摘要：提出一种基于电蒸汽蓄热锅炉的新能源消纳方法，建立系统各单元模型，围绕电锅炉工作挡位选择、新能源消纳量等参数探究蓄热式电锅炉系统与电网及用户的互动，最后提出以风电消纳最大以及系统经济性最优为目标的优化运行策略，并以风电作为新能源形式进行案例仿真验证了该优化方法的有效性。
引言
近年来能源危机日益严重，且环境污染情况也逐年加剧，在此背景下，寻求高效且环保的新能源成为近来研究的热点。目前，分布式光伏发电技术、风力发电技术应用占比逐年增高。然而新能源发电也存在种种弊端，如光伏发电受环境和天气影响具有随机性和波动性，这种波动给电网的安全稳定运行带来极大危害，严重影响电能质量。同样的，对于风力发电技术也由于风力强弱存在随机性，因而导致弃风难以消纳。
为解决以上问题，国内外研究人员进行了许多研究。文献提出一种将抽水蓄能电站与光伏联合运行的优化模型，结果表明抽水蓄能电站可有效提高光伏消纳水平；文献在二级热网配置调峰电锅炉日调峰方案的基础上，通过优化电锅炉的电热转换启动条件，应用储热式电锅炉进一步消纳弃风，取得较为明显的效果；文献提出一种考虑高比例新能源消纳的多能源园区日前低碳经济调度模型，综合考虑储能设备和热电需求用户，构建了碳捕集和碳储备设备模型，在顾及碳排放的基础上，促进了高比例新能源的消纳；文献研究了利用储热消纳弃风的基本原理，建立了含储热的电力系统综合调度模型，通过算法优化，证明储热装置可有效提高电网的新能源消纳水平；文献提出了一种基于解耦的储能参与系能源消纳的优化控制方法，利用枚举优化和迭代潮流计算结合的方法，建立了满足提升新能源消纳目标和电网安全运行约束的储能运行紧致约束条件，优化控制方法提高了新能源和储能综合运行效益。
综合上述研究，本文提出一种基于电蒸汽蓄热锅炉的新能源消纳方法。
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基于电蒸汽蓄热锅炉的混合储能
系统构成
基于电蒸汽蓄热锅炉的混合储能系统主要由电网、热网、各新能源常规发电机组、电池储能系统、电蒸汽蓄热锅炉系统、电负荷和热负荷组成，其具体结构如图1所示。当电网难以消纳风电时，弃风电能储存在蓄电池中，当电网负荷高峰期将电池储存能量释放；同时也可以将弃风通过电蒸汽锅炉系统，将电能转化为热能储存，在热负荷高峰时对热负荷进行补充。
图1基于电蒸汽蓄热锅炉的储能系统结构
如图1所示，通过在负荷侧配置电蒸汽蓄热锅炉，提高负荷侧低谷时段的用电量，从而进行弃风消纳；而电池储能则是以电能形式进行削峰填谷，以此来提高系统调峰能力。通过控制电蒸汽蓄热锅炉、蓄电池，优化系统整体运行情况，在提高弃风消纳量的同时，也将储存的电能和热能合理利用，提高了系统的运行经济性。
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基于电蒸汽蓄热锅炉的混合储能
系统模型
基于电蒸汽蓄热锅炉的混合储能系统模型主要包含成本模型、收益模型以及各设备约束条件。
2.1成本模型
成本模型主要包含热电储能系统的建设成本、维护成本、能量传输损耗成本以及电蒸汽蓄热锅炉向电网购电成本。
热电储能系统建设成本模型为：
Eh，i、Ec，i分别为电蒸汽蓄热锅炉配置容量、电池储能容量；uh、uc分别为单位电蒸汽蓄热锅炉成本、单位电池储能成本；Ph，i、Pc，i分别为蓄热式电锅炉配置功率、电池储能功率；uph、upe分别为蓄热式电锅炉单位功率成本、电池储能单位功率成本。
热电储能系统维护成本模型为：
mfh、mfe分别为电蒸汽蓄热锅炉、电池系统单位维护成本；nh、ne分别为电蒸汽蓄热锅炉和电池系统使用寿命。
能量传输损耗成本是指能量在系统中转化及输送过程中产生的损耗成本，即：
ηe、ηh分别为电池储电效率和电蒸汽蓄热锅炉热转化的效率；Pqh、Pqe分别为电蒸汽蓄热锅炉和电池储能消纳风电电能；Cf为风电电价；Ch为输配电成本。
电蒸汽蓄热锅炉购电成本为：
Cpe为电网电价；Pgh为电蒸汽蓄热锅炉购电电量。
2.2收益模型
收益模型主要包括环保收益、热电联合系统运行收益、调峰补偿收益以及消纳风电供电供热收益。
环保收益主要体现在电加热蒸汽锅炉系统供热抵消传统锅炉燃煤废气治理成本和电池储能供电抵消传统火电机组生产对环境污染治理成本，其数学模型为：
Pen为环保治理费用；Che为热电联产机组单位产热的废气治理成本；Kf为煤炭单价；b为机组煤耗率。
热电联合系统运行收益是指系统接纳新能源售电及联合系统售热所得收益，具体数学模型为：
Cf为风电购电电价；KE为系统向外供热的价格。
热电联合系统调峰补偿收益是指系统发挥调峰作用所获补贴的收益，具体模型为：
ps为单位补偿价格；Rsub为调峰补贴效益。消纳风电供电供热收益体现在节约传统火电以及传统锅炉的煤耗上，具体模型为：
Pqe为电池储存弃风电能供电功率替代传统火电机组供电功率；Pqh为代替燃煤锅炉供热功率；μcfu为传统锅炉的煤耗率；μcu为传统火电机组的煤耗率；pc为煤炭单价。
2.3约束条件
约束条件为系统正常运行所需满足的条件，主要包括电蒸汽蓄热锅炉的运行功率约束和电池储能系统的运行状态约束。
约束条件分为电加热蒸汽锅炉功率约束和蒸汽蓄热器热功率约束2部分，电蒸汽蓄热锅炉的运行功率约束模型具体为：
Peb，max为电蒸汽蓄热锅炉最大运行功率；PHS，out，max(t)、PHS，in，max(t)分别为蒸汽蓄热器最大放热功率和最大储热功率。
约束条件分为电池充放电功率约束和电池容量约束，电池储能系统的运行状态约束模型具体为：
Pcha(t)、Pdis(t)分别为电池t时段的充电功率和放电功率；St为t时段电池荷电状态；Stmin、Stmax为电池荷电状态的上、下限。
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基于电蒸汽蓄热锅炉的混合储能
系统优化控制策略
传统利用电蒸汽蓄热锅炉消纳弃风等新能源一般采用锅炉跟踪弃风模式，当弃风功率变化频繁时，锅炉挡位调节频繁，极大影响了锅炉正常使用寿命，为此，本文提出采用电蒸汽蓄热锅炉与电池储能系统协调运行策略，同时优化锅炉挡位调节，从而提高弃风消纳效率并延长设备使用寿命。
3.1热电单元优化运行策略
3.1.1电蒸汽蓄热锅炉挡位优化
弃风功率具有随机性且变动频繁，当弃风功率恰好处在2个相邻工作挡位之间时，怎样选择电锅炉的工作挡位是解决问题的关键。
传统的以锅炉功率跟踪弃风功率的工作模式仅考虑了电锅炉的运行功率，忽略了蒸汽蓄热器的储热状态。因此，本文借鉴种群算法思想，将蒸汽蓄热器的储热状态纳入考虑范围内。根据优胜劣汰的选择机制，保留种群中适应性强的个体而淘汰适应性差的个体，将电锅炉的工作挡位与蒸汽蓄热器的储热状态建立强相关关系，从而根据蒸汽蓄热器的储热状态选择电锅炉的工作挡位。
电蒸汽蓄热锅炉在满足系统供热需求的前提下，建立挡位优化概率公式，根据实时计算的概率大小决定电锅炉工作挡位，即当蒸汽蓄热器储量越高时，电锅炉工作在低一级挡位的概率越高；同理，当蒸汽蓄热器储热量越低时，电锅炉则大概率工作在高一级的挡位。这种运行模式大大降低了电锅炉在消纳弃风时、追踪弃风功率时的挡位调节次数，在保证最大化经济效益的同时，也提高了系统正常使用寿命。
挡位选择概率不仅与蒸汽蓄热器的储热状态有关，同时也受到负荷峰谷状态的影响，在考虑时应把负荷的影响考虑在内。电锅炉的挡位概率为：
F1(x)为电锅炉工作在较高挡位的概率；F2(x)为电锅炉工作在较低挡位的概率；x为蒸汽蓄热器的储热状态。
式(13)中各变量具体数学公式为：
λ(x)为选择条件函数；δ(x)为风电功率函数；γ(x)为负荷状函数；Ptrg为t时刻风电功率；Mz为电锅炉挡位总数；PGmax、PGmin为电锅炉最大、最小挡位功率。
3.1.2混合储能系统优化运行策略
当系统吸纳弃风时，存在电蒸汽蓄热锅炉和电池系统参与动作，二者的动作优先性取决于其单位效益，二者的单位效益函数为：
Eh/e为蒸汽蓄热器和电池系统相应储能容量。实际运行时，分别计算2种储能系统的单位效益，单位效益高的系统优先运行。
3.2优化目标函数
为了尽可能使电蒸汽蓄热锅炉最大化消纳弃风，建立以弃风功率消纳最大为目标的优化控制模型，使其尽可能跟踪弃风功率。以弃风功率消纳最大为目标的目标函数为：
在混合储能系统中，还要考虑系统收益，以系统收益最大为目标的目标函数为：
3.3优化求解平台及算法
以上问题可以归结为整数线性规划寻优问题。在MATLAB平台上调用CPLEX软件对上述模型进行求解。CPLEX可以求解二次规划、线性规划等规划问题，其具体流程如图2所示。
图2优化求解流程
在优优求解中，首先输入初始数据，包括弃风、电热负荷等，建立优化运行模型以及系统各约束条件，建立优化目标函数，通过算法进行求解寻优，若所得结果不是最优解或者未处于约束条件范围内则重复调用CPLEX求解，直到求得最优解。
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算例仿真分析
4.1仿真条件
以某地区风电厂为例，给出以下仿真条件：
a.风电电价121元/(MW·h)；售热价格为147元/(MW·h)。
b.电蒸汽蓄热锅炉寿命20a，单位功率价格为40万元/MW，转换效率为97%；蒸汽蓄热器单位容量价格10万元/(MW·h)；电池寿命15a，转换效率为89%，单位功率价格为165万元/MW，单位容量价格为151万元/(MW·h)。
c.火电以及热电联产机组的环保治理费用为132元/(MW·h)，煤炭价格为450元/t，机组煤耗率为0.143t/(MW·h)。
d.电蒸汽蓄热锅炉维护成本为20元/(MW·d-1)，蒸汽蓄热器维护成本为16元/(MW·h·d-1)，电池系统维护成本为155元/(MW·h·d-1)；调峰补贴为130元/(MW·h·d-1)。e.电蒸汽蓄热锅炉容量为140MW·h，功率为24MW，且电锅炉工作在9个挡位，每个挡位功率差为3MW；电池储能系统容量为75MW·h，功率为10MW。
4.2仿真结果
本文采用2种运行方式进行仿真：方式1为电蒸汽蓄热锅炉跟踪弃风功率运行；方式2为本文提出的包含挡位优化的混合储能优化控制策略。方式1运行结果如图3所示。由图3可知，采用电蒸汽蓄热锅炉功率跟踪弃风功率的运行方式，弃风功率消纳情况较好，但仍有优化空间。可以看到，该运行方式下电锅炉的挡位调节非常频繁，一天内达到了20次，这极大影响了锅炉挡位调节装置寿命，也降低了系统运行稳定性。
图3方式1运行情况仿真结果
采用本文提出的包含挡位优化的混合储能优化控制策略，其运行仿真结果如图4所示。
图4方式2运行情况仿真结果
由图4可知，在加入电池储能系统后，在电蒸汽蓄热锅炉挡位调节间隙，可以由电池储能系统消纳部分弃风功率，使得系统弃风消纳量进一步提高，可以看到二者功率之和基本可以覆盖弃风功率，且电蒸汽蓄热锅炉的挡位调节次数较运行方式1有显著改善，该运行状态下的挡位调节次数仅有15次，可有效延长电蒸汽蓄热锅炉的使用寿命，同时由于加入了电池储能系统，增加了储能动作选项，提高了系统灵活性。
蒸汽蓄热器的容量状态曲线和电池储能系统的容量状态曲线如图5和图6所示。
图5蒸汽蓄热器容量曲线
图6电池储能容量状态曲线
由图5和图6可知，每日0—6：00和22：00—24：00时段电蒸汽蓄热锅炉消纳弃风功率的收益较高，电蒸汽蓄热锅炉系统和电池储能系统的动作优先性由式(17)决定。从直观上来看，负荷低谷时段且弃风功率较大，此时优先动作设置容量更大的电蒸汽蓄热锅炉系统整体经济性更好，因此电蒸汽蓄热锅炉的动作优先性较高，电锅炉按照优化挡位调节方式动作，蒸汽蓄热器的储热量上升，但此时处于热负荷低谷时段，仅由蒸汽蓄热器储热而未向外供热，此时很容易达到蓄热器的储热极限，因此此时电池储能系统同时动作消纳弃风，由图6可以看到电池电量同时上升。每日7：00—11：00以及18：00—22：00时段处于用电用热高峰时段，此时蒸汽蓄热器向外供热且电池向外供电，蓄热器容量和电池容量下降。在上述工作模式下，负荷高峰期可以更多售电和售热，负荷低谷期可以尽可能消纳弃风，从而使系统运行经济性达到最优。
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结束语
本文针对含有新能源的综合能源系统的新能源消纳问题，提出了基于电蒸汽蓄热锅炉的优化运行策略。通过建立热电混合储能系统模型，结合电蒸汽蓄热锅炉挡位选择优化，在尽可能消纳新能源的同时，保证了系统运行的经济性。仿真结果表明：
a.电蒸汽蓄热锅炉可以一定程度上缓解弃风功率问题，在系统加入电储能系统后，提高了系统运行灵活性，进一步提高了弃风消纳量。
b.算法加入了针对电蒸汽蓄热锅炉的挡位选择优化，在所提出的优化运行方式下挡位调节次数明显降低，有效延长了电锅炉的使用寿命。
c.优化运行策略兼顾了风电消纳和系统经济性，在有效提高弃风消纳量的同时使得系统的收益最大化。
本文作者：国网江苏省电力有限公司常州供电分公司：袁俊球，柴婷逸，李敏，谈诚，许一川。
