促进风电消纳的电储能及辅助供热设备效益优化计算方法与流程

1.本发明涉及燃煤热电联产机组、电储能及辅助供热设备提升电力系统风电消纳能力的技术领域，尤其是电储能、辅助供热设备在应用于提升风电消纳水平时综合效益的计算。


背景技术：

2.我国的风电装机容量主要分布在西北、华北和东北地区，总称三北地区，三北地区风电并网容量占全国总风电并网容量的比重高达70％以上，然而这些地区的弃风问题也最为严重。导致三北地区弃风严重的关键因素是电力系统调峰能力不足。三北地区电源结构中燃煤火电机组占比高达71％左右，火电机组中又以燃煤热电联产机组为主，电力系统的调峰能力基本由热电联产机组决定。然而三北地区对集中供热需求高，一年中大约有120天～180 天的时间，热电联产机组必须以供热优先，无法灵活调整电出力，被迫拉低了电力系统调峰能力。
3.为了改善三北地区电力系统的调峰能力，提高风电消纳量，主流的解决措施有两类：一是直接措施，利用电储能设备直接消纳富余风电；二是间接措施，利用辅助供热设备，通过解耦热电约束，缓解热电联产机组的供热压力，使其能够下调电出力，为风电出让消纳空间。电储能、辅助供热设备都能达到提高风电消纳量的目的，但消纳相同容量的风电需要的设备容量并不相同，对热电联产机组的运行也会产生不同的影响，因而从电力系统的整体角度出发，安装不同的设备需要的投资成本及收获的运行效益存在较大差异，有必要对不同设备的应用经济性进行量化对比，帮助投资者按需选择最合适的设备。另外，在电储能设备中，抽水蓄能、压缩空气储能、电制氢储能是目前最具潜力的可商用化的大型储能设备。在辅助供热设备中，使用较广泛的主要是储热罐和电制热设备，其中电制热设备又以电锅炉和电热泵应用最多。
4.针对我国集中供暖区域严重的弃风问题，一方面可以利用电储能设备直接储存富余风电；另一方面可以借助辅助供热设备协助燃煤热电联产机组共同供热，从而缓解供热需求对热电联产机组运行出力的严格约束，使得热电联产机组可以灵活调节电出力，为风电出让消纳空间。电储能、辅助供热设备种类较多，为了在提高风电消纳水平的同时也能获得良好的经济效益，需要对不同种类设备的经济效益进行对比分析。考虑到增加消纳的风电替代了更多燃煤热电联产机组的电出力，由此减少了煤耗和碳排放量，因此在比较电储能及辅助供热设备的经济效益时，需要计算节煤效益、碳减排效益以及设备的投资成本，建立综合效益模型，但现有技术中目前缺少对各种电储能及辅助供热设备在提升风电消纳水平方面的综合效益进行量化对比的方法。
5.发明的内容
6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明要目的在于提供一种促进风电消纳的电储能及辅助供热设备综合效益优化计算方法。
7.本发明的技术方案为：一种促进风电消纳的电储能及辅助供热设备效益优化计算
方法，包括如下步骤：
8.步骤1：以抽水蓄能为代表，计算电储能设备产生的积极效益及电储能设备的投资成本,电储能设备的积极效益减去加装电储能设备的投资成本得到电储能设备综合效益；
9.步骤2：计算考虑煤耗变化的储热罐设备产生的积极效益，计算加装储热罐产生的投资成本，储热罐设备产生的积极效益减去加装储热罐产生的投资成本得到储热罐设备综合效益；
10.步骤3：以电锅炉为代表,计算电制热设备产生的积极效益,计算加装电锅炉产生的投资成本,电制热设备产生的积极效益减去加装电锅炉产生的投资成本得到电制热设备综合效益；
11.步骤4：通过步骤1、2、3得到的不同设备的综合效益模型,确定与综合效益相关的变量；
12.步骤5：改变步骤4中确定的与综合效益相关的变量水平，在相同变量水平下对各类设备的综合效益进行量化对比，优选出综合效益好的设备。
13.所述步骤1具体方法为：
14.电储能设备的作用原理均相同，均为直接贮存风电，以抽水蓄能为代表给出计算方法，其他类型电储能设备的计算过程相同；在一个调度周期内，电储能设备存储的富余风电释放时，热电联产机组的电出力将有一部分被多消纳的风电替代，从而节约了热电联产机组的煤耗、减少了碳排放，将节煤效益和碳减排效益总称为积极效益，计算如下：
[0015][0016]
式中，表示抽水蓄能带来的积极效益；c
coal
为标煤价格；c
carbon
为碳排放价格；α为每吨标煤的碳排放系数；p
coal
为热电联产机组平均发电煤耗；η
phs
代表抽水蓄能设备的能源转换效率；t为调度时段；δt为调度时段时长；t 为调度周期；为t时段通过抽水蓄能设备增加的风电消纳功率；为一个调度周期内通过抽水蓄能总共增加的风电消纳功率；
[0017]
电储能设备的投资成本包括设备成本和维护成本，将设备投资成本在寿命年限内折算到天计算，公式如下：
[0018][0019]
式中，为抽水蓄能折算成本；为抽水蓄能设备存储容量；y
phs
为寿命年限；r为银行贴现率；d为一年的折算天数；维护成本按设备成本的一定比例进行计算，将比例系数称为维护费用比率，记为ε
phs
；c
phs
为抽水蓄能设备单位容量价格；
[0020]
将积极效益减去投资成本得到综合效益，记为公式如下：
[0021][0022]
进一步的，所述步骤2具体方法为:
[0023]
当电力系统内除热电联产机组外的其他所有发电机组已运行在最小出力工况时，利用储热罐进一步增加风电消纳量则只能依靠热电联产机组降低电出力，此时在t时段热电机组减少的电出力即等于增加的风电消纳功率，关系式如下：
[0024][0025]
式中，为t时段通过储热罐增加的风电消纳功率；δp
i,t
为第i台热电联产机组降低的电出力；i为热电机组台数；
[0026]
在供暖期，热电联产机组长时间运行在最小凝气工况，其电、热出力满足约束式：
[0027][0028]
式中，p
i,t
和q
i,t
分别为第i台热电联产机组在t时段的电出力和热出力；和bi为电、热出力的关系系数；由此可以得到在t时段，风电消纳功率的增加量与需要降低的热电联产机组热出力之间的关系式为：
[0029][0030]
式中，δq
i,t
为第i台热电联产机组在t时段降低的热功率；k
av
为所有热电联产机组最小凝汽工况斜率的替代值；
[0031]
在利用储热罐时，增加的风电消纳量均是通过热电联产机组降低电出力得到，因此热电联产机组电出力煤耗会降低；但由于储热罐蓄放热过程中存在部分能量损耗，热电联产机组提供给储热罐的能量会略大于其在参与调峰时降低的热出力，热出力煤耗会略微增加；考虑到两部分煤耗变化的积极效益计算公式为：
[0032][0033]
式中，为储热罐的积极效益；η
hs
为储热罐的能量转换效率；q
coal
为热电联产机组的平均供热煤耗；为t时段储热罐提供的热功率；
[0034]
加装储热罐产生的投资成本在寿命期内折算到天为：
[0035][0036]
式中，为储热罐折算成本；为储热罐能量容量，功率容量为理想值；ε
hs
、c
hs
、y
hs
分别为储热罐的维护费用比率、单位容量价格、寿命年限,r 为银行贴现率,d为一年
的折算天数,δt为调度时段时长；
[0037]
最后得到储热罐综合效益，记为计算式如下：
[0038][0039]
进一步的，所述步骤3具体方法为：
[0040]
电锅炉和电热泵在促进风电消纳方面的作用原理一致，都是消耗富余风电制热，因此这里以电锅炉为代表给出计算方法，电热泵的计算过程相同；在t时段，由于电锅炉供热，热电联产机组可减少的供热功率及供电功率分别记为和p
treduce
，计算式为：
[0041][0042]
式中，η
eb
、和分别为电锅炉能量转换效率、功率容量、t时段的容量利用率，在无弃风的时段，容量利用率为零；t时段电制热设备耗电功率加上热电联产机组减少的电出力等于通过电锅炉增加的风电消纳功率
[0043][0044]
在一个调度周期内，根据公式(10)和(11)可得：
[0045][0046]
在满足富余风电消纳需求的同时，为了尽量减小电锅炉的容量需求，应对容量选择进行优化：
[0047][0048]
s.t.表示限制条件，经过公式(13)的优化求解之后可以得到电锅炉容量；由于热电联产机组同时减少供热量及供电量带来的积极效益记为得：
[0049][0050]
加装电锅炉产生的投资成本在寿命期内折算到天记为得：
[0051][0052]
式中，ε
eb
、c
eb
、y
eb
分别为电锅炉的维护费用比率、单位容量价格、寿命年限，r为银行贴现率，最后，得到电锅炉的综合效益，记为计算式如下：
[0053][0054]
式中，表示关于和δt的函数表达式。
[0055]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0056]
本发明的促进风电消纳的电储能及辅助供热设备效益优化计算方法，构建不同种类设备的综合效益模型，优先出综合效益佳的设备，带来更好的综合效益；
附图说明
[0057]
表1是本发明较佳实施例不同设备的参数设置表；
[0058]
表2是本发明较佳实施例其他经济参数设置表；
[0059]
图1是本发明较佳实施例按弃风最小方案调度时各类机组的电出力水平图；
[0060]
图2是本发明较佳实施例风力发电及消纳曲线图；
[0061]
图3是本发明较佳实施例三种电储能和储热罐设备能量容量的变化情况图；
[0062]
图4是本发明较佳实施例电锅炉和电热泵设备功率容量的变化情况图；
[0063]
图5是本发明较佳实施例不同设备的投资成本变化情况图；
[0064]
图6是本发明较佳实施例不同设备的积极效益变化情况图；
[0065]
图7是本发明较佳实施例综合效益变化曲线图。
具体实施方式
[0066]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的，并不用于限定本发明的。此外，下面所描述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0067]
一种促进风电消纳的电储能及辅助供热设备效益优化计算方法，包括如下步骤：
[0068]
步骤1：以抽水蓄能为代表，计算电储能设备产生的积极效益及电储能设备的投资成本,电储能设备的积极效益减去加装电储能设备的投资成本得到电储能设备综合效益；
[0069]
具体方法为：
[0070]
电储能设备的作用原理均相同，均为直接贮存风电，以抽水蓄能为代表给出计算方法，其他类型电储能设备的计算过程相同；在一个调度周期内，电储能设备存储的富余风电释放时，热电联产机组的电出力将有一部分被多消纳的风电替代，从而节约了热电联产机组的煤耗、减少了碳排放，将节煤效益和碳减排效益总称为积极效益，计算如下：
[0071]
[0072]
式中，表示抽水蓄能带来的积极效益；c
coal
为标煤价格；c
carbon
为碳排放价格；α为每吨标煤的碳排放系数；p
coal
为热电联产机组平均发电煤耗；η
phs
代表抽水蓄能设备的能源转换效率；t为调度时段；δt为调度时段时长；t 为调度周期；为t时段通过抽水蓄能设备增加的风电消纳功率(后续公式中δw
con,t
表示t时段内增加的风电消纳功率，不同上标表示相应设备引起增加的风电消纳功率，在对比不同设备的综合效益时，不同上标δw
con,t
取相同值)；为一个调度周期内通过抽水蓄能总共增加的风电消纳功率；
[0073]
电储能设备的投资成本包括设备成本和维护成本，将设备投资成本在寿命年限内折算到天计算，公式如下：
[0074][0075]
式中，为抽水蓄能折算成本；为抽水蓄能设备存储容量；y
phs
为寿命年限；r为银行贴现率；d为一年的折算天数；维护成本按设备成本的一定比例进行计算，将比例系数称为维护费用比率，记为ε
phs
；c
phs
为抽水蓄能设备单位容量价格；
[0076]
将积极效益减去投资成本得到综合效益，记为公式如下：
[0077][0078]
步骤2：计算考虑煤耗变化的储热罐设备产生的积极效益，计算加装储热罐产生的投资成本，储热罐设备产生的积极效益减去加装储热罐产生的投资成本得到储热罐设备综合效益；
[0079]
具体方法为:
[0080]
当电力系统内除热电联产机组外的其他所有发电机组已运行在最小出力工况时，利用储热罐进一步增加风电消纳量则只能依靠热电联产机组降低电出力，此时在t时段热电机组减少的电出力即等于增加的风电消纳功率，关系式如下：
[0081][0082]
式中，为t时段通过储热罐增加的风电消纳功率；δp
i,t
为第i台热电联产机组降低的电出力；i为热电机组台数；
[0083]
在供暖期，热电联产机组长时间运行在最小凝气工况，其电、热出力满足约束式：
[0084][0085]
式中，p
i,t
和q
i,t
分别为第i台热电联产机组在t时段的电出力和热出力；和 bi为电、热出力的关系系数；由此可以得到在t时段，风电消纳功率的增加量与需要降低的热电联产机组热出力之间的关系式为：
[0086][0087]
式中，δq
i,t
为第i台热电联产机组在t时段降低的热功率；k
av
为所有热电联产机组最小凝汽工况斜率的替代值；
[0088]
在利用储热罐时，增加的风电消纳量均是通过热电联产机组降低电出力得到，因此热电联产机组电出力煤耗会降低；但由于储热罐蓄放热过程中存在部分能量损耗，热电联产机组提供给储热罐的能量会略大于其在参与调峰时降低的热出力，热出力煤耗会略微增加；考虑到两部分煤耗变化的积极效益计算公式为：
[0089][0090]
式中，为储热罐的积极效益；η
hs
为储热罐的能量转换效率；q
coal
为热电联产机组的平均供热煤耗；为t时段储热罐提供的热功率；
[0091]
加装储热罐产生的投资成本在寿命期内折算到天为：
[0092][0093]
式中，为储热罐折算成本；为储热罐能量容量，功率容量为理想值；ε
hs
、c
hs
、y
hs
分别为储热罐的维护费用比率、单位容量价格、寿命年限,r 为银行贴现率,d为一年的折算天数,δt为调度时段时长；
[0094]
最后得到储热罐综合效益，记为计算式如下：
[0095][0096]
步骤3：以电锅炉为代表,计算电制热设备产生的积极效益,计算加装电锅炉产生的投资成本,电制热设备产生的积极效益减去加装电锅炉产生的投资成本得到电制热设备综合效益；
[0097]
具体方法为：
[0098]
电锅炉和电热泵在促进风电消纳方面的作用原理一致，都是消耗富余风电制热，因此这里以电锅炉为代表给出计算方法，电热泵的计算过程相同；在t时段，由于电锅炉供热，热电联产机组可减少的供热功率及供电功率分别记为和p
treduce
，计算式为：
[0099][0100]
式中，η
eb
、和分别为电锅炉能量转换效率、功率容量、t时段的容量利用率，在无弃风的时段，容量利用率为零；t时段电制热设备耗电功率加上热电联产机组减少的电
出力等于通过电锅炉增加的风电消纳功率
[0101][0102]
在一个调度周期内，根据公式(10)和(11)可得：
[0103][0104]
在满足富余风电消纳需求的同时，为了尽量减小电锅炉的容量需求，应对容量选择进行优化：
[0105][0106]
min表示目标为取最小值，s.t.表示限制条件，经过公式(13)的优化求解之后可以得到电锅炉容量；由于热电联产机组同时减少供热量及供电量带来的积极效益记为得：
[0107][0108]
加装电锅炉产生的投资成本在寿命期内折算到天记为得：
[0109][0110]
式中，ε
eb
、c
eb
、y
eb
分别为电锅炉的维护费用比率、单位容量价格、寿命年限，r为银行贴现率，最后，得到电锅炉的综合效益，记为计算式如下：
[0111][0112]
式中，表示关于和δt的函数表达式。
[0113]
步骤4：通过步骤1、2、3得到的不同设备的综合效益模型,确定与综合效益相关的变量；
[0114]
步骤5：改变步骤4中确定的与综合效益相关的变量水平，在相同变量水平下对各类设备的综合效益进行量化对比，优选出综合效益好的设备。
[0115]
下面结合实际应用中某电网的电源及负荷数据，详细说明本发明的实施方法。本实施算例中的机组组成为：热电联产机组总计1000mw，含2 台300mw机组以及2台200mw机组。纯凝火电机组及水电机组总容量分别为1800mw和90mw。其他类型机组总容量为260mw，
风电最大出力为900mw。表1和表2分别列出了6种设备的参数，分别为抽水蓄能 (phs)、压缩空气储能(caes)、氢储能(hes)、蓄热罐(hs)、电锅炉(eb)、电热泵(hp)。
[0116]
表1
[0117]
参数phscaesheshsebhp转换效率/％85％71％42％99％98％350％寿命年限/年504015502020维护比率/％0.9％0.46％1％0.5％0.5％1％单位价格/$/kwh79461515.8150870
[0118]
表2
[0119][0120][0121]
由于弃风常发生在夜间及凌晨，因此将调度起止时段设为当日9a.m. 至次日8a.m.，调度时段为一小时。电负荷需求范围为2300mw至2700 mw，热负荷需求范围为910mw至1100mw。附图1显示了按弃风最小方案调度时各类机组的电出力水平，附图2显示了风电消纳曲线，其中阴影部分表示含弃风的时段，为22:00p.m.至次日7:00a.m.，总弃风电量为 1884mwh。
[0122]
每天风力发电水平不同，综合效益计算结果也不同。鉴于综合效益主要由增加的风电消纳总量决定，因此有必要对比不同消纳水平下的设备经济性。将增加的风电消纳量按总弃风电量的10％变化至100％(最高 1884mwh)，得到不同风电消纳水平下附加设备的容量变化结果。附图3显示了三种电储能和储热罐设备能量容量的变化情况，附图4显示了电锅炉和电热泵设备功率容量的变化情况。随着风电消纳需求的增加，各类设备容量也不断增大。对于容量型储能设备，以水为储能介质的储热罐所需的空间远大于电能，因此储热装置的容量远大于储电装置；对于功率型制热设备，电锅炉的能量转换效率低于电热泵，因此电锅炉容量远大于电热泵。
[0123]
附图5和附图6分别显示了不同设备的投资成本和积极效益的变化情况。根据附图5可知，虽然储热罐所需容量很大，但因其单价低廉，投资成本为所有设备中最低，相反，电制氢储能的投资成本远高于其他设备。电热泵单价较高，在投资成本上并不占优势，但因其突出的能源利用效率，电热泵产生的积极效益高于其他设备。根据附图6，积极效益仅次于电热泵的为储热罐，排名最差的为电制氢储能。
[0124]
积极效益减去投资成本得到综合效益，附图7显示了综合效益变化曲线，综合效益与风电消纳水平近乎呈线性关系。其中，电热泵虽然成本稍高，但因产生的积极效益高，最终综合效益仍均优于其他设备。其次是热储能装置，储热罐的能源利用效率比电储能装置高，会产生更高的节煤及碳减排效益，且投资成本低，弥补了容量需求大的劣势，最终获得
良好的综合效益。电锅炉的积极效益比电储能设备低，但因其能源利用率高，电锅炉的综合效益仍略胜于电储能。在所有设备中，电制氢设备不仅能源利用效率低，积极效益落后其他设备，且投资成本最高，导致其出现了负的综合效益，表明电制氢设备在提高系统调峰能力方面的经济性尚且不足。
[0125]
上述分析虽然是在一天的时间尺度内，但通过改变不同的风电消纳水平，已体现了投资成本、积极效益、综合效益跟随风电消纳量变化的趋势。即使时间尺度扩大到一年或更长，也只是影响总的风电消纳量，只会改变成本、效益计算的最终数值，并不会影响对比趋势，因此最终可以给出不同设备的经济效益排名：投资电热泵的经济效益最佳，其次是储热罐、电锅炉、压缩空气储能、抽水蓄能、电制氢储能。
[0126]
需要说明的是，本说明书中不同公式中相同符号、参数均表示相同含义。
[0127]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。