一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法

摘要

一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，属于风电消纳技术领域。所述方法为：确定固态储热与储能系统优化协调控制方法；根据弃风特性、考虑电力系统和热力系统的约束条件确定固态储热与储能混合系统双层优化模型；建立固态储热与储能系统双层模型目标函数；根据混合系统运行特性建立固态储热、电池储能和电力电量平衡约束条件；确定固态储热与储能系统双层模型目标函数的模糊隶属度函数，对应每个目标函数的满意度；利用模糊算法求取两个满意度值；根据平均值，得出固态储热装置容量与效率，储能电池容量与效率最优配置结果。本发明实现了电加热、电储能与供暖解耦，利用固态储热装置，高效地解决清洁能源消纳问题。

说明书

技术领域

本发明属于风电消纳技术领域，具体涉及一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法。

背景技术

为了有效降低“三北”地区的弃风严重造成的风电能的损失，提高可再生能源的利用及环保社会效益，更是为更好解决地区能量需求与电力供应不匹配的问题，目前大多数采用的方法是蓄热锅炉加蓄热水箱的形式来解耦“以热定电”的模式，增加弃风消纳，还有将蓄电池与电锅炉相结合的形式提高弃风消纳的空间和灵活性。虽然这种模式技术比较成熟而且成本不高，但由于水的密度比较小，储存的热量会受到饱和温度的限制，会存在体积大、热效率低和控制复杂等问题。因此，近年来固态储热技术越来越多的进入高校和企业的研究热点。

传统供热主要是依靠燃料(燃煤、燃油、燃气)、电能、水等来供热，其中燃煤、燃油、燃气都会对环境产生污染。目前最常用的是热电联产供热，经济节能并较高的环境保护，但项目建设周期长，投资大，更重要的是工业不灵活，以热定电。在固态储热与储能混合系统中，很大程度上提高了风电消纳，但同时也增加了相应的成本。亟需开发出一种控制方法，解决弃风严重问题，也能提高混合系统运行的效益。

发明内容

本发明提供一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，其目的是为了解决能源生成和使用在时间上的不匹配，分析了调度模型的效用经济收益和潜在收益；固态储热消纳弃风能力有限，提高系统风电消纳能力，分析了固态储热与电储能系统多目标优化模型的整体经济性，该方法是基于规模化固态储热的多能源协调系统优化调度方法，具体是利用固态储热储能技术解决弃风消纳的方法，其通过配置电池和储热模块容量大小，即固态储热实现利用弃风电量提供清洁供热，电池储能缓冲能量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，所述方法步骤如下：

步骤一：确定固态储热与储能系统优化协调控制方法；

步骤二：根据弃风特性、考虑电力系统和热力系统的约束条件确定固态储热与储能混合系统双层优化模型；

步骤三：建立固态储热与储能系统双层模型目标函数；

步骤四：根据混合系统运行特性建立固态储热、电池储能和电力电量平衡约束条件；

步骤五：确定固态储热与储能系统双层模型目标函数的模糊隶属度函数，对应每个目标函数的满意度；

步骤六：利用模糊算法求取两个满意度值；

步骤七：根据平均值，最后得出固态储热装置容量与效率，储能电池容量与效率最优配置结果。

本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明对提升电力系统调节能力与增加弃风消纳空间，利用规模化大功率固态储热和储能消纳风电，减小系统峰谷差。整体考虑了风电出力不稳定性、解耦热电机组特点，构建了提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法优化调度模型，分析固态储热装置与储能装置在不同条件下运行的经济效益，算例表明，双层优化调度储热装置不仅可节约高峰时刻供热产生的高额电费，且能提升用能负荷水平减少机组深度调峰，最大限度提升系统风电消纳空间，总体效用收益最优。

本发明改变了传统的供热模式，实现电加热、电储能与供暖解耦，利用固态储热装置，消纳弃风储能储热，给热电厂增加额外的供暖储热能力，解耦以热定电的刚性耦合关系，增加风电可上网的空间，更好地匹配电力需求与清洁能源出力特性，高效地解决清洁能源消纳(加入电网进而被大众使用)问题；通过固态储热装置和电池储能作用的供热电力系统更加灵活、可控，固态储热装置和储能装置可以在低谷负荷时段运行，不必维持运行，增加能源利用率，缓解机组调峰压力。

附图说明

图1为模糊算法循环3130次时模型目标函数标准化满意度求解图；

图2为模糊算法循环3995次时模型目标函数标准化满意度最优解图；

图3为模糊算法循环4192次时模型目标函数标准化满意度求解图；

图4为固态储热与电储能系统上层模型结构图；

图5为固态储热与电储能系统下层模型结构图；

图6为系统运行效益优化方案结构图；

图7为固态储热与电储能系统协调优化控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。

风电消纳：风力发电接入电网输送出去并使用；固态储热：通过一些固体介质储存热量；协调调度：相互配合使得安排适当有序；弃风消纳空间：某些原因不能让风电上网的空间，电网能接受风电的空间；峰谷差：电力系统一个周期内最大负荷与最小负荷之差。

本发明采用固态储热与电池储能技术相结合，研究弃风特性，优化储热与储能容量配置的协调控制策略，如图6。考虑电力系统和热力系统的约束条件，以经济效益与功率优化分配为目标函数，建立储热与储能混合系统多目标双层优化模型，采用模糊算法求解能量协调调度最优解。合理规划出各装置的容量及功率，缓解电网调峰压力，并满足经济供暖和技术要求。

本发明将建立固态储热与电池储能混合系统，研究混合系统的协调控制和功率平衡。该系统控制方法分成两个层次，其中，下层实现固态储热装置自治运行，负责优化系统中各装置功率平衡；上层将储能充放电成本与电网电价相结合求取系统整体运行的净收益，从而得出系统运行的整体经济性，模型的求解主要采用模糊控制方法。

固态储热装置和储能装置参与风电消纳的实现方法：固态储热装置具有相对独立和分布广泛的特点，更易协调电力系统，将热力负荷转化为电力系统中可调控且规律明显的电力负荷，有利于系统在更大的时空范围内接入和消纳风电。通过固态储热装置和储能装置的优化调度，将充分提高电力系统调控水平，扩大电网清洁能源消纳空间。固态储热技术是以储热材料为媒介将电能以热能形式储存起来，解决了时空上的电供给需求间的不匹配的问题，从而最大程度地提高整个系统的能源利用水平而发展起来的一种技术；储能技术是锂电池为材料电解液为媒介将电能以化学能的形式储存起来，解决了风力发电的不稳定性，提高了电力系统的灵活性。

固态储热与电池储能系统协调调度的控制方法：主要采用追踪弃风功率控制策略，这种控制方法比恒功率运行控制方法在提高弃风消纳方面优势更强。在风能集中且用户用电低谷时，固态储热装置消纳弃风加热电阻丝加热存储热量，需要大量用热时通过空气/水换热器完成热交换释放存储的热量从而供热给用户，如果不能满足供热负荷则需要需要消耗常规电网电量，不储能电池不充电。储能电池只有在用电负荷非高峰期且在储热装置消纳弃风后仍存在弃风才储能，进一步提高弃风消纳。在用电负荷高峰期释放储存的电能，缓解用电压力。具体控制方法的流程如图7。

固态储热与电储能系统多目标双层优化模型；所述固态储热主要由：电发热体、高温蓄能体、高温热交换器、热输出控制器、耐高温保温外壳以及自动控制装置等组成。其工作原理是处于蓄热阶段时，固态储热装置接入电网，经电发热体加热高温蓄热体将热能吸收储存，直至蓄热体内温度达到预设限值或储热量满足供热需求，自动控制装置断开高压开关，使固态储热装置退出电网；处于供热阶段时，高温蓄热体经由热输出控制器和高温热交换器将储存的热能转换为热风/热水向外输送。所述储能主要由：锂电池、逆变器等组成。工作原理是处于储能阶段锂电池组接入电网，经过化学反应电能转化成化学能储存，直至储能装置达到预设限值，自动控制装置断开高压开关，使储能装置退出电网；处于供电阶段时，储能装置中的化学能转化为电能向外输送。固态储热装置和储能装置通过本发明的协调调度，达到总体经济最优。

本发明建立固态储热与储能混合系统双层优化模型，有效改善风电出力的波动性和随机性，固态储热实现利用弃风电量提供清洁供热，电池储能缓冲能量。上层优化模型主要是混合系统运行的效益，将储能充放电成本与电网电价相结合求取系统整体运行的净效益主要包括环境、供暖、调峰、节煤以及电池储能充放电成本与电网电价交换效益，如图4。下层优化模型主要是混合系统每个装置功率分配，如图5。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，所述方法步骤如下：

步骤一：确定固态储热与储能系统优化协调控制方法；

步骤二：根据弃风特性、考虑电力系统和热力系统的约束条件确定固态储热与储能混合系统双层优化模型；

步骤三：建立固态储热与储能系统双层模型目标函数；

步骤四：根据混合系统运行特性建立固态储热、电池储能和电力电量平衡约束条件；

步骤五：确定固态储热与储能系统双层模型目标函数的模糊隶属度函数，对应每个目标函数的满意度；

步骤六：利用模糊算法求取两个满意度值；

步骤七：根据平均值，最后得出固态储热装置容量与效率，储能电池容量与效率最优配置结果。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，步骤一中，所述优化协调控制方法具体流程如下：

第一步：确定固态储热与电池储能系统协调调度的控制方法主要采用追踪弃风功率控制策略，这种控制方法比恒功率运行控制方法在提高弃风消纳方面优势更强；

第二步：判断是否存在弃风，若存在弃风并在风能集中且用户用电低谷时，固态储热装置消纳弃风加热电阻丝存储热量，需要大量用热时通过空气/水换热器完成热交换释放存储的热量从而供热给用户；如果不能满足供热负荷则需要消耗常规电网电量；储能电池不充电；

第三步：判断系统运行是否满足系统供热约束条件基础上，并且在用电负荷非高峰期且在储热装置消纳弃风后仍存在弃风才储能，储能电池储存电能，进一步提高弃风消纳；若不再存在弃风，固态储热装置不储热，电池也不储能；

第四步：在用电负荷高峰期储能电池释放储存的电能，缓解用电压力，具体控制方法的流程如图7。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，步骤三中，所述目标函数的建立过程具体如下：

双层模型优化目标分别为系统运行最优收益化，固态储热与电池储能最优功率分配；整个系统的投资成本主要是固态储热设备、电池储能装置、电供热站建设和弃风电量购买；系统的收益主要是弃风消纳的环境收益、供暖收益和调峰收益；

max g

式中，g

min g

式中，g

具体的收益公式如下，都是指在一个供暖期产生的收益，且固态储热消纳弃风电量存储的热量与相应燃煤节约燃煤产生的热量相同；

(1)供暖收益

G

式中，S为总的供热面积；R

(2)环境收益

消纳弃风电量，减少煤炭的用量，进而减少了粉尘及CO

G

式中，θ为煤炭燃烧单位热量产生的CO

(3)调峰收益

固态储热与电池储能的调峰作用，风电厂要支付相应的费用；

G

式中，Q

(4)节省煤炭收益

式中，Q

(5)电价交换收益

储能电池在非负荷用电高峰期消纳弃风而存储一定的电量，当负荷高峰时段将存储的电量出售给电网，之间会产生差价进而产生交换收益。

G

式中，Q

(6)系统整体投资成本

固态储热投资成本主要是指储热装置的建设投资，电池储能投资成本主要包括容量和功率投资成本。

H

式中，C

设备在运行期间一定会产生维护费用，一般每年的维护费率为设备总额的2％。

H

式中，H

则年投资费用为：

H

式中，H

(7)购电成本

H

式中，R

(8)固态装置储热放热循环次数

式中，T为一个供暖期，“三北”地区供暖期为160～180天，这里取供暖期为176天；η

(9)电池储能充电放电循环次数

式中，η

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，步骤四中，所述的约束条件具体为：

(1)固态储热系统约束

固态储热系统运行功率满足的约束条件如下：

0≤P

式中，P

固态储热蓄热体蓄热量为：

Q

式中，c为储热单元比热容；ρ

储热容量约束条件为：

式中，Q

(2)电池储能系统约束

式中，P

(3)电力电量平衡约束

P

式中，P

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种提高风电消纳的固态储热与储能协调调度与控制方法，步骤五中，所述的隶属度函数具体为：

采用模糊算法求解模型，双层模型优化目标类型不同，分别采用不同处理方法；两层模型的模糊隶属度函数分别为：

(1)效益型，系统运行最优收益化指标就属于效益型指标；

(2)成本型，固态储热装置存、放热量循环次数和储能电池充、放电次数指标就属于成本型指标。此类型指标评估值越小越好；

以上两个式中，g

实施例1：

以吉林省地区某风电场为例，装机容量为220MW，供热负荷76251MWh。

表4-1固态储热及储能系统装置成本及相关系数表

注：电池储能售电与购电价格与固态储热的相同。

经算法计算，如图2所示经第3995次循环时，双层模型的目标函数标准化满意度达到最大值，系统的经济收益最优，年收益约为28万元。同时，固态储热与电池储能容量的配置最优，固态储热装置功率与容量配置为37.05MW和198.46MWh，电池储能功率与容量配置为4.08MW和9.77MWh。系统可消纳60％的弃风电量，大大降低了风电场的弃风率，由44％降到了14.8％。

综合分析固态储热与风电良好的互补性，电池储能解决风电的波动性，提出固态储热与储能协调控制方法，建立了固态储热与储能的多目标双层优化模型，经济效益最优及功率分配最优指标。通过实例分析及结果显示建立的模型和控制方法合理有效，提高了消纳弃风水平及整个固态储热与储能系统运行的经济效益。同时，提升了电力系统调节能力，增大了风电的上网空间，为三北地区风电充分使用提供可靠方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。