蓄热式电锅炉融合储能的风电消纳优化控制研究

蓄热式电锅炉融合储能的风电消纳优化控制研究

徐强

国网新疆电力有限公司电力科学研究院

摘要：在当今社会，随着经济社会的不断发展，蓄热式电锅炉逐渐出现在人们的生活中。针对三北地区冬季供热期火电机组调峰能力受限，源荷供需矛盾严重导致风电场弃风严重的问题，提出了蓄热式电锅炉融合储能的风电消纳优化控制方法。为解决风电就地消纳的难题，我国北方地区正在推广应用蓄热式电锅炉制热，增加电网的电转热负荷，以促进风电本地消纳能力；研究风电场非直接供电模式下蓄热式电锅炉和电化学储能装置的协调优化控制方法，以风电场和蓄热式电锅炉的收益最大化为目标，综合考虑风电场、电网公司及供热公司之间不同合约的情况，提出了优化的控制策略。仿真结果表明了所提方法的有效性。

关键词：风电消纳；蓄热式电锅炉；优化控制

引言

随着经济社会的迅速发展，风电也快速发展起来。截止2015年底，我国风电装机容量1．29亿kW，居世界第一，但是严重的弃风问题制约着我国从世界最大风电装机国迈向世界最大风电利用国。风力资源最为丰富的“三北地区”也是弃风最为严重的地区，主要由于“三北地区”电网以火电为主，电网灵活性差，在冬季供暖期间，热电联产机组“以热定电”模式运行，机组向下调峰能力不足，导致夜间低谷时段大规模弃风。因此，增加火电机组调峰能力和提高低谷用电负荷是解决三北地区风电弃风问题的有效途径。

1蓄热式电锅炉融合储能的非直接供电模式

在我国风电资源丰富的“三北”地区，冬季供暖期间因“风热冲突”导致的弃风现象日益严重。造成“风热冲突”的本质原因是热电机组在供暖期间因“以热定电”约束而导致其调峰能力大幅下降，国外实验研究经验表明，通过配置储热设备可以有效解决热电机组“以热定电”约束，进而促进风电消纳。利用蓄热式电锅炉提高风电消纳就是使蓄热式电锅炉利用峰、谷时段电价差进行供热，即在谷的时段供热和蓄热，在峰的时段利用蓄热的能量进行供热，以提高风电就地消纳能力。蓄热式电锅炉是一种高效、安全可靠、减少环境污染的新型电加热设备，同时也是一种可控负荷，利用它可以将电网谷时风力发电以热能的形式储存供白天使用或供热。由于蓄热式电锅炉电极棒的调节受速度、深度与频次的制约，难以与风功率快速波动及随机性相匹配。而电化学储能系统具有电能双向流动、能量时移及四象限有功、无功的灵活调节等特点，其主要作用是协调蓄热式电锅炉进一步增强其调节的尺度、快速性与双向调节的灵活性，以匹配风电固有的输出特性，从而有效改善源－荷间的失调问题。

2蓄热式电热锅炉技术特点

2.1水箱蓄热电阻式锅炉

水箱蓄热电阻式锅炉主要由锅炉本体、电加热管及电控系统组成。其中，电控系统通常采用PLC自动控制，与锅炉本体安装在一起。电加热管由多根子管构成，每根子管内包含一根金属电热丝并在其空隙内装满导热绝缘性好的结晶氧化镁。由于其结构简单，体积小，运行不产生污染，电加热原件与介质直接接触加热，热效率高，同时受单支电热管功率小，寿命较短的限制，所以电阻式电锅炉功率一般在4MW以内，广泛应用于用户侧煤改电工程。

2.2固体材料蓄热式电锅炉

固体材料蓄热式电锅炉应用热容大、密度大，具有耐高温的特有固体蓄热材料，如固态氧化镁，在电网低谷时段，利用电热元件将固体蓄热体加热至1000℃左右，将电能转换为热能方式存储;电网高峰时段，利用变频风机进行空气换热，加热锅炉循环水放热，实现对电网的消峰填谷。与利用常压水箱蓄热方式相比，固体材料蓄热最突出的优点在于将蓄热体及热源体等装置统一，无需加装体积庞大的蓄热水箱，锅炉的体积大大减小，约为蓄热水箱锅炉的1/7，减少了占地面积以及散热损失，提高了锅炉投资的经济性。固体蓄热式电锅炉单台功率可达到100MW，广泛应用于大容量火电机组的灵活性改造。

2.3水箱蓄热电极式锅炉

水箱蓄热电极式锅炉采用电极加热方式，三相电流经过炉内悬挂的电极间通过炉水(通常为加入电解质溶液的除盐水)，利用炉水高热组特性，在炉水中将电能转换为热能。炉水的温度即锅炉的功率，可通过升降电极浸没在水中的深度进行调节，这样，能实现从零至满功率运行无极调节，但功率调节受机械部件制约，调节速率受限。电极式锅炉可集成大规模使用，功率达到百MW级，广泛应用在弃风电量供热和火电机组灵活性改造工程。

3蓄热式电锅炉融合储能的优化控制方法

3.1模型求解

本文建立模型中，将环境目标及风电消纳目标转化为经济成本来考虑。其中包含最小值函数、大量的等式约束及不等式约束方程。针对该模型，采用粒子群算法进行寻优求解，粒子群算法操作简便，收敛迅速，全局搜索能力强，适用于多个工程领域。非线性模型中每个解可视作为一个粒子，每个粒子对应一个速度和位置。

3.2约束条件

约束条件包括消纳弃风约束、合约约束、储能储热装置能量约束以及电锅炉功率约束等，具体说明如下。弃风约束本文所研究的蓄热式电锅炉融合储能的优化控制方法是以消纳弃风为前提的，所以ｔ时刻风电场向电网公司出售的弃风发电量应不大于风电场总的弃风电量（Ｗｔｑｆ），即Ｗｔｓ≤Ｗｔｑｆ.合约约束:在非直供电模式下，风电场分别同电网公司和供热公司签有合约。合约对所研究的协调优化控制问题表现为不同的约束条件。风电场与电网公司之间的购售电合约考虑2种情况。第一种情况是风电场每天允许在弃风时段增发固定的电量，这个电量也是每天蓄热式电锅炉在负荷低谷时段消纳的电量.功率平衡约束:功率平衡约束包含蓄热式电锅炉的热功率平衡约束和电化学储能的电功率平衡约束.

3.3改进粒子群算法

粒子群算法是１９９５年由美国Ｋｅｎｎｅｄｙ博士和Ｅｂｅｒｈａｒｔ博士提出的，是人们受到社会体系中的个体行为的启发提出的一种基于群的智能优化算法。通过群体的个体自身经验的总结来修正个体行动策略最终求取优化问题的解。粒子群算法因其原理简单、易于编程、适于并行计算等优点而得到了广泛的应用。但同时也存在早熟收敛等不足，这使得ＰＳＯ面对复杂的多极值优化问题时，难以获得真实的全局最优解。粒子群改进算法是在ＰＳＯ的基础上描述的一种具有全局收敛性的改进算法，并给予随机分析理论证明该算法依概率收敛至全局最优解。

4结语

蓄热式电锅炉作为一种广义的储能系统，可广泛应用在电力系统发电和用电环节中，其协调火电机组灵活性改造、参与风电弃风供热和推动用户侧电能替代的示范应用增加了火电机组调峰能力，提高了低谷用电负荷，大大缓解了风电的弃风问题。从目前的电价结构和政策机制来看，蓄热式电锅炉在发电侧参与深度调峰获得辅助服务费、在风电供热环节中按协定弃风电价进行交易、在用户侧煤改电供热获得电价补贴的运营模式都具备一定的盈利空间，具有推广价值。蓄热式电锅炉的技术进步及其在系统应用中的优化，探索并培育良好的发展模式以及形成合理高效的市场机制，是需要进一步研究并实践的重要问题。

参考文献

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