考虑电热需求响应的光热-电热综合能源系统源荷协调经济调度.pdf

第 卷第 期东北电力大学学报.年 月 基金项目:国家自然科学基金资助项目():./.考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度席佳铭孙 亮葛沛然张儒峰(现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)吉林 吉林)摘 要:负荷侧灵活性资源协同源侧多模式供热有利于电热综合能源系统低碳运行为缓解“三北”地区“风热冲突”现象、提高风电消纳量从而降低系统碳排放量提出一种计及电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度模型 源侧通过配备储热装置的光热电站()和电加热装置()协同热电联产机组()供热在一定程度上解耦其“以热定电”工作模式网侧建立了稳态电热潮流荷侧计及电热需求响应模型的综合优化目标考虑了系统总运行成本、弃风惩罚成本及碳交易成本 基于改进的 电网与 节点热网系统对所建立模型进行仿真算例结果表明源荷协调运行可有效降低系统总调度成本、提高风电并网发电量及减少系统碳排放量关键词:低碳运行风电消纳光热电站热电联产电热需求响应中图分类号:文献标识码:引 言“三北”地区供暖期多以热电联产机组提供供热服务而热电联产机组多以“以热定电”模式运行优先满足供热需求无法为风电提供足够的上网空间 为缓解“风热冲突”现象可以增加电网下调峰容量接纳更多风电也可以加装储热装置或电热耦合设备通过热网侧调节 文献分析了热电联产机组配置蓄热罐前后调峰能力与运行特性的变化情况讨论了利用储热消纳弃风的机理算例表明在热电厂配备储热装置可有效提高风电消纳水平文献提出了利用热网与建筑物的热动态特性实现热电联产机组“热电解耦”从而提高其上、下调节容量但冬季大规模风电与高比例燃煤机组共存的电热综合能源系统对低碳减排任务带来了严峻挑战我国电力碳排放主要来自煤电随着建设绿色低碳、可持续发展的现代能源体系尽快实现“双碳”目标清洁能源发电占比将越来越大 为了探索一条稳定、可靠、可控的可再生能源发展道路实现清洁低碳的能源转型光热电站应运而生 光热发电相比光伏发电受天气因素制约较小其配备储热装置后可以减轻受太阳能资源不确定性的影响实现平稳可控的能源输出且 装置协同 电站供热既为弃风提供一条路径又相当于增加一个热源 近年来对光热电站的研究主要聚焦在其协同可再生能源发电方面 文献建立了风电 电站联合运行模型对比了在不同天气特征下加入与未加入 装置对所建模型调度的影响结果表明 装置加入后更有利于消纳弃风文献建立了含 电站高比例新能源送端跨区消纳模型利用 电站与高压直流输电线路的灵活性促进风光消纳、减轻火电机组调峰压力及提高系统经济性文献考虑 电站出力灵活性将 装置配备储热装置的 电站与火电机组共同承担系统备用并引入碳交易讨论火电机组间出力再分配问题算例验证了所提调度策略可以整体降低火电机组出力从而抑制系统总碳排放量及降低总调度成本目前对光热电站在供热方面作用和效益的研究还较少 文献将绿证交易纳入总成本通过对比光热电站仅参与供电与既参与供电又供热表明后者有利于缓解燃煤机组供热及供电压力从而改善弃电率、降低碳排放量及提高系统经济性 但仅考虑了改善机组侧对降低碳排放量的影响 文献将 电站与需求响应引入热电联供型微网主要分析了计及需求响应前后对系统运行效益的影响 上述研究在 电站协同可再生能源运行从而提高新能源消纳量及提升系统整体效益方面有一定研究但仍存在进一步讨论的问题:)未充分利用 电站储热装置与 装置协同供热来减轻 机组供热压力从而减少 机组侧加装储热装置的建设成本)对考虑电热需求响应如何进行低碳减排研究还不充分对 电站协同 机组及火电机组供能如何降低碳排放量有待进一步研究)鲜有文章将负荷侧可调度资源与光热电站热电联供协同调度分析对消纳弃风及低碳减排的影响 本文以冬季供暖期为背景建立一种计及电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度模型 源侧采用 电站协同热电联产机组供热加入 装置既为弃风提供一条路径又相当于增加一个热源提高新能源消纳量的同时降低调度周期内燃煤机组出力从而减少系统整体碳排放量提升机组侧调度灵活性网侧计及电网与热网稳态潮流荷侧考虑电热需求响应可调度的电、热负荷通过自身调节改善机组出力状况提高风电并网量并促进低碳减排 通过仿真对比了不同调度场景对系统总运行成本、新能源消纳量及系统碳排放量的影响 考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统结构 本文建立了一个包含风电机组、常规火电机组、配备储热装置的 电站、装置、热电联产机组、电力网络、热力网络、电负荷及热负荷的电热综合能源系统系统结构如图 所示图 电热综合能源系统结构.源侧 与 电站联合运行模型 电站由聚光集热系统、储热系统及发电系统三部分组成实现太阳能热能电能的转换传热工质搭建起各种能量转换的桥梁 根据 电站镜场集热方式的不同可分为塔式、槽式、碟式及菲涅尔式本文采用塔式光热电站储热装置采用熔盐储热 装置的加入为弃风消纳增加了一条路径将部分弃风转化为热能存储在 电站储热系统中或者直接参与供热 将上述 与 电站联合运行的能量转换关系抽象为能量流关系如图 所示本文以 与 电站能量流关系图建立源侧联合调度模型图 与 电站能量流关系图.以传热工质为节点列写热功率平衡方程为/()()公式中:为 时刻 电站聚光集热系统吸收的热功率为光场弃热功率为 时刻储热装置向传热工质传递的热功率为 时刻传热工质向储热装置传递的热功率为 时刻 电站并网电功率为汽轮机热电转换效率为汽轮机启动状态变量为汽轮机用于启动的热功率为光热转换效率为镜场面积为 时刻太阳能辐射指数()电站储热装置充放热功率及储热装置容量为()()/()()()()公式中:为 时刻 电站的充热功率东北电力大学学报第 卷为充热效率为 时刻储热装置的放热功率为 时刻储热装置供给热负荷的热功率为放热效率为 电站 时刻的储热功率初始储热功率取最大储热量的一半为耗散因子模拟储热装置散热风电功率一部分直接并网供给电负荷使用弃风功率通过 装置转换为热功率储存在 电站的储热装置中或者直接供给热负荷使用为()()公式中:为 时刻风电出力为直接并网的风功率为 时刻 装置可利用的风电功率为电加热装置电热转换效率为 时刻由电加热装置传递给储热装置的热功率为 时刻 装置供给热负荷的热功率.负荷侧电热需求响应模型.分时电价模型分时电价为用户用电量根据电价变化响应实现电负荷削峰填谷、解决电力供需不平衡问题从而提高电网运行效率优化资源配置 本文以天为调度周期将一天 电力负荷划分为谷、平、峰三个时段三个时段电量的变化受电价变化影响二者之间的关系用电价弹性系数矩阵 为()公式中:为互弹性系数 为自弹性系数()()()()()()/()公式中:()、()、()分别为原始谷、平、峰时段电负荷、分别为参与响应后的谷、平、峰时段电负荷、分别为谷、平、峰时段电价的变化量、分别为优化之后的谷、平、峰电价.采暖负荷热舒适度模型本文热负荷为建筑物采暖负荷计及采暖负荷热舒适度后热源出力摆脱与热负荷的实时平衡约束使得参与需求响应后的热负荷曲线峰谷差减小提高电热综合能源系统调度的灵活性并以舒适度指标()量化人体感觉不同室内温度下的 值记为 与室温关系式为.().()()当 时室内的环境温度为最舒服温度国家标准机构将 上限值放大到 即当.在这一范围内时为人体可接受温度范围()()()()公式中:为需求响应后热负荷 为建筑物的面积取值分别为.、.、.为单位供热面积下的热容 为采暖建筑物单位供热面积单位温差下的室内热量损失值、分别为 时刻室内、外温度、分别为室内温度上下限 光热电热综合能源系统源荷协调经济调度模型.目标函数系统总运行成本包括:装置供热成本、风电场运维成本、弃风惩罚成本、火电机组运行成本、电站发电和供热成本、机组运行成本及碳交易成本 本文将电热综合能源系统作为一个整体以控制碳排放总量为原则系统初始碳排放权采取无偿分配方式系统实际碳排放量高于配额部分以碳价购买 目标函数为 ()()公式中:、分别为 装置、火电机组、电站、机组运行成本函数为风电场的运维成本为弃风惩罚成本为碳交易成本第 期 席佳铭等:考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度 ()()()()()()()()()()公式中:为 装置电热转换成本系数为风电机组运维成本系数为弃风成本系数为 时刻风电预测出力、为第 个火电机组的煤耗系数为第 个火电机组的启停成本为 时刻第 个火电机组运行状态变量为 时刻第 个火电机组的电出力、分别为 电站发电和供热成本系数为 电站汽轮机启停成本为 时刻 电站汽轮机运行状态变量将 机组热出力转换为纯凝工况下的电出力、分别为 机组的煤耗系数为 时刻 机组的电出力为 时刻 机组的热出力为 机组在同一进汽量下增加单位供热量时发电量的减小值 为碳交易基价、分别为火电机组、热电联产机组碳排放配额系数、分别为火电机组、热电联产机组碳排放系数.约束条件.系统电功率平衡约束 ()公式中:为 时刻需求响应后的电负荷.电站与 装置约束)电站储热装置充放热不能同时进行:()()公式中:、分别为 电站储热装置充放热状态变量为储热装置最大充放热功率)电站储热容量约束为 /()公式中:为 电站储热装置最小储热功率为以汽轮机组的满负荷小时数()为单位描述的储热装置的最大容量为 电站最大发电功率)电站发电环节约束包括发电量约束、最小运行和最小停机时间约束、启停及爬坡约束:()()()()()()()公式中:为汽轮机最小发电量、分别为汽轮机最小运行、停机时间、分别为汽轮机最大上、下爬坡功率)装置约束 ()公式中:为 时刻 装置可消纳弃风量为 装置电热转换的最大功率.电热需求响应约束)电负荷需求响应约束 ()()()()公式中:()为响应前 时刻的电负荷为电负荷最大转移率取 为 时刻电负荷的响应量)热负荷需求响应约束()()()()()东北电力大学学报第 卷公式中:()为需求响应前热网传递到建筑物的热功率为 时刻参与需求响应的热负荷为热负荷最大转移率取.系统其他机组运行约束)热电联产机组运行约束 ()()()公式中:、分别为 机组在纯凝工况下最大、最小电出力为 机组最大热出力、分别为最大进汽工况和最小进汽工况下增加单位供热量时发电量的减小值为背压曲线的斜率)火电机组运行约束 ()公式中:、分别为火电机组出力上下限热电联产机组不考虑启停火电机组的启停约束与爬坡约束和 电站汽轮机类似在此不再赘述)系统旋转备用约束 ()()()()().()公式中:、分别为 时刻第 个火电机组和热电联产机组提供的上旋转备用容量、分别为 时刻第 个火电机组和 机组提供的下旋转备用容量、分别为第 个火电机组的最大上、下爬坡速率、分别为 机组的最大上、下爬坡速率、分别为 时刻热电联产机组的出力上下限.系统电热潮流约束)电网潮流约束 ()()公式中:、分别为节点、之间输电线路最小、最大传输容量为节点、之间的电纳值、分别为 时刻节点、的相角值)热网潮流约束与电力系统功能类似按照热能生产、传输、分配及消费可以将热力系统分为热源、热网及热负荷民用供暖的集中供热网大多以热水为传输媒介 本文忽略对二次管网的建模采用质调节方式将热网线性化 ()()()()公式中:为热水比热容、分别为与热源和建筑物相连的管道热水质量流量、分别为与热源和建筑物相连的供、回水管道的节点温度()()()公式中:、分别为 时刻供、回水管道末端温度、分别为 时刻供、回水管道首端温度为管道材料的传热系数为管道长度 ()公式中:为 时刻混合节点温度、分别为入口和出口与混合节点相连的管道集合 ()公式中:、分别为供水管道节点供、回水温度上下限、分别为回水管道节点供、回水温度上下限 求解流程本文建立的考虑电热需求响应的光热电热综第 期 席佳铭等:考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度合能源系统源荷协调经济调度模型以 为调度周期以 为时间间隔进行仿真在 下采用 语言编程调用商用求解 求解 算例分析.算例参数设置本文采用改进的 节点电网与 节点热网耦合系统进行仿真在、节点分别接入装机容量为 的 机组、的 电站及 的风电场其余节点的发电厂为火电厂电、热负荷预测值、风电场出力预测值及太阳辐射强度预测值如图 所示系统拓扑图如图 所示电价需求响应相关参数参照文献火电机组及 机组参数参照文献热网相关参数参照文献 电站及 装置参数如表 所示模型中涉及到的其他参数如表 所示图 风电、电、热负荷预测值.本文以 为一个调度周期为了更好地验证所提模型在降低系统碳排放、提高新能源接纳量及降低系统总运行成本方面的优越性设置五种场景进行对比分析:场景 仅由 机组供热 电站仅供电不考虑电热需求响应场景 为 机组和 电站协同供热不考虑电热需求响应场景 为 机组、电站及 装置协同供热不考虑电热需求响应场景 为 机组和 电站协同供热考虑电热需求响应场景 为 机组、电站及 装置协同供热考虑电热需求响应图 系统拓扑图.表 电站及 装置参数.参数数值参数数值/()./(/)./()/(/)/./()表 模型中涉及到的其他参数.参数数值参数数值(/).(/).(元/).五种调度场景结果对比分析场景、是在负荷侧都不考虑电热需求响应只改变机组侧的供热模式下得到的结果从调度结果可以看出 电站与 装置协同 机组供热后系统弃风率分别降低了.、.由于 机组热出力减少可在更小的电出力下运行促进了风电消纳 系统总的碳排放量分别降低了.、.总运行成本分别降低了.元、.元 场景、与场景、是在机组侧供热模式不变的情况下考虑负荷侧电东北电力大学学报第 卷热需求响应前、后的情景计及采暖负荷热舒适度后热负荷自身具有一定程度的调节能力在保证调度周期内热源供热总量不变前提下夜间热源出力可以有所降低计及电价响应后可以适当将夜间电负荷低谷期抬升从而减小峰谷差增大了风电并网量 从调度结果可以看出弃风量分别减少了.、.系统碳排放量分别减少了.、.系统总运行成本分别降低了.元、.元场景 在系统总运行成本、碳排放量及弃风量等方面最小从而验证了本文调度模型的合理性和有效性 各场景结果如表 所示表 五种对比场景结果.场景实际碳排放量/弃风量/碳交易成本/元弃风惩罚成本/元总成本/元.算例结果分析.机组侧供热模式改变对电热综合能源系统调度结果影响分析场景、下燃煤机组出力情况图 场景 下火电机组出力.、图 为火电机组总体出力情况由图 可以看出在 与 场景 与场景 的火电机组总体出力较场景 均下降是由于场景 与场景 较场景 热源增加 机组在夜间电负荷低谷时段电出力调节范围增大接纳了更多风电并网新能源发电成本较低且清洁环保传统火电机组通过调整自身出力降低系统碳排放量由于场景 与场景 下 电站均参与供热受储热装置容 量 限 制 发 电 量 较 场 景 降 低 导 致 在电负荷高峰期场景 与场景 火电机组出力较场景 均有提升但在一个调度周期内场景 火电机组总出力为 .场景 火电机组总出力为.场景 火电机组总出力为.因此场景 与场景 较场景 火电机组煤耗成本及碳排放量均减少图 场景、下 机组电出力上下限.、图 为场景、下 机组电出力范围由图 可以看出场景 仅由 机组供热、与、热负荷接近 机组最大供热功率此时 机组上下限几乎重合使得电出力调节范围很小 在 与 场景 较场景 机组电出力调节范围扩大是由于 电站的储热装置放热分担了 机组供热任务在 与、场景 较场景 机组电出力上限提高电出力下限降低是由于场景 增加 装置后为消纳弃风增加了一条新的路径 装置将夜间弃风时段的电能转化为热能供给热负荷或存储在 电站的储热装置中 的热出力可以适当降低供热缺额部分由 电站与 装置补偿因此 电出力调节范围增大从而提升其调节能力与备用能力对整个电热综合能源系统的碳排放量也有抑制作用 由图 可知场景 较场景 与场景 在 与 时段风电消纳量增加综上所述机组侧 电站与 装置协同 机组供热后一定程度上打破了 机组“以热定电”工作模式在热负荷高峰期 机组降低第 期 席佳铭等:考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度自身热出力其电出力调节范围进一步扩大从而接纳更多风电并网降低燃煤机组出力对系统整体碳排放量有抑制作用由于 发电与风力发电为清洁能源发电其运行成本较低系统总调度成本减少.负荷侧电热需求响应机制对电热综合能源系统调度结果影响分析)场景 与场景 对比分析限于篇幅主要对比分析场景 与场景 考虑负荷侧电热需求响应前后对系统调度的影响场景 运行结果如图 所示图 场景 运行结果.图 为场景 下各设备电、热出力情况由图()可知 电站主要在白天电负荷高峰期发电此时风电处于低谷期几乎没有弃风发生在 与 处于风电大发时段为接纳更多风电并网各机组出力均处于较低水平 考虑电负荷需求响应后电力用户通过增加自身用电量使得夜间处于低谷期的电负荷被抬升此时为风电高峰期相较于场景 不考虑需求响应风电并网量增加电负荷高峰期电力用户参与需求响应后用户用能减少且 电站分担了部分发电任务火电机组出力降低火电机组的碳排放量减少相较于场景 不考虑需求响应时在整个调度周期内火电机组出力降低.由图()可知在 与 热负荷高峰期计及采暖热负荷舒适度后机组热出力摆脱了与热负荷实时平衡约束可调节热负荷自身通过降低吸热量使 机组热出力减少其电出力下限进一步降低为风电并网腾出空间部分弃风电量由 装置进行电热转换参与供热供热缺额部分由 储热装置放热与 装置电转热补充在热负荷低谷时段 机组为保证一天内采暖负荷的得热量其热出力有所增加此时电出力略微上升 相较于场景 不考虑需求响应时在整个调度周期内 机组热出力降低.电出力降低.电站充、放热不能同时进行 电站一般在白天太阳辐射强度高的时段充热其余时段放热参与供热或发电装置在 与 风电高峰期将弃风电量转化为热能供给热负荷 电站储热装置的储热容量随充放热功率的变化而变化内部充放热情况如图 所示 由于考虑热负荷需求响应后热负荷曲线在 与 降低导致室内温度有所降低低于最舒适温度但在人体可接受的温度变化范围内在 机组热出力增加室内温度有所回升室温变化曲线如图 所示图 场景 下 电站储热装置充、放热情况.)场景 与场景 对比分析场景 与场景 对比分析和场景 与场景 对比分析类似考虑电热需求响应后通过增加电负荷低谷期用电量及降低热负荷高峰期用热量进一步提高风电并网量场景 与场景 对比弃风量降低了.系统总碳排放量减少了.碳排放成本降低了 元系统总调度成本减少了 .元)场景 与场景 机组出力对比东北电力大学学报第 卷图 场景 下建筑物室内温度.图 场景 与场景 下机组出力对比.场景 对比场景 是考虑源荷协调调度后得到的结果由图 可知火电机组与 机组总出力均下降场景 火电机组总出力较场景 减少.场景 中热源仅 机组热出力与热负荷实时平衡在风电高峰期(热负荷高峰期)机组为了满足供热需求电出力也处于较高水平此时弃风量较大场景 中机组侧引入 装置与 电站辅助 机组供热与负荷侧引入热需求响应在 与 机组电、热出力均下降在一定程度上解耦了 机组“以热定电”约束弃风率降低了.综上考虑源荷协调调度对降低系统总运行成本及碳排放量有积极作用.装置电热转换最大功率对碳排放及消纳弃风影响图 装置电热转换最大功率对调度影响.以场景 为例 装置不同电热转换最大功率对调度结果的影响如图 所示 随着 装置可转换最大电功率的增加系统总碳排放量和弃风量都逐渐降低表明 电站和 装置合理匹配、联合运行可以提高电热综合能源系统的整体效益在 电站储热装置储热容量充足的情况下利用 装置最大程度将弃风转换为热能不仅可以提高风电消纳量还可以充当热源降低燃煤机组出力从而降低系统碳排放图 五种场景下风电出力曲线.通过图 对比可知场景 下风电消纳功率进一步提升 是由于同时考虑了机组侧 电站与 装置协同 机组供热和负荷侧电热需求响应热负荷高峰期 电站储热装置放热与 装置电转热分担了部分 机组供热压力使得 机组热出力降低电出力随之降低计及电热需求响应后在电负荷低谷期用电量增加、用热量减少为风第 期 席佳铭等:考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度电并网进一步提升了空间在电负荷高峰期 电站参与供电火电机组受限于发电成本出力减少此时正值风电低谷期几乎没有弃风发生 结 论本文构建了计及电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度模型旨在通过源荷协调运行保证系统整体运行效益最小前提下降低系统碳排放量和提高新能源消纳量通过算例分析可得出如下结论:)源侧考虑 电站协同 机组供热 电站储热装置不仅能解耦 机组热电约束缓解“风热冲突”还可以平抑可再生能源出力间歇性实现可持续供电 随着 装置最大功率增加系统弃风量和碳排放量都随之减少)负荷侧电热需求响应的引入效果更加明显实现削峰填谷并进一步打破了 机组“以热定电”约束夜间更大规模消纳风电且整个调度周期内燃煤机组总出力降低从而抑制碳排放量)负荷侧电热需求响应协同源侧机组多模式供热调度为后续的高比例新能源接入电网提供了理论基础为进一步研究低碳运行后续可引入碳捕集机组和光热电站协同运行减少碳排放参考文献 吕泉陈天佑王海霞等.含储热的电力系统电热综合调度模型.电力自动化设备():.李平王海霞王漪等.利用建筑物与热网热动态特性提高热电联产机组调峰能力.电力系统自动化():.陈炜艾欣吴涛等.光伏并网发电系统对电网的影响研究综述.电力自动化设备():.杨勇郭苏刘群明等.风电 联合发电系统优化运行研究.中国电机工程学报():.沙韵周明杨宏基等.考虑光热电站和直流联络线灵活性的高比例新能源互联系统优化运行.电网技术():.崔杨邓贵波王铮等.计及碳交易的光热电站与风电系统低碳经济调度策略.电力自动化设备():.杨宏基周明武昭原等.含光热电站的电热能源系统优化运行机制.电网技术():.王佳颖史俊祎文福拴等.计及需求响应的光热电站热电联供型微网的优化运行.电力系统自动化():.:.杜尔顺张宁康重庆等.太阳能光热发电并网运行及优化规划研究综述与展望.中国电机工程学报():.:.():.():.黄剑平陈皓勇林镇佳等.需求侧响应背景下分时电价研究与实践综述.电力系统保护与控制():.董京营周博刘晋源等.考虑用户舒适度的虚拟电厂热电联合调度模型.电力建设():.秦婷刘怀东王锦桥等.基于碳交易的电热气综合能源系统低碳经济调度.电力系统自动化():.王婉璐杨莉王蕾等.考虑供热网储热特性的电热综合能源系统优化调度.电力系统自动化():.陈润泽孙宏斌李正烁等.含储热光热电站的电网调度模型与并网效益分析.电力系统自动化():.崔杨曾鹏王铮等.计及电价型需求侧响应含碳捕集设备的电气热综合能源系统低碳经济调度.电网技术():.崔杨张家瑞王铮等.计及含储热光热电站与电锅炉联合运行的供热期弃风消纳策略.高电压技术():.李汶明.计及热惯性的电热综合能源系统优化运行与灵活性评估.吉林:东北电力大学.收稿日期:第一作者:席佳铭()女在读硕士研究生主要研究方向:综合能源系统优化调度.通讯作者:孙 亮()男硕士教授主要研究方向:电力系 统 运 行 与 控 制 综 合 能 源 系 统 调 度.东北电力大学学报第 卷 ():“”“”.“”.:(上接第 页)():./.:第 期 席佳铭等:考虑电热需求响应的光热电热综合能源系统源荷协调经济调度