不同的热源、储热装置等对热电联产的调峰能力有何影响?
发布者:chplaza | 来源:电力系统自动化 | 0评论 | 908查看 | 2019-10-18 14:57:28    

风电并网水平的不断提高对电力系统调峰能力提出了更高的要求。然而,在中国“三北”地区,热电机组“以热定电”的运行模式制约机组调峰能力,造成供热期严重的弃风问题。挖掘热电联产机组的调峰能力是促进三北地区风电消纳的关键措施。


在中国现有调度体制中,调峰补偿是激励各机组主动响应电网调峰需求的有效手段。由于热电联产机组的运行受到热力系统复杂运行约束的限制,并可充分利用热力系统储热能力辅助电力系统调峰,因此在热电联产参与电网调峰过程中,必须充分考虑热电联产机组受供热制约下的真实可用调峰能力及其在调峰补偿激励下参与电网调峰的主动性。


本文对热电联产机组的调峰能力、调峰成本及调峰主动性进行研究。在充分考虑热力系统复杂运行约束的前提下,对热电联产机组参与电网调峰的可用调峰容量和调峰成本进行建模和分析,然后基于调峰补偿机制,提出计及热电联产调峰主动性的电热协调调度方法,最后通过算例分析验证本文模型与调度方法的有效性。


一、计及供热约束的热电联产可用调峰能力及成本评价


在热力系统中,热电联产、燃煤锅炉、电制热等热源与热负荷、储热装置通过供热管道和换热器相连接,形成一个完整的闭环网络,热力系统中供热管网时滞特性以及储热和热负荷蓄热特性导致热电联产机组的调峰能力具有时序耦合特性。


本文考虑这一时序耦合特性,以调度周期为一个整体,对热电联产机组的调峰能力与调峰成本进行建模分析。一方面,热力系统的复杂运行约束将对热电联产机组的调峰策略造成制约;另一方面,热力系统内部的储能能力和多种供热手段可以为热电联产机组提供潜在的调峰灵活性,因此,对于热电联产机组来说,参与调峰服务的本质是一个优化问题,即如何以最低运行成本响应电网的调峰需求。如图1所示,当电网面临调峰困难时(如图1绿色阴影),热电联产可以通过合理优化调度周期内的供热策略来响应电网调峰需求(如图1红色阴影)。


热电联产的调峰能力与调峰成本评估模型建模为:以热力系统时序运行约束为模型约束;以满足电网调峰需求为首要目标,以降低调峰成本为次要目标。模型输出的优化调度策略得到热电联产机组在调度周期内的可用调峰电量和调峰成本。所提模型可以充分考虑供热运行约束(特别是供热时序耦合特性)对热电联产调峰能力的制约以及热力系统内部灵活性资源合理配置对热电联产调峰能力的贡献。


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图1:热电联产响应电网调峰需求模型示意图


二、计及调峰主动性的电热协调调度方法


热电联产机组是否愿意将其可用调峰容量用于电网运行则取决于其是否能从调峰服务中获益。考虑到中国“三北”地区电源结构,本文仅讨论非供热火电机组、热电联产机组和风电参与电网调度,并假设仅当常规火电无法满足调峰需求时,再由热电联产机组调峰。在各个调度时刻,火电机组超出基本调峰范围进行的调峰服务即为有偿调峰服务,参与有偿调峰的机组按照其有偿调峰电量获得补偿,未参与有偿调峰的火电和热电机组按照其未完成基本调峰任务的功率分摊调峰费用。


计及调峰费用后,热电联产机组在调度周期内的调峰总利润包括调峰补偿收益、调峰分摊支出、调峰费用支出,显然,只有当热电联产机组可以从有偿调峰中获取利益时,它才会倾向于进一步增大调峰深度参与调峰,其数学表达式为热电联产机组的调峰总利润对有偿调峰总功率的偏导数大于0。


同理,对于风电场,只有当它可以从接受热电联产机组的有偿调峰服务中获益时,风电场才会与热电联产机组达成调峰合作,其数学表达式为风电场的总利润对热电联产有偿调峰总功率的偏导数大于0。称上述约束为调峰主动性约束。


基于调峰主动性约束,构建电热协调调度模型。与常规的垂直一体化调度模式相比,调峰主动性约束描述热电机组参与电网有偿调峰时以最大化个体利益为目标的决策方式,反映了经济驱动因素对热电机组参与调峰的激励作用。整个调度模型为一个非线性优化模型,本文提出迭代算法对其进行求解。


三、算例分析


热电联产机组可用调峰电量和调峰成本的影响因素的分析如图2所示,探讨其供热耦合性和时序耦合性。图2(a)所示为热负荷的影响,随着环境温度的升高,调峰成本降低,这是因为在环境温度较低时,热电联产出力受供热限制需要维持在较高水平,需要启动储热甚至电制热来辅助供热以实现降低出力、参与调峰的目的。


图2(b)分析电网调峰需求的影响,随着电网调峰需求时段的增长,热力系统首先利用热网和供热建筑中储存的热量进行供热;若热电联产参与调峰时间过长,热网和热负荷的蓄热不足以支撑热力系统正常运行,需要启动储热或电制热参与供热,造成调峰成本升高。以上仿真结果体现了热力系统运行的供热耦合和时间耦合对热电联产机组调峰成本的影响。


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图2:热电联产机组可用有偿调峰电量及成本的供热耦合和时序耦合特性


图3所示为不同风电和热负荷场景下热电联产参与有偿调峰的风电消纳增量。由仿真结果可知:随着风电穿透率的提高,热电联产对电网调峰与风电消纳的贡献逐步增大;随着环境温度的降低,热电联产对风电消纳的贡献逐步减小。对比图3(a)和(b)仿真结果,当调峰补偿较低时,图3(a)表明热电联产参与深度调峰合作的意愿较低,风电消纳的促进作用并不明显;而当调峰补偿较高时,图3(b)仿真结果表明热电联产将主动贡献更大的调峰电量以促进风电消纳。以上仿真结果表明本文所提出的调度模式可以有效反映调峰补偿的经济手段对热电联产参与有偿调峰的刺激作用。


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图3:不同调峰补偿价格下的热电联产消纳风电效益


四、结语


本文研究表明,热电联产的调峰能力具有明显的供热工况耦合特性和时序耦合特性,不同热力系统源储结构和不同供热需求下,热电联产的调峰能力与调峰成本不同;在电热协调调度中计及热电联产的调峰补偿获益及其参与电网调峰的主动性,可以更为真实地反映各个调峰参与方受经济利益驱动而主动参与电网调度的决策方式;不同的热力系统调峰补偿价格下,热电联产参与电网调峰的决策不同,合理的调峰补偿将对提升热电联产调峰深度、促进风电消纳具有明显的激励作用。下一步工作将针对竞价模式下的热电联产调峰决策开展。

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