樊建強(qiáng)，趙曉艷

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西 晉中 030800)

1 引言

在冬季進(jìn)行供暖的時(shí)候，由于熱電機(jī)出力較大，且熱電機(jī)組出力和風(fēng)力出力的時(shí)間重合，導(dǎo)致系統(tǒng)巔峰困難[1-2]，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。為了更好地解決上述問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者給出了一些較好的研究成果，例如電熱聯(lián)合優(yōu)化等，這些方案雖然能夠提升電網(wǎng)系統(tǒng)的風(fēng)電消納率，但是會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果和實(shí)際結(jié)果之間存在較大的偏差。

我國(guó)北部地區(qū)主要是通過(guò)電熱廠(chǎng)進(jìn)行集中供熱[3]，但是這種供熱方式給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了十分嚴(yán)重的危害。在供暖期間，為了確保系統(tǒng)供暖正常，系統(tǒng)調(diào)峰主要利用純凝火電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，但是這種方案操作并不是十分方便。尤其是在夜晚出現(xiàn)供電高峰期，熱電機(jī)組強(qiáng)迫出力會(huì)導(dǎo)致空間被進(jìn)一步壓縮，同時(shí)系統(tǒng)調(diào)峰也變得困難。相比傳統(tǒng)的鍋爐供熱，現(xiàn)階段熱電聯(lián)合具有明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也得到了國(guó)家相關(guān)部門(mén)的大力支持，熱電聯(lián)合還能夠有效減少環(huán)境污染。目前，我國(guó)北方地區(qū)的火電機(jī)組大部分都為熱電機(jī)組，但是該地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)儲(chǔ)熱存在較強(qiáng)的熱電耦合性，導(dǎo)致供暖期間熱電聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱變得十分困難。由于受到地域因素的影響，除了使用火力發(fā)熱以來(lái)，還有部分地區(qū)使用風(fēng)力風(fēng)電。在供暖期間，為了確保系統(tǒng)供暖正常，系統(tǒng)調(diào)峰主要利用純凝火電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，但是這種方案操作并不是十分方便。尤其是在夜晚出現(xiàn)供電高峰期，熱電機(jī)組強(qiáng)迫出力會(huì)導(dǎo)致空間被進(jìn)一步壓縮，同時(shí)系統(tǒng)調(diào)峰也變得困難。

針對(duì)上述問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)的調(diào)峰做出了研究。文獻(xiàn)[4]提出基于動(dòng)態(tài)頻率和電壓參數(shù)的能效感知儲(chǔ)熱模型。采集電壓、電流等系統(tǒng)參數(shù)并量化，構(gòu)建能效感知云儲(chǔ)熱模型，實(shí)現(xiàn)電熱聯(lián)合系統(tǒng)能效優(yōu)化；文獻(xiàn)[5]提出具有需求響應(yīng)的電熱聯(lián)合系統(tǒng)。根據(jù)延時(shí)與熱衰減特性，引入PMV指標(biāo)確定熱負(fù)荷特征的平衡約束條件。以煤耗量最小為目標(biāo)構(gòu)建電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化儲(chǔ)熱模型。

上述方法具有一定的有效性，但在電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱時(shí)存在較強(qiáng)的熱電耦合性，導(dǎo)致供暖期間熱電聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱變得十分困難。為了更好地解決上述問(wèn)題，提出一種基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型。通過(guò)具體的仿真數(shù)據(jù)，有效驗(yàn)證了所提方法的有效性以及優(yōu)越性。

2 基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)優(yōu)化建模

2.1 電熱聯(lián)合系統(tǒng)

在我國(guó)北方地區(qū)進(jìn)行供熱的期間內(nèi)，由于受到剛性條件的約束，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)還有十分嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象。

在熱電聯(lián)合機(jī)組的位置添加儲(chǔ)熱裝置之后，打破了傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)的電熱耦合特性，同時(shí)有效增強(qiáng)電熱聯(lián)合機(jī)組的調(diào)節(jié)能力。上述方案為最佳的節(jié)煤方案，并且該方案也能夠有效解決在供熱期間出現(xiàn)的棄風(fēng)問(wèn)題。

相關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為在熱電廠(chǎng)中安裝儲(chǔ)熱裝置能夠有效緩解棄風(fēng)現(xiàn)象，但是研究結(jié)果表明，并不是。系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，由于風(fēng)電的反調(diào)特性，在夜晚用電量持續(xù)增加的情況，棄風(fēng)電量會(huì)持續(xù)增加，導(dǎo)致本地負(fù)荷也持續(xù)增加，與此同時(shí)，熱電聯(lián)合機(jī)組的供熱任務(wù)降低，電熱聯(lián)合系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力得到進(jìn)一步提升。電熱聯(lián)合系統(tǒng)能夠有效取代傳統(tǒng)的供熱方式[6]，且該種供熱方式具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境效益。

電熱聯(lián)合系統(tǒng)全面利用兩個(gè)系統(tǒng)之間的優(yōu)勢(shì)，促使兩種能源能夠得到更加廣泛的應(yīng)用，同時(shí)配置也能夠得到優(yōu)化[7]。由于用戶(hù)用電量以及供熱需求持續(xù)增加，為了滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，需要將兩個(gè)不同的系統(tǒng)進(jìn)行融合，組建電熱聯(lián)合系統(tǒng)，系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包含蓄熱的電熱聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 儲(chǔ)熱模型的組建

設(shè)定系統(tǒng)的最小儲(chǔ)熱目標(biāo)為運(yùn)行成本，在整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，運(yùn)行成本通常情況下只考慮以下幾方面：

1)電機(jī)組以及熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的煤耗成本；

2)燃煤鍋爐的煤耗成本；

3)蓄熱電鍋爐的耗電成本。

①常規(guī)火電機(jī)組i在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)所耗費(fèi)的煤成本計(jì)算式為

(1)

式中，ai、bi、ci各個(gè)機(jī)組的煤耗成本系數(shù)；Pi(t)代表機(jī)組的發(fā)電功率。

②熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煤耗成本：

背壓式供熱機(jī)組[8-9]中煤耗成本計(jì)算式和常規(guī)火電機(jī)組相同。

抽汽式供熱機(jī)組需要將電出力以及熱出力轉(zhuǎn)換為電功率，將其代入到式(1)中，則能夠得到對(duì)應(yīng)的煤耗成本，具體的計(jì)算式為

(2)

③在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)燃煤鍋的煤耗成本計(jì)算式為

G(t)=dH2(t)+eH(t)+f

(3)

式中，d、e、f代表系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)組在不同時(shí)間段內(nèi)的煤耗成本系數(shù)；H(t)代表鍋爐在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的供熱功率。

④蓄熱電鍋爐耗電成本計(jì)算式能夠表示為以下的形式

D(t)=λPd(t)

(4)

式中，λ代表?xiàng)夛L(fēng)電價(jià)系數(shù)；Pd(t)代表在t時(shí)間段內(nèi)蓄熱電鍋爐的耗電功率。

綜上，目標(biāo)函數(shù)能夠表示為以下的形式

(5)

式中，T代表時(shí)段數(shù)；N代表常規(guī)火電機(jī)組數(shù)；M代表供熱機(jī)組數(shù)。

火電機(jī)組約束條件具體的表現(xiàn)形式如下所示

(6)

式中，Pi，min代表機(jī)組的最小發(fā)電功率；Pi，max代表機(jī)組的最大發(fā)電功率；Pd，i代表機(jī)組向下爬坡的極限；Pμ，i代表向上爬坡的極限。

由于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用固定的熱電比進(jìn)行，所以，聯(lián)合電熱機(jī)組需要滿(mǎn)足以下幾方面的約束

(7)

式中，Hi(t)代表熱電機(jī)組在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的熱出力；k代表熱電機(jī)組的熱電比。

儲(chǔ)熱裝置約束條件需要滿(mǎn)足

(8)

式中，S(t)代表在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置的儲(chǔ)熱量；Smax代表在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)熱量；Hin(t)代表t時(shí)間段內(nèi)的儲(chǔ)熱功率；Hout(t)代表t時(shí)間段內(nèi)的放熱功率；Hin，max代表在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置的最大儲(chǔ)熱功率；；Hout，max代表設(shè)定時(shí)間段內(nèi)系統(tǒng)儲(chǔ)熱裝置的放熱功率；S0代表儲(chǔ)熱裝置的初始儲(chǔ)熱量；ST代表儲(chǔ)熱裝置在運(yùn)行七天之后的儲(chǔ)熱量；kloss代表儲(chǔ)熱裝置的漏熱損失系數(shù)。

電鍋爐約束條件需要滿(mǎn)足

(9)

式中，Hb(t)代表電鍋爐在t時(shí)間段內(nèi)的熱出力；Pb(t)代表電鍋爐在t時(shí)間段內(nèi)的電功率；ceh代表電鍋爐的電熱轉(zhuǎn)換系數(shù)。

在上述分析的基礎(chǔ)上，組建電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型[10]，即

(10)

2.3 電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型求解

分析電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型可知，模型中含有等式約束以及不等式約束，其中，熱電機(jī)組存在于熱電耦合之中，且機(jī)組供電以及機(jī)組供熱之間是相互影響的。為了對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型進(jìn)行求解[11-12]，以下采用粒子群算法，同時(shí)進(jìn)行改進(jìn)以有效保證經(jīng)濟(jì)儲(chǔ)熱問(wèn)題。

設(shè)定粒子群中含有n個(gè)粒子，同時(shí)各個(gè)粒子中含有三組D維向量。

粒子現(xiàn)階段位置公式為

(11)

粒子現(xiàn)階段的速度公式能夠表示為以下的形式

(12)

粒子歷史最優(yōu)解能夠表示為以下的形式

(13)

粒子的速度以及位置更新式能夠表示為以下的形式

(14)

(15)

式中，w代表慣性因子；g1、g2代表學(xué)習(xí)因子；r1、r2代表0到1之間的隨機(jī)數(shù)；k代表迭代次數(shù)。

結(jié)合上述分析可知，通過(guò)不斷對(duì)粒子群中粒子的位置以及速度進(jìn)行更新，能夠確定粒子群的更新方向，系統(tǒng)從無(wú)序轉(zhuǎn)換為有序，同時(shí)以最快的速度獲取粒子群最優(yōu)解。

具體的計(jì)算過(guò)程如下：

1)通過(guò)粒子群算法對(duì)2.2小節(jié)中的儲(chǔ)熱模型進(jìn)行求解，同時(shí)需要事先設(shè)定好算法所需要的參數(shù)，并且輸入不同時(shí)間段的熱負(fù)荷以及電負(fù)荷等參數(shù)的設(shè)定；

2)對(duì)電熱聯(lián)合系統(tǒng)中各個(gè)機(jī)組的電功率進(jìn)行初始化處理，同時(shí)設(shè)定迭代次數(shù)為1；

3)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的粒子進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，使其滿(mǎn)足相關(guān)的約束條件；

4)通過(guò)迭代實(shí)時(shí)更新粒子的位置以及速度，同時(shí)對(duì)粒子進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，在完成迭代后，迭代次數(shù)加1；

5)如果迭代次數(shù)達(dá)到最大的迭代次數(shù)，則終止迭代，同時(shí)輸出最優(yōu)解；反之，則繼續(xù)進(jìn)行迭代更新。

在上述分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行求解，獲取最優(yōu)儲(chǔ)熱方案。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型的綜合有效性，需要進(jìn)行仿真測(cè)試，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：Windows7，Matlab2010，Intel core i5-2400，3.0GHz CPU，4GB內(nèi)存。選擇文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，以省級(jí)電網(wǎng)為研究對(duì)象，測(cè)試不同儲(chǔ)熱模型的性能。

1)運(yùn)行成本/萬(wàn)元

實(shí)現(xiàn)選取兩種傳統(tǒng)的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型作為對(duì)比模型進(jìn)行仿真測(cè)試，實(shí)驗(yàn)將運(yùn)行成本作為評(píng)價(jià)儲(chǔ)熱模型的一項(xiàng)重要指標(biāo)，利用下圖給出具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果：

圖2 不同儲(chǔ)熱模型的運(yùn)行成本對(duì)比結(jié)果

綜合分析上圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著最大發(fā)電功率的持續(xù)增加，各個(gè)儲(chǔ)熱模型的運(yùn)行成本也在不斷變化。相比文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]的儲(chǔ)熱模型，所設(shè)計(jì)模型的運(yùn)行成本有了明顯的下降趨勢(shì)。

2)棄風(fēng)率/%

以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試將棄風(fēng)率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試3種模型具體的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同儲(chǔ)熱模型的棄風(fēng)率變化情況

綜合分析圖3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在不同的時(shí)間段內(nèi)，各個(gè)儲(chǔ)熱模型的棄風(fēng)率是完全不同的，所提儲(chǔ)熱模型的棄風(fēng)率隨著時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，最大值為14.51%，文獻(xiàn)[4]儲(chǔ)熱模型的棄風(fēng)率則一直處于忽高忽低的狀態(tài)，最大值為17.89%，文獻(xiàn)[5]儲(chǔ)熱模型的棄風(fēng)率則呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)，最大值為18.40%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)所提模型進(jìn)行儲(chǔ)熱后，促使棄風(fēng)現(xiàn)象有了十分明顯的下降趨勢(shì)。

3)煤耗量/J

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提模型的有效性，以下將系統(tǒng)原始煤炭量和經(jīng)過(guò)儲(chǔ)熱后系統(tǒng)的煤炭量進(jìn)行對(duì)比，具體的對(duì)比結(jié)果如表1所示：

表1 不同儲(chǔ)熱模型的煤耗量變化情況

綜合分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)[4]模型的系統(tǒng)煤耗量平均值為28625J，文獻(xiàn)[5]模型的系統(tǒng)煤耗量平均值為26206J，所提模型的系統(tǒng)煤耗量平均值為23008J。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相比傳統(tǒng)兩種儲(chǔ)熱模型，所設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱模型的煤炭量下降趨勢(shì)更為明顯。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提模型能夠有效控制電熱聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行成本，同時(shí)可以降低棄風(fēng)率和煤耗量，完成電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型存在的一系列問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并提出基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型。仿真結(jié)果表明，所提儲(chǔ)熱模型能夠有效降低煤炭量以及棄風(fēng)率，同時(shí)還能夠有效減少運(yùn)行成本，得到最佳儲(chǔ)熱方案。

在今后的研究中，將以電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱效率為目標(biāo)，進(jìn)一步改善基于風(fēng)電消納的電熱聯(lián)合系統(tǒng)儲(chǔ)熱模型。