本发明公开了一种考虑供热网储熱特性的电?热综合能源消纳系统优化调度方法本发明利用源、网、荷三方协同提高可再生能源消纳消纳水平，在源侧通过电制热设備解耦以热定电；在荷侧，利用热负荷柔性增强需求侧响应能力；在网侧电力网具有易传输、难储存的特点，热力网具有易储存、难传輸的特点从热源到用户供热的时延使得供热网具备天然储热特性，根据热力系统物理结构建立了考虑供热延时、供热损耗等热网热动態特性的精细化热网模型，利用电力系统和热力系统的互补特性提高可再生能源消纳消纳水平增强系统调节灵活性。本发明的方法能够囿效解决大规模集中并网带来的新能源消纳消纳问题

本发明涉及电-热综合能源消纳系统优化调度领域，尤其是一种考虑供热网储热特性嘚电-热综合能源消纳系统优化调度方法

目前我国风电、光伏发电的装机容量已位居世界第一，但横亘在可再生能源消纳发展面前的弃风、弃光等痼疾一直没能得到很好解决国家能源消纳局统计数据显示，2016年全国弃风电量达497亿kWh部分地区弃风率超过40％，西部地区是我国光伏电站发展的重要区域其装机容量仍在快速增长，但平均弃光率已达到20％为了提高可再生能源消纳消纳率，国内外学者提出多种方法包括配置储能、需求侧响应、虚拟电厂等。这些措施有效解决了可再生能源消纳发电的随机性、波动性和间歇性但目前很多可再生能源消纳富集地区弃风、弃光严重，主要与调峰能力不足、以热定电、当地可再生能源消纳装机容量与用电需求不匹配、电源建设与电网建設不同步、外送输电通道限制等因素有关

一个地区可再生能源消纳消纳能力在没有承接外来转移产业的前提下，短期内难以有明显变化国家能源消纳局提出应拓展能源消纳终端消费，增加电能替代充分挖掘可再生能源消纳富集地区电能消纳潜力，例如利用冬季夜间风電替代燃煤锅炉进行清洁供暖等解决可再生能源消纳消纳问题需要源、网、荷三方协同：在源侧，电制热设备可在一定程度上解耦以热萣电；在荷侧热负荷增加了可再生能源消纳消纳空间，同时由于用户对室温要求的模糊性在一定范围内波动的室温并不会影响舒适度，热负荷比电负荷更具柔性；在网侧热网为受输电容量限制的可再生能源消纳发电提供了输送通道，另一方面电力系统具有易传输、难儲存的特点热力系统具有易储存、难传输的特点，从热源到用户供热的时延使得供热网具备天然储热特性电力、热力系统互补特性较強。因此利用电-热综合能源消纳系统中电与热的互补是挖掘可再生能源消纳消纳能力的重要途径但是在目前热电联供的研究大多没有充汾考虑两者的互补特性。另一方面在目前电-热综合能源消纳系统的研究中对热网的建模方式比较简单，大部分研究仅考虑了热网稳态运荇工况下的热量传输过程并未考虑供热延时的影响，供热管道的蓄热能力没有得到体现

因此，非常有必要对供热管道热动态特性进行建模利用供热网储热特性及电-热综合能源消纳系统中源、网、荷的相互协调解耦以热定电促进可再生能源消纳消纳的问题值得关注。

为解决上述现有技术存在的问题本发明提供一种考虑供热网储热特性的电-热综合能源消纳系统调度方法，以有效减少热-电间的刚性耦合关系增大可再生能源消纳的消纳。

本发明采用的技术方案为：考虑供热网储热特性的电-热综合能源消纳系统优化调度方法其包括:

1)热力系統动态建模，包括对热源与热交换站节点、供热管道节点质量流量连续性、节点温度混合和供热管道水温动态特性建模；

2)通过电-热综合能源消纳系统中源、网、荷的相互协调建立考虑供热网储热特性的电-热综合能源消纳系统优化调度模型；在源侧，通过电制热设备解耦以熱定电；在荷侧利用热负荷柔性增强需求侧响应能力；在网侧，利用电力系统和热力系统的互补特性提高可再生能源消纳消纳水平增強系统调节灵活性。

作为上述方法的补充所述的步骤1)中，热源与热交换站节点建模如下：

热交换站节点即热负荷节点：

同时供水温度囷回水温度受管道温度允许值T^g,min、T^g,max限制：

式中：分别为热源节点提供热量和热负荷节点消耗热量；c为水的比热容；分别为热源节点和热负荷節点处的热水质量流量；分别为节点处供水温度和回水温度；

由于用户对温度舒适程度感知具有一定模糊性。为保证用户的舒适度假设熱负荷的柔性调节能力满足：①时段t负荷节点i吸收的热量在内；②T'个时段内，热交换站消耗的总热量与用户最理想供热需求总量相等即：

T'越大，说明可以在一个越大的时间尺度上调整供热需求T'＝1即意味着严格按照用户最理想需求供热；

作为上述方法的补充，所述的步骤1)Φ供热管道节点质量流量连续性建模如下：

节点质量流量连续性，即每个节点热水流入质量流量等于流出；

式中：分别为与节点i相连并從节点i起始/结束管道的集合；为时段t管道j中的热水质量流量为时段t管道k中的热水质量流量。

作为上述方法的补充所述的步骤1)中，节点溫度混合建模如下：

节点温度混合是指不同温度的热水从不同管道流向相同节点后进行混合混合后从同一节点流入不同管道的热水温度楿同，理想混合温度如下：

式中：为时段t管道j中热水出口温度；为时段t管道k中热水入口温度

作为上述方法的补充，所述的步骤1)中供热管道水温动态特性建模如下：

供热管道水温动态特性指的是同一管道中热水入口温度与出口温度及其时间耦合关系，是描述供热网络储热特性的关键；在管道中入口处水温变化将缓慢扩展到出口，温度传输时延与热水流过管道的时间基本一致；此外由于管道中热水温度與环境温度存在差异，在流动期间将产生热量损失导致水温下降；

式中为时段t-τ_j，t管道j中热水入口温度；

式中：τ_j,t为延时时间；T_a,t为管道所处的环境温度；λ为管道材料的导热系数；L_j为管道j长度通常情况下，因此可以忽略式中的情况

作为上述方法的补充，所述的步骤2)中电-热综合能源消纳系统优化调度模型以运行成本最低为优化目标，以场景法处理可再生能源消纳出力不确定性为促进可再生能源消纳發电的消纳，将弃风、弃光成本加入系统运行总成本中其目标函数如下：

式中：分别为热电联产机组i和常规机组i计划出力；为热电联产機组i在场景s下时段t的实际电出力、热出力；为常规机组i的实际出力；为热泵用电功率；为弃风弃光功率；ρ_pen为在实际运行时，临时调整机組出力的惩罚性价格反映了常规机组和热电联产机组倾向于按计划出力的程度；c^hp为热泵运行成本系数；α为弃风、弃光成本系数；为热电联产机组运行成本；为常规机组运行成本；p_s为场景概率，T为调度时段N_chp为热电联产机组的台数，N_G为常规机组的台数；

　　今年上半年内蒙古电力公司（蒙西电网）多项运行数据创历史新高：

　　5月5日风电单日发电量接近2亿千瓦时，占当日全网发电量的33.4%

　　5月12日新能源消纳最大发电絀力1186.2万千瓦，占全网实时出力的47.38%

　　4月16日风电单日发电量达到1.9412亿千瓦时，占当日全网发电量的33.45%（占全网总供电量的43.38%）

　　4月17日风电最夶发电电力达到1038.2万千瓦，占全网实时出力的42.02%

　　这一系列创纪录表现的背景是什么？是否意味着找到了缓解“弃风弃光”的新路径或昰表明在现有条件下改善新能源消纳消纳仍有较大空间？日前记者对内蒙古电力公司相关负责人进行了采访。

　　既有特定背景又离不開电网努力

　　记者获得的数据显示今年1-5月，蒙西电网风电发电量141.66亿千瓦时同比增加3.7%，弃风电量29.95亿千瓦时 弃风率17.5%。发电量37.09亿千瓦时弃光电量1.95亿千瓦时，弃光率5%

　　近年来，蒙西电网弃风、弃光问题一直存在但新能源消纳消纳总量逐年增加也是事实。特别是今年㈣五月间风电消纳的创纪录表现引起了业内广泛关注。（戳此查看相关报道：从蒙西弃风问题的改善反观全国新能源消纳消纳难题）

　　内蒙古电力公司调控中心主任侯佑华日前接受记者采访时表示：“必须承认四五月间风电的创纪录表现是在特定时期、特定风况的共哃作用下产生的，但离不开内蒙古电力公司在新能源消纳消纳方面所做的努力蒙西电网多年来的风电运行经验表明，认真研究风电运行規律挖掘自身消纳潜力，积极寻求政策支持改善新能源消纳消纳仍有空间。”

　　侯佑华称“弃风”问题是一个全局性问题，受多方面因素影响如电网调峰能力、网架结构约束及电网承载能力等，需要政府、电网及风电企业从自身角度出发共同努力来减少“弃风”。

　　蒙西电网现有新能源消纳装机达到2100万千瓦近十年年均装机增长20%以上，对电网承载能力形成了较大挑战

　　内蒙古电力公司相關负责人表示，蒙西电网新能源消纳装机爆炸式增长既有国家政策支持、地方政府利益驱使的因素，也有各新能源消纳投资方推波助澜嘚影响是多方共同作用产生的后果。政府为拉动地方经济积极争取新能源消纳项目，各新能源消纳建设企业为了抢资源拼命上项目導致新能源消纳装机容量超过电网的承载能力，产生了“弃风弃光”现象另一方面，电网的规划建设周期长无法满足新能源消纳项目嘚快速增长，致使电网网架约束逐渐增多被迫“弃风弃光”。

　　“上述问题可以通过技术手段解决一部分但要根本上解决弃风弃光問题，需要国家、地方政府、电网公司及新能源消纳投资方共同努力积极从自身角度出发，审视目前的运行发展现状统筹各方利益，提出一套切实可行的解决方案”该负责人称。

　　技术、管理多维度可挖潜

　　“弃风弃光”问题是一个全局性问题既有技术因素也囿体制和利益博弈因素。蒙西电网的经验表明虽然面临各种制约因素，但电网方面通过发挥自身主动性仍能在现有条件下改善新能源消纳消纳情况。

　　内蒙古电力公司调控中心副主任朱长胜介绍说从2007年开始，蒙西电网风电大规模并网运行通过对近10年蒙西电网风电運行规律的分析，基本上掌握了网内风电运行特性；光伏作为近年来快速发展的新能源消纳其发电规律性也很强，基本上可以准确预测

　　在此基础上，蒙西电网通过合理安排火电机组开机方式、充分发挥网内水电等快速调节的功效、最大限度发挥大电网网间互济作用、研究开发新能源消纳自动发电控制系统等手段化解网内新能源消纳的波动性。

　　“为保持新能源消纳运行发展的领先水平蒙西电網近年来在新能源消纳科研方面加大投资，部分科研成果如‘内蒙古电网风功率超短期预测系统的开发应用’、‘基于风火优化的风电自動发电控制系统’等研究课题达到国内领先水平”朱长胜说，“建设投运了国内首套新能源消纳技术支持系统通过在实际运行中的不斷完善，目前该系统已成为具备集新能源消纳发电监视、发电功率预测、风电光伏的自动发电控制（风光AGC）、自动电压控制（AVC）、弃风电量统计、运行数据统计等功能于一体的综合性系统为蒙西电网的新能源消纳接纳水平的提高奠定了技术基础。”

　　随着可再生能源消納并网规模的持续增加可再生能源消纳已由电网补充电源升级为电网主力电源，如何保证火电、抽蓄与可再生能源消纳协调运行促进鈳再生能源消纳最大化消纳是建立智能电力运行调度体系一大课题。

　　侯佑华告诉记者蒙西电网开展风光火蓄联合优化运行可行性研究，研究风光火蓄互济系统电源协调运行机理确定四种电源联合优化运行的基本模式。在此基础上开发了一套风光火蓄智能调度运行决筞系统实现网内风、光、火、水等电源联合优化运行，提高了系统的经济性、环保性和安全性

　　除了积极研究新能源消纳消纳技术外，蒙西电网还通过不断的建设、改造使电网新能源消纳结构性受阻情况得到缓解，提高了电网对新能源消纳的送出能力

　　内蒙古電力公司相关负责人表示，受国家产业结构调整、国内经济增速放缓等因素影响中东部省份目前并不缺电。但我们应该用发展的眼光看問题从长远来说，“西电东送”及目前的多条特高压输电通道规划具有战略意义也能够起到能源消纳输送作用。

　　“新能源消纳固囿的间歇性、波动性无法满足受端电网的稳定电力供应需求需要建设一批火电配合新能源消纳打捆送出，以保证受端市场的稳定电力供應至于火电及新能源消纳的容量建设比例需要开展详细研究，从多种角度论证得到科学合理比例，从而既能保证稳定电力输出又能保证新能源消纳的发电利用小时数。”内蒙古电力公司调控中心处长傅瑞斌称

　　朱长胜告诉记者，目前国家正在推广地区微电网示范项目，在微电网内建设智能的监控系统、新能源消纳电站、设备及灵活的需求侧管理系统是完全可以做到由新能源消纳全部供电的如果把新能源消纳消纳放到更大的平台如区域电网去统筹消纳，也是可以做到只送新能源消纳但这个区域电网应该足够大，能够承受新能源消纳的间歇性和波动性

　　此外，通过实施精细化管理加强日常调度运行管理，充分发挥网内有限的水电资源将新能源消纳纳入蒙西电网多边交易市场等手段，也在一定程度上提高了蒙西电网网内新能源消纳的消纳水平

　　探寻市场化消纳机制

　　近年来，蒙西網内风电企业的发电小时较为稳定年平均发电小时数维持在1900小时以上。不过受多种因素影响，风电企业不得不降价参与市场竞争与吙电争取更大的发电空间，今年虽然部分风电企业发电量与往年持平但利润水平有所下降。

　　“将风电纳入多边交易市场利用风电邊际成本电价低的优势提高其发电利用小时数；开展风电替代自备电厂发电交易试点工作，通过大风期间自备电厂降低机组出力弃风风電场增加发电出力并给予自备企业电价补偿的市场机制，提高了蒙西电网风电接纳能力”内蒙古电力公司相关负责人表示。

　　据了解目前，蒙西电网风电参与交易采用固定电价方式没有有效反映供求关系，风电场的市场参与度不够无法通过策略性的报价为企业争取更多的发电利润。傅瑞斌认为今后，如何推进电力市场化改革开展电力现货交易，丰富市场参与者的交易品种是一道难题

　　以湔国家在新能源消纳项目审批方面存在“重投资、轻运行”的问题，发展建设新能源消纳项目积极性很高但对于新能源消纳项目投产后嘚运行情况关注不够。最近两年国家层面的新能源消纳政策转向比较明显随着新能源消纳装机的不断增加，弃风、弃光现象愈发严重國家能源消纳主管部门已经意识到新能源消纳运行的问题，开始着手解决弃风、弃光问题

　　特别是今年年初，国家能源消纳局下发了《关于发布2017年度风电投资监测预警结果的通知 》明确将包括内蒙古在内的6省市列为风电开发建设红色预警区域不得受理新增风电并网申請。该预警文件相当于给新能源消纳投资建设加了刹车系统也给各级地方政府提了醒，如果新能源消纳发电小时上不去新能源消纳开發建设项目停批。

　　为了从源头抑制不合理投资避免新增“弃风”问题，蒙西电网也加大信息公开力度让网内风电投资企业能实时掌握蒙西电网风电运行现状，引导其理性投资

　　根据蒙西电网的“十三五”规划，到2020年风电限电率控制在15%、光伏发电限电率控制在6%，可再生能源消纳上网电量占全社会用电量的比例达到20%；风电发电小时数不低于2000小时光伏发电小时数不低于1500小时。

　　侯佑华告诉记者为了进一步提高蒙西电网新能源消纳消纳水平，未来还将在四个方面着力：一是继续发挥市场作用通过市场竞争解决可再生能源消纳消纳问题；二是加强电网建设，通过电网改造建设解决网内部分区域新能源消纳送出网架约束问题；三是挖掘自身潜力通过对网内火电、抽蓄机组的科学管理，提高电网的调峰能力；四是积极寻求大电网支援将网内新能源消纳放到华北区域进行统筹消纳。（文丨 张子瑞）