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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 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()
11、()()()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
12、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
13、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
14、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
15、)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
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