CN110649592B - 含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法,首先在采集电热互联能源系统信息的基础上,建立计及蓄热式电锅炉、风电机组、热电机组的电热互联能源系统模型;然后设置电热互联能源系统运行约束,主要包括爬坡率约束、容量约束、调度因子约束;其次,配置电热互联能源系统多场景工作模式,包括热电机组灵活性改造场景、风电供热场景、用户侧电能替代场景;最后,建立电热互联能源系统经济调度模型,对其求解并输出电热互联能源系统信息。本发明为电热互联能源系统多场景经济调度、风电消纳、电网调峰提供理论指导与借鉴。
Description
技术领域
本发明涉及电热互联能源系统,具体涉及含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法。
背景技术
近年来新能源得到了持续快速发展,同时,部分地区的弃风问题日益严重,由于热电机组的热电比高,调峰电源建设条件差,冬季供暖期调峰困难,弃风问题严重,电力系统的新能源消纳能力成为制约可再生能源发展的关键因素。积极研究探索机组可实施的灵活性方案,实现热电解耦并提升机组运行灵活性、为电网消纳更多清洁能源创造空间,加快能源技术创新,挖掘热电机组调峰能力,全面提高系统调峰和新能源消纳能力迫在眉睫。
为了减少弃风,促进风电的健康发展,除了要合理规划风电发展规模,适当发展一定具有蓄能、调峰作用的抽水蓄能电站外,还应根据地区实际情况,大力探索采用风电供热,找到一条因地制宜的消纳风电的方法。蓄热式电锅炉是一种新兴的清洁电供暖方式,蓄热式电锅炉因其清洁环保、可负荷时移、工作效率高等特点,并可在发电侧和用户侧多环节中应用,受到电网和电源企业的高度重视,并在多项示范应用中得到了广泛认可。蓄热式电锅炉是由电锅炉和蓄热设备组成的可靠热源,具有很强的蓄热能力,在不影响供热质量的前提下,其投入电网运营的时间点具有选择性,能在一定程度上响应电力系统调节需求,是具有改善系统的运行质量能力的可控负荷。
因此,在不同场景配置下建设可实时终端的蓄热式电锅炉可控负荷,利用电能转换成热能补充到热网,可以实现热电机组对电网的深度调峰,对于提高电力系统可再生能源消纳能力有十分重要的意义。
发明内容
发明目的:本发明旨在提供一种含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法,综合考虑热电机组、风电机组和蓄热式电锅炉多场景配置经济运行,为电热互联能源系统经济调度、风电消纳、热电机组灵活改造提供理论指导。
技术方案:本发明所提供的含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法,包括以下步骤:
(1)采集电热互联能源系统信息,包括电热互联能源系统的架构、电热互联能源系统的运行场景配置、热电机组容量及工作特征、风电机组容量及工作特征、蓄热式电锅炉的容量及工作特征、典型日风速预测数据、典型日热负荷预测数据、典型日电负荷预测数据等信息;
(2)建立电热互联能源系统模型,包括蓄热式电锅炉模型、风电机组模型、热电机组模型;
(3)设置电热互联能源系统运行约束,包括爬坡率约束、容量约束、调度因子约束;
(4)配置多场景工作模式,包括热电机组灵活性改造场景、风电供热场景、用户侧电能替代场景;
(5)建立电热互联能源系统经济调度模型;
(6)输出电热互联能源系统信息,包括热电机组电热出力分布、风电机组实际工作时的电出力、蓄热式电锅炉充放热功率、电热互联能源系统经济运行成本等信息。
进一步,步骤(2)建立电热互联能源系统模型包括:
A、蓄热式电锅炉模型
蓄热式电锅炉是一种广义上的蓄能系统,其产生的热量一部分直接供热,另一部分存入蓄热设备置,作为可时移负荷,其模型的表达式为:
式中:为电锅炉在时刻t的输出热功率;ηEB为电锅炉的制热性能系数;为电锅炉在时刻t的消耗的电功率;为电锅炉在时刻t直接向热负荷供应的热功率;ζES(t)为电锅炉在时刻t直接向热负荷供应热功率的调度因子;为蓄热设备在时刻t的蓄热功率;为蓄热设备在时刻t的放热功率;SES(t)为蓄热设备在时刻t的蓄热容量;αES为蓄热设备在时刻t的蓄热损失率;Δt为电热互联能源系统经济调度仿真步长。
B、风电机组模型
风电机组的电出力与风速关系表达式可由一个分段函数组成,其模型表达式为:
式中:为风电机组在时刻t的预测最大输出功率;Pnom为风电机组的额定输出最大功率;V(t)为风电机组在时刻t的实际工作风速;Vin为风电机组最小启动工作风速;Vnom为风电机组额定工作风速;Vout为风电机组极限工作风速;aWT、bWT、cWT为风电机组预测出力曲线拟合系数。
C、热电机组模型
热电机组的运行成本同时受到热出力和电出力的影响,其模型表达式为:
式中:为热电机组在时刻t的运行成本;PCHP(t)为热电机组在时刻t的电出力;HCHP(t)为热电机组在时刻t的热出力;aCHP、bCHP、cCHP为热电机组的运行成本系数;Cv为热电机组的运行特征参数;为热电机组电热出力运行区域的第i不等式约束系数。
进一步,步骤(3)设置电热互联能源系统运行约束包括:
电热互联能源系统多场景经济调度模型的运行约束条件包含设备爬坡率约束、设备容量约束、系统调度因子约束三大部分。
A、爬坡率约束
热电机组和电锅炉的爬坡率约束表达式如下:
B、容量约束
风电机组容量、电锅炉容量、热电机组容量、蓄热设备蓄放功率、蓄热设备储能量约束表达式如下:
式中:为风电机组在时刻t的实际发电功率;为电锅炉的最大发电功率; 分别为蓄热设备蓄热功率的上、下限; P CHP分别为热电机组的电出力上、下限; H CHP分别为热电机组的热出力上、下限;分别为蓄热设备放热功率的上、下限;为蓄热设备的极限蓄热容量;分别为蓄热设备安全工作时的最大、最小蓄热容量。
C、调度因子约束
含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统中的调度因子约束主要涉及蓄热设备、风电机组、热电机组的分配因子,其调度因子约束表达式如下:
式中:ζWT(t)为风电机组在时刻t直接向蓄热式电锅炉供应电功率的调度因子,另外,1-ζWT(t)为风电机组在时刻t直接向电负荷供应电功率的调度因子;ζCHP(t)为热电机组在时刻t直接向蓄热式电锅炉供应电功率的调度因子,另外,1-ζCHP(t)为热电机组在时刻t直接向电负荷供应电功率的调度因子。
进一步,步骤(4)配置多场景工作模式,具体如下:
配置多场景工作模式包括3种场景:其中场景A,即热电机组灵活性改造场景,在热电机组侧配置蓄热式电锅炉,热电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;其中场景B,即风电供热场景,在风电机组侧配置蓄热式电锅炉,风电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;其中场景C,即用户侧电能替代场景,在用户侧配置蓄热式电锅炉,蓄热式电锅炉消耗风机机组和热电机组产生的一部分电能,并将其转化为热能。
进一步,步骤(5)建立电热互联能源系统经济调度模型,具体如下:
含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统经济调度模型表达式为:
式中:λWT为弃风惩罚系数;T为电热互联能源系统经济调度仿真周期;COST为电热互联能源系统经济调度周期内的成本。
有益效果:与现有技术相比,本发明综合考虑热电机组、风电机组和蓄热式电锅炉多场景配置,更好满足不同工程场景应用需求,更加符合现实电热互联能源系统要求;并且本发明将蓄热式电锅炉应用到电热互联能源系统中,有效的促进风电消纳、改善热电机组灵活运行、降低电热互联能源系统经济运行成本。
附图说明
图1为本发明实施流程图;
图2为含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度的算例结构图;
图3为多场景下电热负荷需求及风电机组预测电出力图;
图4为多场景下热电机组逐时段运行成本变化图;
图5为多场景下热电机组电热出力逐时段分布图;
图6为多场景下的蓄热设备蓄热量逐时段变化图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法,如图1所示,包括以下步骤:
(1)采集电热互联能源系统信息
采集电热互联能源系统信息,包括电热互联能源系统的架构、电热互联能源系统的运行场景配置、热电机组容量及工作特征、风电机组容量及工作特征、蓄热式电锅炉的容量及工作特征、典型日风速预测数据、典型日热负荷预测数据、典型日电负荷预测数据等信息。
(2)建立电热互联能源系统模型
A、蓄热式电锅炉模型
蓄热式电锅炉因其清洁环保、可负荷时移、工作效率高等特点,并可在发电侧和用户侧多环节中应用,受到电网和电源企业的高度重视,并在多项示范应用中得到了广泛认可。蓄热式电锅炉是由电锅炉和蓄热设备组成的可靠热源,具有很强的蓄热能力,在不影响供热质量的前提下,其投入电网运营的时间点具有选择性,能在一定程度上响应电力系统调节需求,是具有改善系统的运行质量能力的可控负荷。蓄热式电锅炉是一种广义上的蓄能系统,其产生的热量一部分直接供热,另一部分存入蓄热设备置,作为可时移负荷,其模型的表达式为:
式中:为电锅炉在时刻t的输出热功率;ηEB为电锅炉的制热性能系数;为电锅炉在时刻t的消耗的电功率;为电锅炉在时刻t直接向热负荷供应的热功率;ζES(t)为电锅炉在时刻t直接向热负荷供应热功率的调度因子;为蓄热设备在时刻t的蓄热功率;为蓄热设备在时刻t的放热功率;SES(t)为蓄热设备在时刻t的蓄热容量;αES为蓄热设备在时刻t的蓄热损失率;Δt为电热互联能源系统经济调度仿真步长。
B、风电机组模型
由风电机组的工作原理可知,当环境风速小于风机的最小工作风速时,风电机组的电出力为0;当环境风速高于最小工作风速后,风电机组可以并网发电,并通过变换器使得风电机组工作在最大功率点跟踪模式下,此时风能利用率最高;当环境风速超过风机的额定输出最大功率且未超过极限工作风速时,风电机组的电出力保持额定输出最大功率不变:当环境风速大于极限工作风速时,为保护风电设备,风电机组停运,其电出力为0。常见的风电机组的电出力与风速关系表达式可由一个分段函数组成,其模型表达式为:
式中:为风电机组在时刻t的预测最大输出功率;Pnom为风电机组的额定输出最大功率;V(t)为风电机组在时刻t的实际工作风速;Vin为风电机组最小启动工作风速;Vnom为风电机组额定工作风速;Vout为风电机组极限工作风速;aWT、bWT、cWT为风电机组预测出力曲线拟合系数。
C、热电机组模型
热电机组通常为抽汽式机组,供热功率和发电功率关系通常用四边形运行区间来表示,热电机组的运行成本同时受到热出力和电出力的影响,其模型表达式为:
式中:为热电机组在时刻t的运行成本;PCHP(t)为热电机组在时刻t的电出力;HCHP(t)为热电机组在时刻t的热出力;aCHP、bCHP、cCHP为热电机组的运行成本系数;Cv为热电机组的运行特征参数;为热电机组电热出力运行区域的第i不等式约束系数。
(3)设置电热互联能源系统运行约束
电热互联能源系统多场景经济调度模型的运行约束条件包含设备爬坡率约束、设备容量约束、系统调度因子约束三大部分。
A、爬坡率约束
热电机组和电锅炉的爬坡率约束表达式如下:
B、容量约束
风电机组容量、电锅炉容量、热电机组容量、蓄热设备蓄放功率、蓄热设备储能量约束表达式如下:
式中:为风电机组在时刻t的实际发电功率;为电锅炉的最大发电功率; 分别为蓄热设备蓄热功率的上、下限; P CHP分别为热电机组的电出力上、下限; H CHP分别为热电机组的热出力上、下限;分别为蓄热设备放热功率的上、下限;为蓄热设备的极限蓄热容量;分别为蓄热设备安全工作时的最大、最小蓄热容量。
C、调度因子约束
含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统中的调度因子约束主要涉及蓄热设备、风电机组、热电机组的分配因子,其调度因子约束表达式如下:
式中:ζWT(t)为风电机组在时刻t直接向蓄热式电锅炉供应电功率的调度因子,另外,1-ζWT(t)为风电机组在时刻t直接向电负荷供应电功率的调度因子;ζCHP(t)为热电机组在时刻t直接向蓄热式电锅炉供应电功率的调度因子,另外,1-ζCHP(t)为热电机组在时刻t直接向电负荷供应电功率的调度因子。
(4)配置多场景工作模式
配置多场景工作模式包括3种场景:其中场景A,即热电机组灵活性改造场景,在热电机组侧配置蓄热式电锅炉,热电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;其中场景B,即风电供热场景,在风电机组侧配置蓄热式电锅炉,风电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;其中场景C,即用户侧电能替代场景,在用户侧配置蓄热式电锅炉,蓄热式电锅炉消耗风机机组和热电机组产生的一部分电能,并将其转化为热能。
(5)建立电热互联能源系统经济调度模型
含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统经济调度模型主要考虑热电机组的运行成本和弃风惩罚成本,综合考虑了煤耗及风电消纳因素,其模型表达式为:
式中:λWT为弃风惩罚系数;T为电热互联能源系统经济调度仿真周期;COST为电热互联能源系统经济调度周期内的成本。
(6)输出电热互联能源系统信息
输出电热互联能源系统信息,包括热电机组电热出力分布、风电机组实际工作时的电出力、蓄热式电锅炉充放热功率、电热互联能源系统经济运行成本等信息。
实施例
本发明中含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度算例以北方某地区冬季典型日为研究对象,仿真步长为1小时,经济调度周期为24小时。实施例中含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景架构及拓扑如图2所示。配置多场景工作模式包括3种场景:其中场景A,即热电机组灵活性改造场景,在热电机组侧配置蓄热式电锅炉,热电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;其中场景B,即风电供热场景,在风电机组侧配置蓄热式电锅炉,风电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;其中场景C,即用户侧电能替代场景,在用户侧配置蓄热式电锅炉,蓄热式电锅炉消耗风机机组和热电机组产生的一部分电能,并将其转化为热能。
本发明中含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度算例的主要参数设置:弃风惩罚系数为50USD/MWh;多场景下逐时段电、热负荷需求及风电机组预测电出力变化如图3所示;热电机组的向上爬坡率为50MW/h;热电机组的向下爬坡率为-50MW/h;电锅炉的制热性能系数为0.98;蓄热设备的容量为100MWh;蓄热设备最大蓄热功率为20MW;蓄热设备最大放热功率为20MW;热电机组的电出力上、下限分别为247MW、81MW;热电机组的热出力上、下限分别为180MW、0MW。
结果分析:不同场景下的电热负荷需求及风电机组预测电出力设置相同,从图3中可以知道,电负荷需求在白天,即时段7到时段18为电负荷需求高峰期,其它时段为电负荷需求低谷期;热负荷需求在白天,即时段8到时段18为热负荷需求低峰期,其它时段为热负荷需求高峰期,同时风电机组的预测出力与热负荷需求曲线同步变化,即风电机组在夜间大发,在白天以较小功率出力。可以明显发现电负荷、风电机组预测出力与电负荷需求具有错峰的特点,这为蓄热式电锅炉、风电机组、热电机组协调配合工作提供了充足的裕度,可以充分利用它们各自的特点,以减低经济运行成本。
风电在不同场景下经济调度中被完全消纳,即没有弃风,说明所提出的多场景经济调度方法可以有效的促进风电的消纳。场景A中,含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统经济调度运行成本为222455.6USD;场景B中,含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统经济调度运行成本为209662.0USD;场景C中,含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统经济调度运行成本为208919.1USD。可以发现,场景A的运行成本最高,而场景B与场景C的运行成本接近。进一步的,多场景下热电机组逐时段运行成本变化情况如图4所示,从图4中亦可以发现,场景A的每个时段运行成本均不小于场景B和场景C的运行成本,从不同场景的架构及拓扑中可以发现,场景A的热负荷需求功率仅仅有热电机组提供,包括全部的热出力及热电机组的部分电能转换的热能,而场景B和场景C的电、热负荷需求均可以有热电机组、风电机组提供,进而增加了电热互联能源系统的灵活性,进一步的降低电热互联能源系统的运行成本。
多场景下热电机组电热出力逐时段分布结果如图5所示,根据图5,不同场景的热电机组运行状态相对稳定,即总体上为背压工况运行,也即是总体上以固定热电比运行,与蓄热式电锅炉、风电机组的灵活配合,既可以满足电热互联能源系统的电热负荷需求,也可以保证热电机组的安全、稳定、灵活的运行,进一步说明本发明所提含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法是有效、合理的。蓄热设备的蓄热量逐时段变化如图6所示,整体上场景B和场景C变化趋势相同,这种结果与图4相照应,场景A的蓄热量变化相对较明显,而场景B和场景C的变化相对平缓且不明显,主要原因在于场景B和场景C的电热负荷需求可以同时有热电机组、风电机组提供,而场景A中的热负荷仅仅可以有热电机组来提供,进而增强了蓄热设备的作用,蓄热设备的灵活调节可以进一步减低电热互联系统的运行成本。
通过本实施例的算例仿真及结果分析可知,本发明所提含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法是有效的、合理的、实用的,可以为电热互联能源系统多场景经济调度、优化运行等提供理论指导与借鉴。
Claims (1)
1.含蓄热式电锅炉的电热互联能源系统多场景经济调度方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)采集电热互联能源系统信息,包括电热互联能源系统的架构信息、电热互联能源系统的运行场景配置信息、热电机组容量及工作特征、风电机组容量及工作特征、蓄热式电锅炉的容量及工作特征、典型日风速预测数据、典型日热负荷预测数据、典型日电负荷预测数据信息;
(2)建立电热互联能源系统模型,包括蓄热式电锅炉模型、风电机组模型、热电机组模型;建立电热互联能源系统模型包括:
(2a)蓄热式电锅炉模型,其表达式如下:
式中:为电锅炉在时刻t的输出热功率;ηEB为电锅炉的制热性能系数;为电锅炉在时刻t的消耗的电功率;为电锅炉在时刻t直接向热负荷供应的热功率;ζES(t)为电锅炉在时刻t直接向热负荷供应热功率的调度因子;为蓄热设备在时刻t的蓄热功率;为蓄热设备在时刻t的放热功率;SES(t)为蓄热设备在时刻t的蓄热容量;αES为蓄热设备在时刻t的蓄热损失率;Δt为电热互联能源系统经济调度仿真步长;
(2b)风电机组模型,其表达式如下:
式中:为风电机组在时刻t的预测最大输出功率;Pnom为风电机组的额定输出最大功率;V(t)为风电机组在时刻t的实际工作风速;Vin为风电机组最小启动工作风速;Vnom为风电机组额定工作风速;Vout为风电机组极限工作风速;aWT、bWT、cWT为风电机组预测出力曲线拟合系数;
(2c)热电机组模型,其表达式如下:
式中:为热电机组在时刻t的运行成本;PCHP(t)为热电机组在时刻t的电出力;HCHP(t)为热电机组在时刻t的热出力;aCHP、bCHP、cCHP为热电机组的运行成本系数;Cv为热电机组的运行特征参数;为热电机组电热出力运行区域的第i不等式约束系数;
(3)设置电热互联能源系统运行约束,所述运行约束包括爬坡率约束、容量约束、调度因子约束;设置电热互联能源系统运行约束包括:
(3a)爬坡率约束,其表达式如下:
(3b)容量约束,其表达式如下:
式中:为风电机组在时刻t的实际发电功率;为电锅炉的最大发电功率; 分别为蓄热设备蓄热功率的上、下限; P CHP分别为热电机组的电出力上、下限; H CHP分别为热电机组的热出力上、下限;分别为蓄热设备放热功率的上、下限;为蓄热设备的极限蓄热容量;分别为蓄热设备安全工作时的最大、最小蓄热容量;
(3c)调度因子约束,其表达式如下:
式中:ζWT(t)为风电机组在时刻t直接向蓄热式电锅炉供应电功率的调度因子,另外,1-ζWT(t)为风电机组在时刻t直接向电负荷供应电功率的调度因子;ζCHP(t)为热电机组在时刻t直接向蓄热式电锅炉供应电功率的调度因子,另外,1-ζCHP(t)为热电机组在时刻t直接向电负荷供应电功率的调度因子;
(4)配置多场景工作模式,所述的多场景包括热电机组灵活性改造场景、风电供热场景、用户侧电能替代场景;对于多场景的工作模式配置具体过程如下:
所述的热电机组灵活性改造场景为在热电机组侧配置蓄热式电锅炉,热电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;
所述的风电供热场景为在风电机组侧配置蓄热式电锅炉,风电机组的电出力一部分直接分配到电负荷,另一部分被蓄热式电锅炉消耗而转化为热功率;
所述的用户侧电能替代场景为在用户侧配置蓄热式电锅炉,蓄热式电锅炉消耗风机机组和热电机组产生的一部分电能,并将其转化为热能;
(5)建立电热互联能源系统经济调度模型,其表达式如下:
式中:λWT为弃风惩罚系数;T为电热互联能源系统经济调度仿真周期;COST为电热互联能源系统经济调度周期内的成本;
(6)输出电热互联能源系统信息,包括热电机组电热出力分布、风电机组实际工作时的电出力、蓄热式电锅炉充放热功率、电热互联能源系统经济运行成本信息。
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