【精彩论文】“双碳”背景下热电机组-储热联合运行消纳弃风策略

“双碳”背景下热电机组-储热联合运行消纳弃风策略

曹钰¹, 房磊²

（1. 酒泉职业技术学院，甘肃 酒泉　735000; 2. 兰州交通大学，甘肃 兰州　730070）

摘要：在“双碳”目标背景下，针对目前“三北”地区在冬季供暖期存在的大量弃风问题，提出了一种热电机组-储热联合运行消纳弃风策略。在分析热电机组电热运行特性的基础上，深入研究了“三北”地区在冬季供暖期的弃风机理，分析了配置储热对热电机组调峰容量的影响，讨论了热电机组-储热联合系统运行机制，并基于此制定了热电机组-储热联合运行消纳弃风策略。建立了包含热电机组、储热系统、火电机组、风电机组的电热综合调度模型。与传统模型相比，所提模型兼顾了系统热、电双重能源平衡，求解过程以系统总煤耗量最低为目标函数。计算结果表明，热电机组配置储热可有效解耦其“以热定电”运行约束，增加系统调峰容量，降低弃风量。

引文信息

曹钰, 房磊. “双碳”背景下热电机组-储热联合运行消纳弃风策略[J]. 中国电力, 2022, 55(10): 142-149, 160.

CAO Yu, FANG Lei. Combined operation strategy of chp unit and heat accumulator for eliminate abandoned wind under “double carbon” background[J]. Electric Power, 2022, 55(10): 142-149, 160.

引言2020年9月22日，习近平总书记在全世界面前庄严宣告了3060双碳目标。针对国家提出的“双碳”目标，大力发展新能源发电是实现“双碳”目标的必经之路。目前“三北”地区冬季供暖期存在的大量弃风问题严重阻碍了风电等新能源的发展^[1-3]。究其原因，主要在于该区域热电机组在热电联产运行模式下调峰能力大幅减弱，大量风电没有足够的空间并网，导致严重弃风^[4-6]。为进一步提高“三北”地区风电等新能源发电的消纳能力，最直接有效的方法是提高热电机组的调峰能力^[7]。目前对热电机组配置储热的运行模式已有部分研究。丹麦、德国等在实时电价引导下通过配置储热以解耦热电机组“以热定电”运行约束，从而提高热电机组调峰能力^[8-9]，这对发展新能源具有积极的促进作用。为降低系统弃风量，中国相继出台了一系列激励火电机组参与调峰的政策^[10-12]。然而，火电机组参与调峰在经济性上存在一定劣势，且往往伴随着大量的碳排放。随着“双碳”目标的提出，热电机组-储热联合运行参与系统调峰将是解决弃风问题的有效途径。目前国内实时电价政策尚不成熟，要实现热电机组-储热最优经济运行，需将热电机组-储热联合运行模型纳入系统调度模型中，在系统层面形成电热综合调度模型^[13-21]。

为此，本文在分析热电机组运行特性的基础上，研究了热电机组配置储热后调峰能力变化情况，讨论了二者的联合运行机制，并建立了系统电热综合调度模型。

1  热电机组-储热联合运行消纳弃风机理1.1  配置储热前热电机组运行特性分析

图1为抽汽式热电联产机组的电热特性曲线。由图1可看出，当机组热功率为0时，机组发电功率调节范围最宽，为[P_e,min，P_e,max]，即图1中的D、A两点之间；图1中B点表示机组最大供热功率，此时为满足系统热负荷需求，机组将失去调峰能力；图1中AB段和CD段由机组进气量决定，当机组运行在该区域时，其最大和最小发电功率将随热功率的增加呈下降趋势；BC段为机组背压弹性曲线，当机组运行在该区域时，机组最小发电功率将随机组热功率的增加而增加。

图1   热电机组电热特性

Fig.1  Electricity-heat characteristic of thermoelectric unit

由图1可见，当供热功率为P_h,med时，机组发电功率调节范围将达到临界状态，此时当供热功率继续上升时，机组发电功率调节范围将急剧下降。当机组的供热功率为P_h时，机组的发电功率调节范围将缩小为F、E两点之间；其中E点代表此时机组最大发电功率，F点代表此时机组最小发电功率。随着机组供热功率的逐渐增加，机组发电功率调节范围将进一步缩小，直至丧失调峰能力，从而无法为风电提供足够的并网空间，导致大量弃风。这是热电机组因“以热定电”运行约束造成“三北”地区大规模弃风的主要原因。

配置储热前抽汽式热电机组的电热特性可表示为

式中：P_e,min、P_e,max分别为机组热功率为0时的最小、最大发电功率；P_h,min、P_h,max分别为机组的最小、最大供热功率；c_m=ΔP_h/ΔP_e为背压弹性系数，表示热电机组供热功率与发电功率之间的耦合关系；c_v1和c_v2为多抽取单位进气量时所对应发电功率的减少量；K为机组参数，取常数。1.2  配置储热后热电机组运行特性分析

热电机组配置储热系统后，通过热电机组-储热系统联合协调运行，可实现热功率灵活供给。图2为配置储热后热电机组电热运行特性曲线。

图2  配置储热后热电机组电热运行特性曲线

Fig.2  Electricity-heat characteristic of thermoelectric unit with heat accumulator

从图2中可看出，配置储热后热电机组发电功率和供热功率均发生了变化。配置储热后，机组供热功率在P_h,max的基础上增加了P_h,fmax，变为P_h,max+P_h,fmax。此时热电机组运行范围在原ABCD的基础上拓展为AGIJKL，机组发电功率调节范围明显提升。

对同一供热功率P_h而言，机组在配置储热前，输出的发电功率调节范围为[P_E，P_F]；而配置储热后机组发电功率调节范围为[P_M，P_H]，调峰能力明显增强。配置储热后机组电热特性可表示为

1.3  弃风消纳机理分析

设机组在一天内，系统电负荷平时段、峰时段和谷时段持续的时间分别为T_P、T_F、T_L。假设机组在电负荷平时段，即腰荷段储存的热量为Q_S，如果将储存的热量在电负荷低谷时间段全部释放，则提供的单位时间调峰容量增量为c_m·Q_S/T_L，相当于在电负荷低谷时段热电机组发电功率降低c_m·Q_S/T_L，可为风电提供同等容量的上网空间，有效解决负荷低谷时期弃风现象。

2  热电机组-储热联合运行策略分析

2.1  配置储热前热电机组调峰容量分析

热电机组的调峰容量可用日内某一时刻热负荷下机组最大发电功率和最小发电功率之差表示。以图2为依据，热电机组调峰容量可表示为

2.2  配置储热后热电机组调峰容量分析为计算配置储热后热电机组的日调峰容量，需对储热系统在腰荷和谷荷时段最大储热量和最大补偿供热量进行比较，以此来确定其运行策略。在考虑热平衡约束、储热系统最大储热功率以及储热容量的基础上，分析在腰荷、峰荷时段储热系统最大储热量。腰荷时段可表示为峰荷时段可表示为式中：为t时刻储热系统储热功率，MW；为t时刻系统热负荷，MW；T_F为峰荷时间的集合；T_P为腰荷时间段的集合；S_max为储热系统最大储热量。当汽轮机在低谷时间段最小出力降到最低值时，储热系统所需补偿的热功率为此时储热系统的放热量为根据腰荷时段及峰荷时段储热系统最大储热量Q_S,P+Q_S,F和谷荷时段储热系统最大补偿热量Q_D,L之间的大小，进一步确定储热系统的调峰容量增量和采用的运行机制。（1）当Q_S,P+Q_S,F≤Q_D,L时，储热系统在系统电负荷平时段和峰时段蓄热，在谷时段放热，从而获得机组最大调峰容量。此时储热系统在谷荷时间段所需提供的最大平均热功率为相应增加的谷荷平均下调峰容量为（2）当Q_S,P+Q_S,F≥Q_D,L时，储热系统需在系统电负荷平时段储热，在谷时段优先供热，以获得机组最大调峰容量。由于在腰荷时段蓄热充足，储热系统可以满足谷荷的最大放热需求，因此在谷荷时补偿的最大平均供热功率为相应增加的谷荷平均下调峰容量为从式（11）（12）可看出，通过储热系统的补偿作用，热电机组可将最小出力降至最低水平。储热系统剩余的热量用于在峰荷时段放热，故在峰荷时可补偿的平均最大放热功率为相应增加的调峰容量为日内合计可提供的总调峰容量为

热电机组配置储热后日调峰容量在C₀的基础上增加了ΔC，可有效解决风电消纳问题。

3  热电机组-储热联合调度模型

3.1  目标函数

以系统煤耗量最低为目标函数，其中，风电机组的煤耗量可视为0，因此只需考虑热电机组及纯凝式火电机组的煤耗量即可。

火电机组的煤耗量为

式中：a_i、b_i、c_i分别为机组i的煤耗系数；为机组i在t时刻的发电量，MW。热电机组的煤耗量C_h同样可以表示为其输出功率的二次函数，即其中热电机组总输出功率与其自身发电功率和供热功率之间的关系可表示为将式（16）代入式（17）中可得热电机组的煤耗量C_e与发电功率功率之间的关系为式中：A_i、B_i、C_i、D_i、E_i、F_i为热电机组i的煤耗系数，均可由a_i、b_i、c_i以及c_v,i推导计算得到。综上所述，可建立目标函数式中：T为调度周期；N为系统火电机组数量；M为系统热电机组数量。3.2  约束条件3.2.1  机组约束条件（1）系统功率平衡约束。热负荷平衡约束为式中：M为热电机组的数量，为机组在t时刻需承担的热负荷。电力平衡约束为式中：为t时刻风电功率，MW；为t时刻系统风电交换功率，MW；为系统t时刻电负荷，MW。（2）机组发电功率约束为式中：分别为热电机组i在t时刻的最小和最大发电功率，MW；分别为火电机组i在t时刻的最小发电功率和最大发电功率。（3）机组爬坡约束为式中：分别为热电机组i在t时刻的最大上、下爬坡速率，MW/h；分别为火电机组i在t时刻的最大上、下爬坡速率，MW/h。（4）风电出力约束为式中：为系统t时刻的风电预测功率，MW。3.2.2  储热约束条件在系统运行过程中储热系统热损失一般较小，因此可忽略不计。只需对储热系统充放热功率、容量及初末状态储热量加以约束即可。（1）储热装置蓄、放热能力约束为式中：为t及t–1时刻储热系统储热量，MW·h；P_th,e,max、P_th,f,max为储热系统最大充、放热功率，MW。（2）储热装置的容量约束为式中：S_h,max为储热系统最大储热容量，MW。为保证调度结果的可行性，规定储热系统储热量在初始运行时刻和结束时刻应保持相等，即

式中：分别为储热系统在调度初时刻与调度末时刻的储热量, MW·h。

4  算例分析4.1  基础数据本文数据取自某地区实际电源比例结构，共包含A、B 2个电厂，共有6台热电机组、2台火电机组及1个300 MW的风电厂。其中1~6号为热电机组，7号和8号为纯凝火电机组。A电厂由1~3号热电机组和7号火电机组组成；B电厂由4~6号热电机组和8号火电机组组成。

假设地区的热负荷为900 MW，且热负荷在调度周期内保持不变。分别为A电厂和B电厂配置储热容量为1000 MW·h，最大充放热功率为100 MW的储热系统。电源结构如表1所示，机组相关参数如表2和表3所示。本文以24 h为一个调度周期。

表1  电源结构

Table 1  The power source structure

表2  机组参数1

Table 2  Unit parameters 1

表3  机组参数2

Table 3  Unit parameters 2

4.2  调度结果分析4.2.1  风电消纳情况分析

本文对有无配置储热2种情况进行仿真计算，结果分别如图3、图4所示。

图3  配置储热前各类机组发电功率

Fig.3  Power generation of various units before heat storage is configured

图4  配置储热后各类机组发电功率

Fig.4  Power generation of various units after heat storage is configured

从图3和图4可看出，在系统总发电功率不变的情况下，各机组的发电功率在储热配置前后发生了明显变化。在电负荷低谷时段，储热系统通过放热承担系统的部分热负荷，以增加热电机组的调峰容量，使得热电机组进一步降低自身的发电功率，为风电并网提供上网空间。图5为2种方式下风电消纳曲线。由图5可看出，在电负荷低谷时段（次日01:00—08:00），风电并网功率明显增加，有效降低了弃风量。

图5  2种方式下风电消纳曲线

Fig.5  Wind power consumption curve in two ways

4.2.2  机组调度结果分析

图6、图7分别为配置储热方式下热电厂A、B中热电机组的发电功率和供热功率曲线。可以看出，在无储热的方式下，由于热电机组受到“以热定电”运行约束，热电机组热出力始终保持在1350 MW，从而导致电负荷低谷时段因热电机组缺乏调峰容量，占据了大量电网空间，造成大量弃风。配置储热后，储热系统可在系统调峰容量不足时释放热量，以降低热电机组供热压力，提高其调峰能力，实现了能量的平移。

图6  热电厂供热功率曲线

Fig.6  Heating power curve of thermoelectric plant

图7  热电厂发电功率曲线

Fig.7  Power curve of thermoelectric plant

图8、图9为储热系统充、放热功率及其储热量变化曲线。由图8可看出，储热系统主要在负荷峰、平时段储热，此时放热功率为0，储热量不断攀升，到22:00时储热系统储热量达到最大值。在之后的电负荷低谷时段，储热系统开始放热，此时蓄热功率为0，储热量不断降低。储热系统协助热电机组承担部分热负荷以提高热电机组调峰容量。

图8  储热系统蓄、放热功率曲线

Fig.8  Heat storage and discharge power curve

表4为配置储热前后火电机组发电量、热电机组发电量及风电消纳量。由表4中数据可以看出，配置储热前后，热电机组的发电量变化很小，这是由于在整个调度周期内，储热系统只是对热电机组的能量进行了转移，而并未削减其总发电量，因此对热电厂效益几乎不产生影响。火电机组发电量有了明显的下降，这是因为储热系统通过增加热电机组调峰容量使得电网能接受更多的风电以替代火力发电。

表4  配置储热前后各类机组发电量

Table 4  Power generation of various units before and after configuration of heat storage

图9  储热系统储热容量

Fig.9  Heat storage capacity of system

5  结语本文在深入分析“三北”地区弃风消纳机理的基础上，制定了热-电综合系统联合运行机制，并基于此建立了系统电热综合调度模型，利用Cplex对模型进行求解。算例分析表明：配置储热后火电机组发电量在一个调度周期结束后下降996 MW·h，对应的风电并网电量增加了987 MW·h，较配置储热前，风电消纳率提高了13.9%。配置储热前机组煤耗为17426.607 t标准煤，配置储热后机组煤耗下降为16138.990 t标准煤，较配置储热前节约了约8%的标准煤。因此，配置储热对解决“三北”地区风电消纳，降低碳排放及促进风电等新能源发展具有积极作用。

（责任编辑　蒋东方）

作者介绍

曹钰（1983—），女，通信作者，硕士研究生，从事新能源电力系统运行、规划与分析控制研究，E-mail：[e-mail];

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房磊（1990—），男，硕士研究生，从事新能源电力系统运行、规划与分析控制研究，E-mail：[e-mail]

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编辑：杨彪校对：于静茹审核：方彤

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