热网损耗对热电联合系统风电消纳能力的影响.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn热网损耗对热电联合系统风电消纳能力的影响**邵世圻，胡林献5（哈尔滨工业大学电气学院，哈尔滨150001）摘要：目前关于热电联合系统的研究多是将热力系统类比为电力系统进行分析。而实际情况下热网热力传导过程中存在一定的损耗,导致系统热负荷与预期不符。本文搭建了适用于热电联合系统分析的一级热网模型以及包含多个约束条件的计及热网损耗的热电联合系统优10化调度模型，分析了热网损耗对系统风电消纳能力的影响。结果表明，热网损耗对减弱了系统风电消纳能力。关键词：热电联合系统；优化调度；热网损耗；风电消纳中图分类号：TM73415Researchontheinfluenceoftheheatingnetworkattenuationonthewindconsumptionoftheheat-electricitycombinedsystemShaoShiqi,HuLinxian20(ElectricalEngineering&AutomationSchool,HarbinInstituteofTechnology，Harbin,150001)Abstract:Forthemoment,mostresearchontheheat-electricitycombinedsystemanalogythethermodynamicsystemwiththepowersystem.However,theexistoftheheatingnetworkattenuationcausestheactualheatloadtotallydifferentfromhowmuchitispredicted.Inthispaper,toanalyzetheinfluenceoftheheatngnetworkattenuationonwindconsumptioncapabilityofthecombinedsystem,a25heatingnetworkmodelisbuilttoanalysistheoptimalschedulingoftheheat-electricitycombinedsystem,consideringtheconstraintsofpowerbalance,heatingbalance,theheatingnetworkattenuation,etc.Theresultshowsthattheheatingnetworkattenuationdoesharmtothecombinedsystem"swindconsumptioncapability.Keywords:heat-electricitycombinedsystem;optimalscheduling;heatingnetworkattenuation;wind30powerconsumption0引言我国“三北”地区，冬季供暖期间电力系统受“以热定电”条件约束，调峰困难，夜间风力大发期间，同时也是区域热负荷高峰，电负荷低谷时段，系统留给风电上网空间有限，[1-2]35从而导致大量弃风。针对这种因特殊电网结构而导致的弃风严重的现象，国内外许多学者提出自己的见解。主要是通过解耦“以热定电”约束条件，提升系统的风电消纳能力。文献[3]搭建了包含储热的热电联产调度模型，将储热纳入包含风电的电力系统有功调度体系，通过对储热环节的控制,打破以热定电的约束,提高系统风电消纳能力。文献[4]提出在热电厂内部配置大型电锅40炉与热电厂共同承担供热任务，通过大型电锅炉消耗电能供热来降低热电机组根据“以热定电”约束导致的较高出力。文献[5]采用日前分时电价参与风电消纳一阶段决策,引导用户响应作者简介：邵世圻(1992-)，男，研究方向为电热联合系统的建模与优化调度通信联系人：胡林献(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向为高电压直流输电系统运行与控制、电力系统稳定性分析与控制、发电厂过程自动化等.E-mail:linxian_hu@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn风电出力变化,以较低的成本最大限度地发挥需求响应资源的灵活性效用,提升系统风电消纳能力。以上方案将热电联合系统中的热力系统与电力系统视为相似的系统进行分析。却忽略了45热力系统传输过程中的热力损耗所带来的一系列问题，所提方案不能很好地应用在现实问题中。文献[6]虽提及热网损耗，但实际上在其优化调度模型中并未体现出热网损耗对系统的影响，同时模型较为粗糙，不能很好的反映出热网损耗对系统调度结果影响的原因。本文建立的计及热网损耗的热网模型，参考文献[7-8]搭建热电联合调度系统。并分析了热网损耗对系统运行结果的影响。501热力网络模型搭建热力网络建模，主要基于支路特性元件特性以及网络基本定律。其中支路特性反映的是管道两端的热力变化，它与管道特性、管内流体温度等因素密切相关；网络基本定律由网络[9-10]拓扑结构决定。我们从水力和热力两个角度出发，搭建热力网络支路特性方程和平衡方程。551.1水力方程水力方程主要用以计算各管道内水流量和各个节点的水流入量。1.1.1水力网络方程水力网络方程用于计算节点流量，保障系统各节点输入流量与输出流量相同：Ammq(1)60式中，A为管道支路相对于节点的关联矩阵；m为管道流量(kg/s)；mq为节点注入水流量(kg/s)。1.1.2压强损失方程压强损失方程表征管道内压强损失与水流量的关系，其具体方程为：hKmm(2)f65其中，K为各个供水管道的阻抗系数，K值主要取决于管道直径、液体物理性质，具体求解公式为：K(3)D式中，为管道的绝对粗糙度值；D为管道的直径；70水管网络求解有2种方法，压强法和环流法，分别对应电路中的节点电压法和节点电流法。本文采用压强法进行求解。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.2热力方程1.2.1热力支路特性方程[11]热力支路特性方程用于计算各管道的热力损耗。inoutTTkt,,kt75QdlK(1)(T)（4）kt,0kk2式中：Q为管道k的热损失；d,l分别为管段的直径和长度；K为无保温情况下kt,kkinout管壁的传热系数；为保温系数；Tkts,,，Tkts,,代表了管段k的入口温度和出口温度；T0为管段周围空气温度。1.2.2热力网络方程：80热负荷与水流量关系式为：dkinoutCmT()TTTktr,,ktr,,aadkinoutCm（5）T()TTTkts,,kts,,aakininQCG()TTtkt,kts,,ktr,,式中：C为工质体积比热；T，T分别为t时刻管道k的供给温度与返回温度；kts,,ktr,,n上角标in和out分别表示管道k的入口和出口。Qt为t时刻管道k入口处的节点的热负荷。2热电联合系统优化调度模型85为鼓励风电上网，调度模型以热电联合调度系统的煤耗量与弃风电量最小为优化目标，综合考虑供电平衡约束，供热平衡约束，热电机组，纯凝机组，风电机组出力约束，机组爬坡约束等约束条件。2.1目标函数TNNtpchpiit,iit,it,（6）min((fTP(PTP))fchp(PCHP,QCHP))CCWt1i1i1ii90式中，T为时段总数，Ntp、Nchp分别为火电机组、热电机组的数量；函数fTP，fCHPit,分别为第i台火电机组，第i台热电机组运行成本；PTP为第i台火电机组在时段t的出力；it,it,P、Q分别为第i台热电机组在时段t的发电出力与供热出力；C为弃风电量的惩CHPCHPCW罚项，可定义为：TNCWC()Pit,,Pit（7）CWCWCWti11it,it,95式中，为惩罚因子；NCW为风电场个数；PCW为第i个风场时段t预测发电功率；PCW为实际发电功率。-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2.2目标函数（1）供电平衡约束：NNchpNijPtin,,Ptj,PtPt（8）CHPTPCWloadi11njtj,Ptin,,PTP100式中：CHP为t时段第i座热电厂中第n台热电机组的电功率，MW；为t时段第jtt台火电机组的电功率，MW；P为t时段风电场的总上网功率MW；P为t时段系统CWload总电负荷，MW；（2）供热平衡约束：NNchpNiNkchpNhtin,,til,,QCHPQkt,Q（9）i1n1ki1l1ttin,,105式中：QCHP为计及延时条件下第i座热电厂中第n台热电机组热功率，(GJh/)；til,,Q为t时段第i座热电厂所带第l个换热站的热负荷，(GJh/)；（3）热电机组热出力、电出力上下限：min,,rntrn,,max,,rnDDD（10）e1e1e1min,,rntrn,,trn,,max,,rntrn,,P(D)PP(D)（11）e1e1e1e1e1min,,rntrn,,max,,rntrn,,min,,rn110式中PD()、PD()为热电机组电功率的下限和上限，MW；D、ee11ee11e1max,,rnD为热电机组抽汽量的下限和上限，th/。e1（4）纯凝式机组电出力上下限：min,st,smax,sPPP（12）e2e2e2min,smax,s式中，P、P为第s台纯凝机组电功率的下限和上限，MW。e2e2115（5）风电机组电出力上下限：tm,,tm0PP（13）fdwind（7）机组爬坡约束：downrn,,trn,,t1,,rnuprn,,PPPP（14）e1e1e1e1downs,t,st1,sups,PPPP（15）e2e2e2e2downrn,,uprn,,120式中P、P为热电机组在一个时段内可以降低或升高的最大电出力，e1e1downs,ups,MW；P、P为纯凝机组在一个时段内降低或升高的最大电出力，MW。e2e2（8）热网特性约束：参考公式（1）-（5）。3算例分析1253.1原始数据如图，参考文献[6-7]搭建含有一座热电厂，1座火电厂，1座风电场的系统模型。其中热电厂包含有8个抽凝式机组，编号#1-#8。火电厂包含4个纯凝式机组，编号#9-#12。系-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn统带10个换热站，编号#h1-#h10。表1为水力平面图具体参数。图3为系统的水力平面图。表1热网管道具体参数130Tab.1Pipes"ParametersoftheHeatingNetwork编号12345678910管径401008050323232803232(mm)总长13001860136242011701350136045013601300(m)A①②12③3⑧④8⑦4⑨⑩⑤⑥791056图1热网水力平面图Fig.1HydraulicPlanoftheHeatingNetwork本文首先对所述热电联合系统进行日前预调度，确定弃风时段为1-6以及22-24。系统135各各时段热、电负荷及风电预测出力如表1。表1各时段热、电负荷及风电预测出力Tab.1TheHourlyForcastoftheHeatLoad,theElectricalLoadandtheWindPowerOutput.全网电风电时#h1#h2#h3#h4#h5#h6#h7#h8#h9#h10负荷预测段(MW)(MW)1304.64211.96209.500.00214.34212.48210.39215.61215.09214.491161.72209.692284.86198.19195.900.00200.42198.68196.73201.61201.12200.561162.40217.253286.94199.64197.330.00201.89200.13198.17203.08202.59202.031204.34197.524275.84191.91189.690.00194.08192.39190.50195.23194.76194.211253.76180.415256.54178.48176.420.00180.50178.93177.17181.57181.13180.621184.13171.536259.74180.71178.620.00182.75181.16179.38183.83183.39182.881239.23149.437269.36187.40185.240.00189.52187.87186.02190.64190.18189.651277.70101.188265.48184.70182.570.00186.79185.17183.35187.89187.44186.921217.1554.419259.56180.59178.500.00182.62181.04179.26183.70183.26182.751289.6981.7810215.68150.06148.320.00151.75150.43148.95152.65152.28151.861330.3679.8511261.42181.88179.780.00183.93182.33180.54185.02184.57184.061415.73108.1812248.76173.07171.070.00175.02173.50171.80176.06175.64175.151407.73133.8213246.48171.49169.500.00173.42171.91170.22174.45174.03173.541455.3387.6714243.94169.72167.760.00171.63170.14168.47172.65172.23171.751428.5496.5315235.28163.69161.800.00165.54164.10162.49166.52166.12165.661394.0465.0916211.72147.30145.600.00148.96147.67146.22149.85149.48149.071378.4692.8417231.52161.08159.220.00162.89161.48159.89163.86163.46163.011379.59110.8218217.14151.07149.330.00152.78151.45149.96153.68153.31152.881358.15133.6419243.34169.30167.340.00171.21169.72168.06172.22171.81171.331431.84158.9320292.64203.60201.250.00205.90204.11202.10207.12206.62206.041435.21176.5921286.5199.33197.030.00201.58199.83197.86202.77202.28201.721361.30184.4122262.14182.38180.270.00184.44182.84181.04185.53185.08184.571207.20193.06-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn23290.46202.08199.750.00204.36202.59200.60205.57205.08204.511238.63208.8424284.52197.95195.660.00200.18198.45196.49201.37200.88200.321193.57216.773.2热网损耗对风电消纳率的影响分析140图2为理想情况与计及热网损耗系统热负荷对比曲线。图3为系统优化调度结果，风电上网功率对比曲线。原始热负荷2400存在热网衰减）220020001800热负荷（GJ/h1600140012001000123456789101112131415161718192021222324时间（h）图2系统热负荷对比曲线Fig.2ComparisonbetweentheWindPowerOutputoftheSystemwithorwithoutConsideringtheHeating145NetworkAttenuation由图2可以看出，计及热网损耗之后，系统热负荷曲线整体上移，即在保证供暖相同的情况，系统热出力增加。300原始风电上网功率计及热网损耗250200150功率(MW)100500123456789101112131415161718192021222324时间(h)图3风电上网功率对比曲线150Fig.3ComparisonbetweentheWindPowerOutputoftheSystemwithorwithoutConsideringtheHeatingNetworkAttenuation由图3我们可以发现，系统风电成分下降，弃风量增加，热网损耗不利于系统风电消纳。在理想情况下，系统的弃风率为10.93%，煤耗量为16406.91t。而考虑到热网损耗对系统的影响，弃风率率达到12.17%，煤耗量达到16506.93t。以上说明热网损耗对系统消纳风起阻155碍作用。而实际上，若如不考虑热网损耗，系统供热量则会不足，所设计调度方案不能满足实际需求。4结论热网损耗对增加了系统的电热出力，对系统风电消纳不利，在对热电联合系统分析时不能轻易忽略。在热电联合调度中，考虑到热网损耗对系统调度结果（如弃风量，煤耗量，成160本等）的影响，能够使我们更为准确地掌握系统当前状态，对能源的利用和消耗有更为清晰的认识。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[参考文献](References)[1]张冲，胡林献，胡佳.热电机组比重及热负荷对风电消纳率影响的研究[J].电力系统保护与控制,2013，16541(23)：120-125．[2]PMancarella.Cogenerationsystemswithelectricheatpumps:energy-shiftingpropertiesandequivalentplantmodelling[J].EnergyConversion&Management,2009,50(8):1991-1999[3]陈磊,徐飞,王晓,闵勇,丁茂生,黄鹏.储热提升风电消纳能力的实施方式及效果分析[J].中国电机工程学报,2015,(17):4283-4290.170[4]吕泉，姜浩，陈天佑，王海霞，吕阳，李卫东.基于电锅炉的热电厂消纳风电方案及其国民经济评价[J].电力系统自动化，2014，38(1)：6-12.[5]刘小聪,王蓓蓓,李扬,王珂.计及需求侧资源的大规模风电消纳随机机组组合模型[J].中国电机工程学报,2015,(14):3714-3723.[6]顾泽鹏，康重庆，陈新宇，白建华，程路.考虑热网约束的电热能源集成系统运行优化及其风电消纳效175益分析[J].中国电机工程学报，2015，35(14)：3596-3604.[7]李佳佳.基于二级热网电锅炉调峰的热电联合调度方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学科硕士学位论文，2015：24-41.[8]邓佳乐，胡林献，李佳佳.采用二级热网电锅炉调峰的消纳弃风机理及经济性分析[J].电力系统自动化，2016，40(18)：41-47.180[9]LiuX,JenkinsN,WuJ,etal.Combinedanalysisofelectricityandheatnetworks[D].Cardiff:CardiffUniversity,2014.[10]ChoH,SmithAD,MagoP.Combinedcooling,heatingandpower:areviewofperformanceimprovementandoptimization[J].AppliedEnergy2014;136:168-185[11]洪天真，江亿.低能耗健康建筑与可持续发展[J].暖通空调，1996(6)：28-30．185-7-'