CN117114237A - 面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法 - Google Patents

面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法 Download PDF

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陈新宇
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丁键
崔旭东
龙海
金天昱
文劲宇
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Huazhong University of Science and Technology
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Tongliao Power Supply Co Of State Grid East Inner Mongolia Electric Power Co
Huazhong University of Science and Technology
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Abstract

本发明涉及一种面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，包括以下步骤：通过在现有电热集成系统的机组容量的基础上考虑热源规划，同时考虑风电机组的发电潜力，得到了面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划模型，电热集成系统热源规划模型的目标是最小化全系统成本，全系统成本包括热源投资成本和运营成本。本发明有利于对CHP机组的电热耦合关系进行解耦，提升CHP机组的运行灵活性，降低系统的总运行成本，促进风电的消纳，并提高可再生能源在电源侧的比例。

Description

面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法
技术领域
本发明涉及属于电气工程领域，更具体地说，涉及一种面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法。
背景技术
我国北方冬季的电力需求和热力需求均较高，电热集成系统在满足电热需求中发挥了关键作用。作为电热集成系统的重要成分，CHP机组可用于同时生成电能和热能，但它的电热耦合关系限制了其电热出力的灵活性，因而亟需引入新的电源和热源。
在电力系统中，随着近年风电装机容量的不断增长，风电并网消纳的问题愈发突出。在考虑将风电作为电源引入电热集成系统时，亟需投资规划热源以促进风电的消纳，提高电热集成系统的出力灵活性，降低系统运行成本，提高可再生能源在电源侧的比例。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其旨在通过在电热集成系统中进行热源规划以解决电网消纳风电的能力不足而导致的弃风问题，提高电热集成系统的灵活性和经济性，并进一步提高可再生能源在电源侧的比例。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，包括以下步骤：
通过在现有电热集成系统的机组容量的基础上考虑热源规划，同时考虑风电机组的发电潜力，得到了面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划模型，电热集成系统热源规划模型的目标是最小化全系统成本，全系统成本包括热源投资成本和运营成本。
按上述方案，所述电热集成系统热源规划模型为：
min CInvest+COpera (22)
CInvest＝CIn，HS+CIn，EB (23)
其中，CInvest表示热源的总投资成本，包括储热罐的投资成本CIn，Hs和电锅炉的投资成本CIn，Eb，计算如下：
其中，Nh是供热区域的数量；cHs、cEb分别是储热罐和电锅炉的单位容量价格；分别是储热罐和电锅炉的投资容量；
COpera＝COp，Th+COP，CHP (26)
COpera是总运行成本，包括火电机组产生的燃料成本COp，Th和热电联产机组的燃料成本COp，CHP，计算如下：
其中，Ccoal是燃煤成本；NTh、NCHP分别是火电机组和热电联产机组的数量；是第i台火电机组t时刻的发电功率；/>是第i台火电机组的煤耗系数；/>是第i台热电联产机组第k个边界点的煤耗系数；M是热电联产机组的运行边界数；/>是第i台热电联产机组t时刻在第k个边界点的运行系数。
按上述方案，所述电热集成系统热源规划模型中电热集成系统的电功率平衡约束如下：
其中，是系统在t时刻的电负荷；/>第i台热电联产机组、风电机组和核电机组在t时刻输出的电功率；/>是第i台电锅炉在t时刻产热消耗的电功率；NWind、NNuc、NEb分别是风电机组、核电机组和电锅炉的数量；
电热集成系统的热功率平衡约束如下：
其中，是区域k在t时刻的热负荷；NHs是储热罐的数量；/>分别区域k中是第i台热电联产机组和热锅炉在t时刻产生的热功率；/>是储热罐的热功率。
按上述方案，所述电热集成系统热源规划模型中火电机组的出力约束如下：
其中，分别是第i台火电机组在t时刻的最小和最大出力约束；/>是第i台火电机组的启停状态，/>1其表示启动，0表示关闭。
火电机组的最小开机时间约束为：
其中，是第i台火电机组的最小开机时间；
火电机组的爬坡约束为：
其中，ΔPTh是火电机组的爬坡率。
按上述方案，所述电热集成系统热源规划模型中，根据CHP机组的电热运行区间进一步计算CHP机组的电热功率，方法如下：
其中，分别是第i台CHP机组在t时刻的电热运行多边形的第k个顶点的纵坐标和横坐标；此外，运行系数/>需要满足如下约束：
与火电机组相似，CHP机组的出力约束如下：
其中，分别是第i台CHP机组在t时刻的最小和最大出力约束；是第i台CHP机组的启停状态，/>1其表示启动，0表示关闭；/>是第i台CHP机组的最小开机时间；ΔPCHP是CHP机组的爬坡率。
按上述方案，所述电热集成系统热源规划模型中，风电机组的出力约束为：
其中，是第i台风电机组在t时刻的最大出力潜力；
核电机组的出力约束为：
其中，分别是第i台核电机组在t时刻的最小和最大出力约束。
按上述方案，所述电热集成系统热源规划模型中，电锅炉消耗的电功率计算方法如下：
其中，是第i台电锅炉的电热转换效率；
考虑到热损耗，储热罐的热容量及充放热功率受储热罐的投资容量约束，表述如下：
其中，是第i台储热罐在t时刻的可用热能；/>是第i台储热罐在t时刻由于罐内冷热水混合而增加的能量损失；/>是第i台储热罐的容量功率比；
此外，系统备用容量要求为：
其中，eWind是风力发电的可靠系数；eRev是负荷的备用系数。
实施本发明的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，具有以下有益效果：
本发明公开了一种面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，通过在现有电热集成系统的机组容量的基础上考虑热源规划，同时考虑风电机组的发电潜力，得到了面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划模型，有利于对CHP机组的电热耦合关系进行解耦，提升CHP机组的运行灵活性，降低系统的总运行成本，促进风电的消纳，并提高可再生能源在电源侧的比例。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法的第一场景下各风电场的逐时发电功率图；；
图2是本发明面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法的第二场景下各风电场的逐时发电功率图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-2所示，本发明的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，具体的内容如下所示：
基于现有电热集成系统的机组容量并考虑高比例风电接入时，电热集成系统热源规划模型的目标是最小化全系统成本，包括热源投资成本和运营成本两部分：
min CInvest+COpera (1)
CInvest＝CIn，Hs+CIn，EB (2)
其中，CInvest表示热源的总投资成本，包括储热罐的投资成本CIn，Hs和电锅炉的投资成本CIn，Eb，可计算如下：
其中，Nh是供热区域的数量；cHs、cEb分别是储热罐和电锅炉的单位容量价格；分别是储热罐和电锅炉的投资容量。
COpera＝COp，Th+COp，CHP (5)
COpera是总运行成本，包括火电机组产生的燃料成本COp，Th和热电联产机组的燃料成本COp，CHP，可计算如下：
其中，Ccoal是燃煤成本；NTh、NCHP分别是火电机组和热电联产机组的数量；是第i台火电机组t时刻的发电功率；/>是第i台火电机组的煤耗系数；/>是第i台热电联产机组第k个边界点的煤耗系数；M是热电联产机组的运行边界数；/>是第i台热电联产机组t时刻在第k个边界点的运行系数。
电热集成系统的电功率平衡约束如下：
其中，是系统在t时刻的电负荷；/>第i台热电联产机组、风电机组和核电机组在t时刻输出的电功率；/>是第i台电锅炉在t时刻产热消耗的电功率；NWind、NNuc、NEb分别是风电机组、核电机组和电锅炉的数量。
电热集成系统的热功率平衡约束如下：
其中，是区域k在t时刻的热负荷；NHs是储热罐的数量；/>分别区域k中是第i台热电联产机组和热锅炉在t时刻产生的热功率；/>是储热罐的热功率。
火电机组的出力约束如下：
其中，分别是第i台火电机组在t时刻的最小和最大出力约束；/>是第i台火电机组的启停状态，/>1其表示启动，0表示关闭。
火电机组的最小开机时间约束为：
其中，是第i台火电机组的最小开机时间。
火电机组的爬坡约束为：
其中，ΔPTh是火电机组的爬坡率。
根据CHP机组的电热运行区间可进一步计算CHP机组的电热功率，如下所示：
其中，分别是第i台CHP机组在t时刻的电热运行多边形的第k个顶点的纵坐标和横坐标。此外，运行系数/>需要满足如下约束：
与火电机组相似，CHP机组的出力约束如下：
其中，分别是第i台CHP机组在t时刻的最小和最大出力约束；是第i台CHP机组的启停状态，/>1其表示启动，0表示关闭；/>是第i台CHP机组的最小开机时间；ΔPCHP是CHP机组的爬坡率。
风电机组的出力约束为：
其中，是第i台风电机组在t时刻的最大出力潜力。
核电机组的出力约束为：
其中，分别是第i台核电机组在t时刻的最小和最大出力约束。
电锅炉消耗的电功率可计算如下：
其中，是第i台电锅炉的电热转换效率。
考虑到热损耗，储热罐的热容量及充放热功率受储热罐的投资容量约束，可表述如下：
其中，是第i台储热罐在t时刻的可用热能；/>是第i台储热罐在t时刻由于罐内冷热水混合而增加的能量损失；/>是第i台储热罐的容量功率比。
此外，系统备用容量要求为：
其中，eWind是风力发电的可靠系数；eRev是负荷的备用系数。
实施例
选取某地区某区域电热集成系统为代表应用。系统包括火电机组、CHP机组、风力发电机组、核电机组等主体。
采取控制变量法，设置两种仿真的场景：第一场景中，系统不考虑热源投资，仍以传统方式运行；第二场景中，系统考虑储热罐和电锅炉两类热源的规划；其余约束条件在第一场景和第二场景中均相同。
通过仿真分析得到了第一场景和第二场景下系统的成本及其构成，如表1所示。当采用本发明提出的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划模型时，当设置风力发电总潜力为总负荷的50％时，通过投资规划储热罐和电锅炉，可将原系统17669万元的总成本降低至16731万元，系统的经济性提高了。其中，电锅炉的投资成本和投资容量均比储热罐高，其在促进风电消纳发挥了更关键的作用。
表1系统成本及其构成
通过仿真分析可进一步得到第一场景下各风电场的逐时发电功率(图1)和第二场景下各风电场的逐时发电功率(图2)。其中，第一场景风电机组总发电量为973.5MW，场景2风电机组总发电量为1210.1MW，而各风电场的发电总潜力均为1311MW，总负荷为2644.1MW。可以发现，规划热源后，风电利用率从74.26％提高到92.3％，风电占总电源的比例从3
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过在现有电热集成系统的机组容量的基础上考虑热源规划，同时考虑风电机组的发电潜力，得到了面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划模型，电热集成系统热源规划模型的目标是最小化全系统成本，全系统成本包括热源投资成本和运营成本。
2.根据权利要求1所述的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，所述电热集成系统热源规划模型为：
min CInvest+COpera (1)
CInvest＝CIn，HS+CIn，EB (2)
其中，CInvest表示热源的总投资成本，包括储热罐的投资成本CIn，Hs和电锅炉的投资成本CIn，Eb，计算如下：
其中，Nh是供热区域的数量；cHs、cEb分别是储热罐和电锅炉的单位容量价格；分别是储热罐和电锅炉的投资容量；
COpera＝COp，Th+COp，CHP (5)
COpera是总运行成本，包括火电机组产生的燃料成本COp，Th和热电联产机组的燃料成本COp，CHP，计算如下：
其中，Ccoal是燃煤成本；NTh、NCHP分别是火电机组和热电联产机组的数量；是第i台火电机组t时刻的发电功率；/>是第i台火电机组的煤耗系数；/>是第i台热电联产机组第k个边界点的煤耗系数；M是热电联产机组的运行边界数；/>是第i台热电联产机组t时刻在第k个边界点的运行系数。
3.根据权利要求2所述的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，所述电热集成系统热源规划模型中电热集成系统的电功率平衡约束如下：
其中，是系统在t时刻的电负荷；/>第i台热电联产机组、风电机组和核电机组在t时刻输出的电功率；/>是第i台电锅炉在t时刻产热消耗的电功率；NWind、NNuc、NEb分别是风电机组、核电机组和电锅炉的数量；
电热集成系统的热功率平衡约束如下：
其中，是区域k在t时刻的热负荷；NHs是储热罐的数量；/>分别区域k中是第i台热电联产机组和热锅炉在t时刻产生的热功率；/>是储热罐的热功率。
4.根据权利要求3所述的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，所述电热集成系统热源规划模型中火电机组的出力约束如下：
其中，分别是第i台火电机组在t时刻的最小和最大出力约束；/>是第i台火电机组的启停状态，/>1其表示启动，0表示关闭。
火电机组的最小开机时间约束为：
其中，是第i台火电机组的最小开机时间；
火电机组的爬坡约束为：
其中，ΔPTh是火电机组的爬坡率。
5.根据权利要求4所述的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，所述电热集成系统热源规划模型中，根据CHP机组的电热运行区间进一步计算CHP机组的电热功率，方法如下：
其中，分别是第i台CHP机组在t时刻的电热运行多边形的第k个顶点的纵坐标和横坐标；此外，运行系数/>需要满足如下约束：
与火电机组相似，CHP机组的出力约束如下：
其中，分别是第i台CHP机组在t时刻的最小和最大出力约束；/>是第i台CHP机组的启停状态，/>1其表示启动，0表示关闭；/>是第i台CHP机组的最小开机时间；ΔPCHP是CHP机组的爬坡率。
6.根据权利要求5所述的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，所述电热集成系统热源规划模型中，风电机组的出力约束为：
其中，是第i台风电机组在t时刻的最大出力潜力；
核电机组的出力约束为：
其中，分别是第i台核电机组在t时刻的最小和最大出力约束。
7.根据权利要求6所述的面向高比例风电消纳的电热集成系统热源规划方法，其特征在于，所述电热集成系统热源规划模型中，电锅炉消耗的电功率计算方法如下：
其中，是第i台电锅炉的电热转换效率；
考虑到热损耗，储热罐的热容量及充放热功率受储热罐的投资容量约束，表述如下：
其中，是第i台储热罐在t时刻的可用热能；/>是第i台储热罐在t时刻由于罐内冷热水混合而增加的能量损失；/>是第i台储热罐的容量功率比；
此外，系统备用容量要求为：
其中，eWind是风力发电的可靠系数；eRev是负荷的备用系数。
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