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基于储热之热电站消纳风电方案概述

时间:2015-06-25 10:38来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程师论文,在我国当前集中调度环境下,由于没有实时电价的引导,热电厂和储热装置该如何进行优化调度;在当前风电功率预测尚存在较大误差的背景下。

1绪论


1.1课题研究背景
2012年,我国已成为世界最大的风电市场国,累计并网容量达60830MW,发电量达1004亿千瓦时,风电已成为继火电和水电后我国第三大主力电源[1]。然而弃风问题越来越严重,2011年我国弃风电量超过123亿千瓦时,2012年弃风电量更是达到218亿千瓦时,风电平均利用小时数也比2011年有所下降,个别省(区)甚至不足1400小时[2_3]。按中国电力企业联合会公布的2012年供电标准煤耗326g/KWh测算,这些损失的电量折合标准煤超过650万吨,直接经济损失超过100亿元,造成了巨大的国民经济损失和能源浪费。弃风问题已成为我国未来风电发展的瓶颈,亟待解决。我国风电主要分布在“三北”地区,截止到2011年底,该地区占全国并网风电量比例高达87.7%;同时,在“三北”电网的电源结构中,水电、燃气机组等电源比例较小,火电机组比例较高,热电机组又占到火电中的很高比例,如蒙西电网在2012年该比例达到57.4%,2010年吉林电网该比例甚至达到了 71%以上,考虑实际运行过程中,部分常规火电机组很可能无法开机,供热机组占实际开机比例更高;可以说“三北”地区电源结构呈现出风电、热电比例均较高的特点。然而,当前我国风电、免电之间并没有实现协调发展,“三北”地区出现了严重的“风热冲突”问题,究其原因在于,热电机组为满足冬季供暖热负荷将以“以热定电”的方式运行,必然会造成负荷低谷时段机组的最小出力的提高,基于电力平衡,系统将无法为风电提供足够的上网空间,直接导致风电的弃风。
…………


1.2配置储热的热电厂消纳风电方案
通过上述四种降低热电机组出力的方案对比,可知由于热电厂配置储热方案可实现弃风电力对非弃风时段凝汽式发电的替代,因此具有最好的节煤效果,可以使得热电机组与风电实现共同发展,这就为电网同时提高电源结构中的热电和风电比例创造了条件,可以认为是当前缓解我国“三北”电网风热冲突、减少弃电的最佳方案,因此本文下一步对热电厂配置储热方案进行了深入的研宄。储热装置通常是热量短期存储的大型蓄热罐,如图1.7所示,通常利用水作为其存储介质,根据供热系统的需要决定其体积、高度与最大蓄热放热能力等参数。蓄热罐依据不同温度的水由于密度差异而冷热水分层的原理运行[38],处于蓄热罐上部区域的是温度高的供水,而处于蓄热罐下部区域的是温度低的回水,热冷水之间存在l~2m的过渡层。蓄热时,热水从蓄热罐上部区域蓄入罐内,相同质量的冷水从蓄热罐底部排出;放热过程,则按照相反的方向流水。控制进入/流出的水流量是保证储热装置的可靠运行的重要因素,其可以防止储热罐内冷热水层的混合,即维持过渡层的稳定。蓄热罐由罐体(钢罐或钢筋混凝土)、布水盘、水位控制器、排水系统、安全装置(安全阀、水封)、温度和压力等测量装置、自控监测调节装置、蓄热粟、放热栗、喷射粟、蒸汽发生器、蒸汽发生器补水果组成[39]。其中,布水盘是蓄热器最重要的部分,可用于控制进入/流出的水流速度,防止蓄热器内热、冷水层的混合。
…………


2配置储热后热电机组调峰能力分析


2. 1配置储热后热电机组的电热特性
若腰荷时段的最大储热量大于负荷低谷时段的最大调峰补偿供热需求,则运行时尽可能在腰荷时段多蓄热,然后优先满足低谷时段的调峰热需求;多余的储热量,再补偿给尖峰时段,以降低尖峰时段汽轮机的供热功率,提高凝汽发电比例,从而增大尖峰时段的电功率。若腰荷时段的最大储热量低于负荷低谷时段的最大调峰补偿供热需求,则在运行时腰荷、峰荷时段同时进行蓄热(先在腰荷时段多尽可能蓄热,不足部分再在峰荷时段进行蓄热),以尽可能满足低谷时段调峰补偿供热的需求,从而获得最大的调峰增量。由上面运行策略可以看出,在上述运行方式下,只要腰荷或峰荷时段能够存储到足够的热量(这就要求储热容量和热负荷满足一定条件),即可在电负荷低谷时段尽可能降低电出力到最小水平,从而极大地提高其调峰能力,接纳风电。
……….


2. 2配置储热后抽汽机组的灵活运行机制
大容量抽汽式热电机组启停调峰并不经济,因此本文建议采用采用低负荷运行方式进行风电调峰。由图2.1可以看出,对于某个供热水平&通过储热补偿供热,既可以在负荷低谷时段把汽轮机最小发电功率从Pf降到Pm进行低负荷调峰,也可以在尖峰时段把最大发电功率从Pe提高到PH进行调峰。设蓄热罐在腰荷时段存储了 2s的热量,则将之于低谷时段释放时,可获得的低谷下调峰容量(即机组最小出力的减小量)这相当于为低谷时段提供了 CW0S/71的风电上网空间;而将之于尖峰时段释放时,可获得的尖峰上调峰容量(即机组最大出力的增加量)为cvgs/Tp,这样,就可减少相同容量的凝汽式机组开机,从而相应地减少这些凝汽机组在低谷时段的最小出力,其量为yt-cvgs/TX其中;为常规凝汽式机组最小电出力占额定容量的比值,一般为0.5左右),也就相当于为风电提供了 ArcvGs/TV的上网空间。一般而言,Cm通常大于(前者约为后者的两倍),而71与TV相差不多,因此将0S用于低谷时段所获得的风电接纳空间要大于用于尖峰时段,故而,当蓄热量有限时,应该优先补偿给低谷时段。同理,当机组在负荷尖峰时段蓄热,而在低谷时段放热时,后者所获得的风电接纳空间,要大于机组在尖峰时段因蓄热减少最大出力而导致的风电接纳空间的减少量,故而当腰荷蓄热不足时,可釆用在峰荷时段蓄热,而在低谷时段放热的方式提高机组提供的风电接纳空间。
……….


3含储热的电力系统电热综合调度模型........ 27
3.1含储热的电热综合调度模型........ 27
3.1.1 目标函数 ........27
3.1.2参考方式的调度约束........ 28
3.1.3储热方式的调度约束........ 30
3.2算例分析 ........30
3.3 本章小结........ 37
4考虑风电不确定性的蓄热罐运行策略........ 38
4.1风电不确定性对蓄热罐运行的影响........ 38
4.1.1风电功率预测误差简介........ 38
4.1.2电热综合调度模型存在的不足........ 39
4.2基于场景分析的含储热优化调度模型........ 39
4.3制定蓄热罐运行策略的实用化方法........ 42
4.4算例分析........ 43
4.5 本章小结........ 47


4考虑风电不确定性的蓄热耀运行策略


4. 1风电不确定性对蓄热罐运行的影响
风电的不确定性,直接体现为风电功率的预测误差较大。由于风能具有随机性、波动性、间歇性和可控性差等特点,以及受到现有的风电功率预测方法的限制,风电功率预测误差不可避免。如图4.1 (a)所示,实线为实际风电出力,但是预测功率却可能是阴影区间内的任意一条曲线。以日前预测为例,全球范围内实际投入商业运行的风电预测软件的平均绝对误差约为14%-20%[M],将会对考虑风电接入的潮流分析、机组组合、经济调度等问题的优化结果产生显著影响。为制定考虑风电不确定性的蓄热罐运行策略,建立了基于场景分析的含储热的优化调度模型,使用场景分析方法表示风电的不确定性,以各场景下系统煤耗量的期望值作为目标函数,约束中也充分考虑了蓄热罐的短期运行成本。由于该模型较为复杂,为降低计算量,本章给出了一种实用化方法,即:首先对不同场景分别进行电热综合调度确定备选的运行策略,然后建立“节煤量”指标对各策略进行评价,最后选择“节煤量”最大的策略作为蓄热耀的次日运行策略。最后,算例对以上两种方法的有效性进行验证,并表明,实用化方法与基于多场景的优化调度模型所得到的结果基本相同。


………


结论


当前,我国“三北”地区因“风热冲突”造成的弃风问题非常严重,冲突的主要原因在于占电源比例很高的热电联产机组因“以热定电”运行而导致电网调峰能力不足。为此,本文对在我国热电厂通过配置储热装置解耦其“以热定电”约束进而消纳弃风的方案进行了研宄,主要研究内容及相关结论如下:
(1)建立了计算配置储热后热电机组调峰能力的数学模型,并利用该模型对我国北方地区典型的300MW和200MW热电机组配置储热的效果进行了分析,结果表明,在现有热负荷水平下,配置储热可使得两类机组的调峰容量分别由额定容量的16%提高到37%、13%提高到27%,从而为弃风电力提供大量的上网空间,提高电网的风电消纳水平。
(2)分析了影响热电机组配置储热效果的因素,包括机组所承担的热负荷水平、储热装置的容量和放热能力参数值等。其中,热负荷水平影响较大,若机组所承担的热负荷接近于其最大供热能力,则无论所配置储热装置的性能参数如何,均难以提高其调峰能力。对于这类机组,需采用其他方式提高其调峰能力,如配置电锅炉。
(3)建立了含储热的电力系统电热综合调度模型,为分析我国集中调度运行环境储热方案的效果提供了模拟仿真工具;通过算例验证了模型的有效性,且算例结果表明,储热方案消纳单位电量弃风的节煤量要好于电锅炉梢纳方案。
(4)利用场景描述风电的不确定性,建立了基于场景分析的含储热优化调度模型来制定蓄热罐次日运行策略,并用算例验证了模型的有效性;另外,鉴于基于场景的随机模型非常复杂,提出一种实用化方法简化计算,算例表明,实用化方法与基于场景的优化调度模型所得到的运行策略基本相同,但计算量却可以得到大幅下降。
…………
参考文献(略) 

(责任编辑:gufeng)
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