201910685158 A CN 201910685158A CN 110311395 B CN110311395 B CN 110311395B
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Abstract

本发明涉及一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法，其特点是，包括储热电混合储能消纳风电系统的构成与控制；储热电混合储能系统调度模型的建立步骤，在考虑弃风特性的基础上，提出了改善电锅炉运行的优化系数；在考虑蓄热式电锅炉和储能电池各自优势的条件下，提出了储热电混合储能的协调控制方法，分析不同运行方式下风电接纳情况，具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，是一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法。
背景技术
随着雾霾问题的日益恶化，大力开发清洁能源成为了解决环境问题的有效途径。风电作为可再生能源飞速发展的同时，其接纳问题给常规电力系统带来了诸多影响。分析其原因，一方面是由于收到输电传输通道的限制，导致风电资源丰富的地区向外输送困难，而本地风电消纳能力有限，进一步加剧了弃风现象。另一方面，热电机组在冬季供暖季，热电机组“以热定电”的运行模式，导致机组出力被迫提高，只能通过对风电场弃风限电来保证电力平衡和系统安全与稳定，从而降低了电网接纳风电的上网空间。
现有技术通过引入储热式电锅炉与储能装置来提高系统运行的灵活性，提高风电消纳能力，但是由于风电的随机性和波动性，电锅炉的电极并不能很好的匹配风电特性。迄今为止，尚未有效的解决风电消纳弃风难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种科学合理，适用性强，效果佳，能够有效提升风电消纳能力的考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法。
解决其技术问题所采用的技术方案是：一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法，其特征是，它包括的内容有：
1)储热电混合储能消纳风电系统的构成与控制
(a)储热电混合储能消纳风电系统的构成
储热电混合储能系统主要是指利用二者各自的优势协调消纳风电，其中，储热式电锅炉通过配置储热装置，负荷低谷时段电锅炉满足供热的同时进行储热，非低谷时段储热放热，实现能量在时间上的转移；电池储能系统利用其响应速度快、能量双向流动，能够实时根据电锅炉档位的调整进行充放电；
(b)储热电混合储能系统消纳风电的控制
储热式电锅炉以供热约束为主，电池储能协调动作；储热电混合储能系统的分时段运行控制为：以22时至次日22时作为一个调度周期，起始调度时间为负荷低谷时段；初始低谷时段，电锅炉动作供热同时储热，优化系数同时进行档位优化，电池储能根据档位的变化进行充放电动作，如果还存在弃风，电池储能将进行充电以消纳弃风，弃风不足则消纳电网电量；非负荷低谷时段，以储热式电锅炉供热为主，电池储能在高峰时段向电网放电，峰平时段，如有弃风存在，则进行充电动作；
2)储热电混合储能系统的调度模型的建立
(a)调度模型目标函数
在非直供电模式下，以储热/电混合储能系统的消纳弃风最大为目标，总体目标函数如下：
Figure GDA0003402616030000021
式中，
Figure GDA0003402616030000022
为t时段蓄热式电锅炉利用消纳的风电场的弃风电量；
Figure GDA0003402616030000023
为t时段储能电池装置消纳的电量；
Figure GDA0003402616030000024
为t时段向电网公司的购电量；T为一天内供热时段数，共96个供热时段；
(b)运行约束条件
电力系统电量平衡约束：
Figure GDA0003402616030000025
式中，
Figure GDA0003402616030000026
为t时段风电场实际并网功率，
Figure GDA0003402616030000027
为t时段储热式电锅炉消耗的非弃风功率，即从电网购电功率；
Figure GDA0003402616030000028
为t时段储热式电锅炉消耗功率；
Figure GDA0003402616030000029
为t时段储能装置充放电功率，
Figure GDA00034026160300000210
时储能装置充电，
Figure GDA00034026160300000211
时储能装置放电；
热力系统热量平衡约束：
Figure GDA00034026160300000212
式中，
Figure GDA00034026160300000213
为电锅炉t时刻供热功率；
Figure GDA00034026160300000214
为储热装置储热功率，
Figure GDA00034026160300000215
时储热装置放热,
Figure GDA00034026160300000216
时储热装置储热；
Figure GDA00034026160300000217
为t时刻热负荷需求；ηeb为电锅炉效率，取0.98；
电锅炉运行功率约束：
Figure GDA00034026160300000218
式中，Peb,max为电锅炉运行功率最大值；
储热式电锅炉系统约束：
储热装置运行约束：
Figure GDA00034026160300000219
式中,
Figure GDA00034026160300000220
为储热装置放热功率、
Figure GDA00034026160300000221
为储热装置储热功率；
Figure GDA00034026160300000222
为储热装置最大放热功率；
Figure GDA0003402616030000031
为储热装置最大储热功率；
储热装置运行状态约束：
Figure GDA0003402616030000032
式中，Sh,max为储热装置最大储热量；
Figure GDA0003402616030000033
为t时段储热装置储热状态；ηtsd,in为储热装置储热效率，取0.92；ηtsd,out为储热装置放热效率，取0.92，由于储热罐日内总热损失不超过1％，因此，不考虑储热装置热损失；
储能运行功率约束
Figure GDA0003402616030000034
式中，
Figure GDA0003402616030000035
为储能系统t时刻的放电功率；
Figure GDA0003402616030000036
为储能系统t时刻的储电功率；Pe,max为储能系统储放电功率上限值；
储能装置荷电状态：
SOCmin≤SOC≤SOCmax (8)
式中，SOC为储能装置荷电状态；SOCmin为储能荷电状态下限值；SOCmax为储能荷电状态上限值，其中储能装置的有荷电状态上限值取0.8、下限值取0.2；
储能充放电约束：
Xt×Yt＝0 (9)
式中，Xt为储能充电状态，其值可以取0、1，Yt为储能放电状态，其值可以取0、1，表明储能装置同一时刻只能充电或放电；
电锅炉档位约束：
Glow≤G≤Ghigh (10)
式中，G为电锅炉的工作档位；Ghigh为电锅炉档位的上限值、Glow为电锅炉档位的下限值。
本发明涉及一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法，其特点是，包括储热电混合储能消纳风电系统的构成与控制；储热电混合储能系统调度模型的建立步骤，在考虑弃风特性的基础上，提出了改善电锅炉运行的优化系数；在考虑蓄热式电锅炉和储能电池各自优势的条件下，提出了储热电混合储能的协调控制方法，分析不同运行方式下风电接纳情况，具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。
附图说明
图1为供暖期不同运行方式的弃风消纳情况图；
图2为供暖期不同时期方式1的运行情况图；
图3为供暖期不同时期方式2的运行情况图；
图4为供暖期不同时期方式3的运行情况图；
图5为运行方式3下的弃风功率和电锅炉功率曲线图；
图6为方式3储能装置状态图；
图7为储能电池各时刻的功率图；
图8为供暖期不同时期三种方式的运行情况图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法，在考虑弃风特性的基础上，提出了改善电锅炉运行的优化系数；在考虑储热式电锅炉和储能电池各自优势的条件下，提出了储热电混合储能的协调控制方法，分析不同运行方式下风电接纳情况，具体包括的内容是：
1)储热电混合储能消纳风电系统的构成与控制
(a)储热电混合储能消纳风电系统的构成
储热电混合储能系统主要是指利用二者各自的优势协调消纳风电，其中，储热式电锅炉通过配置储热装置，负荷低谷时段电锅炉满足供热的同时进行储热，非低谷时段储热放热，实现能量在时间上的转移；电池储能系统利用其响应速度快、能量双向流动，能够实时根据电锅炉档位的调整进行充放电；
(b)储热电混合储能系统消纳风电的控制
储热式电锅炉以供热约束为主，电池储能协调动作；储热电混合储能系统的分时段运行控制方法为：以22时至次日22时作为一个调度周期，起始调度时间为负荷低谷时段；初始低谷时段，电锅炉动作供热同时储热，优化系数同时进行档位优化，电池储能根据档位的变化进行充放电动作，如果还存在弃风，电池储能将进行充电以消纳弃风，弃风不足则消纳电网电量；非负荷低谷时段，以储热式电锅炉供热为主，电池储能在高峰时段向电网放电，峰平时段，如有弃风存在，则进行充电动作；
2)储热电混合储能系统的调度模型的建立
(a)调度模型目标函数
在非直供电模式下，以储热/电混合储能系统的消纳弃风最大为目标，总体目标函数如下：
Figure GDA0003402616030000051
式中，
Figure GDA0003402616030000052
为t时段蓄热式电锅炉利用消纳的风电场的弃风电量；
Figure GDA0003402616030000053
为t时段储能电池装置消纳的电量；
Figure GDA0003402616030000054
为t时段向电网公司的购电量；T为一天内供热时段数，共96个供热时段；
(b)运行约束条件
电力系统电量平衡约束：：
Figure GDA0003402616030000055
式中，
Figure GDA0003402616030000056
为t时段风电场实际并网功率，
Figure GDA0003402616030000057
为t时段储热式电锅炉消耗的非弃风功率，即从电网购电功率；
Figure GDA0003402616030000058
为t时段储热式电锅炉消耗功率；
Figure GDA0003402616030000059
为t时段储能装置充放电功率，
Figure GDA00034026160300000510
时储能装置充电，
Figure GDA00034026160300000511
时储能装置放电；
热力系统热量平衡约束：
Figure GDA00034026160300000512
式中，
Figure GDA00034026160300000513
为电锅炉t时刻供热功率；
Figure GDA00034026160300000514
为储热装置储热功率，
Figure GDA00034026160300000515
时储热装置放热,
Figure GDA00034026160300000516
时储热装置储热；
Figure GDA00034026160300000517
为t时刻热负荷需求；ηeb为电锅炉效率，取0.98；
电锅炉运行功率约束：
Figure GDA00034026160300000518
式中，Peb,max为电锅炉运行功率最大值；
储热式电锅炉系统约束：
储热装置运行约束：
Figure GDA00034026160300000519
式中,
Figure GDA00034026160300000520
为储热装置放热功率、
Figure GDA00034026160300000521
为储热装置储热功率；
Figure GDA00034026160300000522
为储热装置最大放热功率；
Figure GDA00034026160300000523
为储热装置最大储热功率；
储热装置运行状态约束：
Figure GDA0003402616030000061
式中，Sh,max为储热装置最大储热量；
Figure GDA0003402616030000062
为t时段储热装置储热状态；ηtsd,in为储热装置储热效率，取0.92；ηtsd,out为储热装置放热效率，取0.92，由于储热罐日内总热损失不超过1％，因此，不考虑储热装置热损失；
储能运行功率约束
Figure GDA0003402616030000063
式中，
Figure GDA0003402616030000064
为储能系统t时刻的放电功率；
Figure GDA0003402616030000065
为储能系统t时刻的储电功率；Pe,max为储能系统储放电功率上限值；
储能装置荷电状态：
SOCmin≤SOC≤SOCmax (8)
式中，SOC为储能装置荷电状态；SOCmin为储能荷电状态下限值；SOCmax为储能荷电状态上限值，其中储能装置的有荷电状态上限值取0.8、下限值取0.2；
储能充放电约束：
Xt×Yt＝0 (9)
式中，Xt为储能充电状态，其值可以取0、1，Yt为储能放电状态，其值可以取0、1，表明储能装置同一时刻只能充电或放电；
电锅炉档位约束：
Glow≤G≤Ghigh (10)
式中，G为电锅炉的工作档位；Ghigh为电锅炉档位的上限值、Glow为电锅炉档位的下限值。
下面以200MW来福风电场实际风电数据为依据，基于上述协调控制方法，分析风电接纳情况。
算例分别采用如下不同运行方式提高风电消纳：
方式1：储热式电锅炉传统的固定时段运行方式。目前利用储热式电锅炉的传统运行方式是电锅炉以固定功率在22:00到第二日的7:00运行，在满足供热负荷的基础上，将多余的热量储存在起来，并在当天的其他时段放热以维持供热需求。
方式2：储热式电锅炉跟踪弃风的运行方式。即在满足储热式电锅炉技术要求的前提下，最大限度的接纳弃风电量，同时多余的弃风电量以热能的形式储存起来，并在弃风电量不能满足供热负荷时释放，以满足热负荷的需求，如果储热罐中的热量也不够，就利用电网电量满足供热需求。
方式3：储热电混合储能系统的协调运行方式。在蓄热式电锅炉的供热系统的基础上，增加储能装置，并以3节所述的方法进行协调供热，可以进一步提高风电的消纳空间。
模型求解及分析：
①整个供暖期的运行效果分析
由图1可以看出，比较三种运行方式的整体运行的效果，方式1的弃风消纳曲线大部分时间处于三种运行方式的最下面，其弃风消纳效果相比较方式2与方式3并不理想，而方式3的运行效果整体高于其他几种运行方式，能得到更好的运行效果。
②典型日的运行效果分析
由图2的方式1在不同时期的运行情况可以看出，方式1由于采用的是传统的固定式运行方式，导致电锅炉工作档位与弃风功率在某些时段差距较大，例如在夜间时段，由于弃风功率小于电锅炉实际工作功率，因此会从电网购置部分电量以满足运行要求，尤其对于供暖期中弃风功率相对较小的天数，该运行方式并不具备有效的利用效果，导致资源浪费，增加系统的运行成本。
由图3的方式2在不同时期的运行情况可以看出，方式2由于采取了跟踪弃风功率的运行方式，装置的运行灵活性相对方式1得到很大的提高，其弃风消纳能力得到了明显的提升，但是电极调节次数也显著地提升，不利于电锅炉电极的健康使用。由于方式2避免了在夜间弃风相对较小时段的大功率运行要求，其购进的电网电量明显减少。
由图4的方式3在不同时期的运行情况可以看出，本文提出的协调优化运行方式，由于考虑到弃风特性的影响，并采用储能电池装置协调运作，优化电锅炉档位选择，电锅炉档位显著降低，而等效电极的调节次数也得以降低，无论从典型日还是从整个供暖期的角度来看，都更加贴近等效调节次数相对较少的运行方式1，达到了降低电极调节次数的作用，而在储能电池的协调作用下，方式3的消纳弃风能力也得到了明显地提升，电网购电量也得以下降，避免了非弃风资源的浪费。
从图5中某一典型日的协调运行机理图以及图6与图7的储能电池装置的实时容量与功率状况可以看出，当电锅炉工作在负荷低谷时刻时，储能装置通过自身快速的充放电优势，在存在弃风情况时，将多余的弃风电量储存起来，而在电锅炉选择较高的档位以避免由于弃风短时间的功率下降导致的电锅炉功率不必要的下调时，快速放电以弥补由于弃风功率不足导致的需要从电网购置电量的情况，而在负荷高峰时刻，储能装置通过将电量输送到电网，以赚取差价，增加系统的经济性。综合而言，本文提出的优化运行方式在满足供热负荷需求的同时，有效的提高了系统弃风消纳能力，降低了电网购电量，又避免了电锅炉电极频繁的调节，提高了系统的有效使用年限，其效果要优于其他2种运行方式。
不同方式下的消纳弃风效果如图8所示，通过比较不同运行方式与弃风功率曲线的相似性，方式3可以更好的贴近弃风出力情况，带来更好的运行效果。
本发明实施例中的计算条件、图例、表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)

1.一种考虑弃风特性的储热电混合储能的协调控制方法，其特征是，它包括的内容有：
1)储热电混合储能消纳风电系统的构成与控制
(a)储热电混合储能消纳风电系统的构成
储热电混合储能系统主要是指利用二者各自的优势协调消纳风电，其中，储热式电锅炉通过配置储热装置，负荷低谷时段电锅炉满足供热的同时进行储热，非低谷时段储热放热，实现能量在时间上的转移；电池储能系统利用其响应速度快、能量双向流动，能够实时根据电锅炉档位的调整进行充放电；
(b)储热电混合储能系统消纳风电的控制
储热式电锅炉以供热约束为主，电池储能协调动作；储热电混合储能系统的分时段运行控制为：以22时至次日22时作为一个调度周期，起始调度时间为负荷低谷时段；初始低谷时段，电锅炉动作供热同时储热，优化系数同时进行档位优化，电池储能根据档位的变化进行充放电动作，如果还存在弃风，电池储能将进行充电以消纳弃风，弃风不足则消纳电网电量；非负荷低谷时段，以储热式电锅炉供热为主，电池储能在高峰时段向电网放电，峰平时段，如有弃风存在，则进行充电动作；
2)储热电混合储能系统的调度模型的建立
(a)调度模型目标函数
在非直供电模式下，以储热/电混合储能系统的消纳弃风最大为目标，总体目标函数如下：
Figure FDA0003402616020000011
式中，
Figure FDA0003402616020000012
为t时段蓄热式电锅炉利用消纳的风电场的弃风电量；
Figure FDA0003402616020000013
为t时段储能电池装置消纳的电量；
Figure FDA0003402616020000014
为t时段向电网公司的购电量；T为一天内供热时段数，共96个供热时段；
(b)运行约束条件
电力系统电量平衡约束：
Figure FDA0003402616020000015
式中，
Figure FDA0003402616020000016
为t时段风电场实际并网功率，
Figure FDA0003402616020000017
为t时段储热式电锅炉消耗的非弃风功率，即从电网购电功率；
Figure FDA0003402616020000018
为t时段储热式电锅炉消耗功率；
Figure FDA0003402616020000019
为t时段储能装置充放电功率，
Figure FDA00034026160200000110
时储能装置充电，
Figure FDA00034026160200000111
时储能装置放电；
热力系统热量平衡约束：
Figure FDA0003402616020000021
式中，
Figure FDA0003402616020000022
为电锅炉t时刻供热功率；
Figure FDA0003402616020000023
为储热装置储热功率，
Figure FDA0003402616020000024
时储热装置放热,
Figure FDA0003402616020000025
时储热装置储热；
Figure FDA0003402616020000026
为t时刻热负荷需求；ηeb为电锅炉效率，取0.98；
电锅炉运行功率约束：
Figure FDA0003402616020000027
式中，Peb,max为电锅炉运行功率最大值；
储热式电锅炉系统约束：
储热装置运行约束：
Figure FDA0003402616020000028
式中,
Figure FDA0003402616020000029
为储热装置放热功率、
Figure FDA00034026160200000210
为储热装置储热功率；
Figure FDA00034026160200000211
为储热装置最大放热功率；
Figure FDA00034026160200000212
为储热装置最大储热功率；
储热装置运行状态约束：
Figure FDA00034026160200000213
式中，Sh,max为储热装置最大储热量；
Figure FDA00034026160200000214
为t时段储热装置储热状态；ηtsd,in为储热装置储热效率，取0.92；ηtsd,out为储热装置放热效率，取0.92，由于储热罐日内总热损失不超过1％，因此，不考虑储热装置热损失；
储能运行功率约束
Figure FDA00034026160200000215
式中，
Figure FDA00034026160200000216
为储能系统t时刻的放电功率；
Figure FDA00034026160200000217
为储能系统t时刻的储电功率；Pe,max为储能系统储放电功率上限值；
储能装置荷电状态：
SOCmin≤SOC≤SOCmax (8)
式中，SOC为储能装置荷电状态；SOCmin为储能荷电状态下限值；SOCmax为储能荷电状态上限值，其中储能装置的有荷电状态上限值取0.8、下限值取0.2；
储能充放电约束：
Xt×Yt＝0 (9)
式中，Xt为储能充电状态，其值可以取0、1，Yt为储能放电状态，其值可以取0、1，表明储能装置同一时刻只能充电或放电；
电锅炉档位约束：
Glow≤G≤Ghigh (10)
式中，G为电锅炉的工作档位；Ghigh为电锅炉档位的上限值、Glow为电锅炉档位的下限值。
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