基于古诺模型的热电厂电锅炉和储热优化配置_孙广明.pdf

电气传动 2023年 第53卷 第3期ELECTRIC DRIVE 2023 Vol.53 No.3摘要：将电锅炉和储热系统集成到电热联合系统中是提高系统灵活性以及风电消纳的可行方案。为了综合考虑不同热电厂多主体配置电锅炉和储热系统，兼顾考虑调峰市场的出清价格，提出了一种基于古诺模型的多个热电厂博弈电锅炉和储热系统优化配置模型。从热电厂主体角度出发，构建基于古诺模型的热电厂年化调峰净收益最大为目标的上层优化模型；其次，以组合场景下的总燃料成本消耗最小和弃风最小为目标建立含电锅炉和储热系统的最优调度模型。最后分别基于实际9节点系统的仿真算例，验证了所提模型的合理性和有效性。关键词：电锅炉；储热系统；调峰市场；出清价格；古诺模型中图分类号：TM734文献标识码：ADOI：10.19457/j.1001-2095.dqcd24014Optimal Configuration of Electric Boilers and Thermal Storage in Multi Thermal PowerPlants Based on Cournot ModelSUN Guangming1，2，ZHNAG Weiguo1，2，ZHOU Jing3，LIU Hongpeng4（1.NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.NARI Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211106，Jiangsu，China；3.NARI-tech Control System Co.，Ltd.，Nanjing 211106，Jiangsu，China；4.College of Electrical Engineering，Northeast ElectricPower University，Jilin 132012，Jilin，China）Abstract:The integration of electric boiler and thermal storage system into power system is a feasible schemeto improve system flexibility and wind power consumption.In order to comprehensively consider the multi-agentconfiguration of electric boilers and heat storage systems in different thermal power plants，and also consider theclearing price in peak shaving market，an optimal configuration model of electric boilers and heat storage systemsin multiple thermal power plants based on Cournot model was proposed.From the perspective of the main body ofthe thermal power plant，the upper optimization model based on Cournot model was constructed to maximize theannual peak shaving net income of the thermal power plant；secondly，the optimal adjustment model of the electricboiler and heat storage system was established to minimize the total fuel consumption and the abandoned air underthe combined scenario.Finally，the rationality and effectiveness of the proposed model were verified by simulationexamples of 9-bus system.Key words:electric boiler；thermal storage system；peak shaving market；clearing price；Cournot model基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（1400-202057442A-0-0-00）作者简介：孙广明（1979），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为智能用电技术、电动汽车充换电技术，Email：孙广明，等基于古诺模型的热电厂电锅炉和储热优化配置孙广明1，2，张卫国1，2，周静3，刘鸿鹏4（1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司，江苏 南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106；3.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211106；4.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012）近年来，针对中国“三北”地区冬季供暖期间严重的弃风问题，已经开展了大量诸如配置储热系统以及机组改造等灵活性改造项目。改造效果也较为可观，2019年全国风电平均利用小时数达到2 082 h，弃风电量169 TWh时，平均弃风率4%，同比下降3个百分点，弃风限电状况明显缓解1。由于储热的调峰特性，能够处理热电联产机组以热定电的约束问题2-5，有效提高风电消纳能力。为了合理利用储热容量及降低成本，需要研56孙广明，等：基于古诺模型的热电厂电锅炉和储热优化配置电气传动 2023年 第53卷 第3期究储热的容量配置。文献6提出了包含储电系统和储热系统的额定功率、容量的配置方法；文献7-8深入研究了光热发电（concentrating solarpower，CSP）对发电的潜在贡献，提出了CSP电站储热容量配置方法；文献9对电加热器（electricheater，EH）和储热（heat storage，HS）进行了综合建模，并以经济效益为优化目标，给出了满足一定比例热负荷的EH和HS的最佳容量和分布；文献10以微网经济运行成本最小为优化目标，以储能容量不越限为约束条件，确定微网系统中储电、储热、蓄冷3种储能形式的容量；文献11提出了一种考虑热网蓄热能力和热负荷的储热优化规划方法。上述文献均从不同经济角度开展储热的优化配置研究，但是对于通过配置储热参与调峰辅助服务市场进行调峰交易产生的经济效益的考虑较少。文献12以系统整体的经济性角度出发，建立了储热系统参与电网调峰的规划模型，获得最优储热系统容量配置方案。虽然考虑储热辅助电网调峰，但是未给出具体的调峰交易的数学模型。文献13-15给出了配置储热参与调峰辅助服务市场的调峰收益以及调峰成本的数学模型，但是只从单一的热电厂、火电厂或者风电场的角度去分析配置储热的经济效益，显得有些片面。现有研究中已有对于配置储热参与调峰市场的相关分析，也有对于调峰市场的出清价格的相关研究16-18。但是对于配置电锅炉和储热系统参与调峰市场兼顾出清价格考虑的研究较少。且多从单一主体配置电锅炉和储热系统的角度分析经济成本效益，也鲜有研究电锅炉和储热系统的分布问题。基于以上考虑，本文提出了一种基于古诺模型的多个热电厂博弈电锅炉和储热系统优化配置模型，旨在从电力市场监管的角度进行分析，确定反映市场竞争均衡的容量配置，以含风火热的实际9节点系统为例对所构建模型的有效性开展仿真分析。1含风火热的电热系统及调峰市场价格分析1.1含风火热的电热联合系统模型构建本文构建了包含风电场、火电厂以及热电厂在内的地区电网简化模型，如图1所示。其中以纯凝机组为发电机组的电厂为火电厂，以热电联产（combined heat and power，CHP）机组为发电供热的电厂为热电厂。该地区电网一共有 9个节点，节点1为平衡节点，一共包含9条支路。每个节点均有电负荷，节点1，2，3，4，7，8，9同时还有热负荷。每个节点均含有热电厂，节点2，3，5，6，7均有火电厂，节点1，2，3，4，5，7，8同时含有风电场。图1地区电网结构简化图Fig.1Simplified diagram of regional power grid structure1.2基于古诺模型的调峰市场价格模型构建本文构建的含风火热的电热系统的模型中，以热电厂为主要的调峰功率供应主体，与风电场和火电厂共同参与调峰辅助服务市场进行调峰功率的交易。为维持调峰市场供应，本文从不同热电厂角度出发，以产量作为决策变量，构成古诺模型19-20。含电锅炉和储热系统的热电联产响应电网调峰需求示意图如图2所示。图2含电锅炉和储热的热电联产响应电网调峰需求示意图Fig.2Cogeneration of electric boiler and heat storage systemresponding to peak load regulation demand of power gridCHP机组根据其输出功率值所处的区间可分为基本调峰以及有偿调峰，如图2所示，CHP机组的出力值介于CHP机组出力最大值PCHPMax与基本出力值PCHPBase的区间为基本调峰区间，在此区间调整CHP机组的出力值属于CHP机组的调峰义务，无需向其支付费用；介于CHP机组基本出力值PCHPBase与最小出力值PCHPMin为有偿调峰区间，即图2阴影区，在此区间调整CHP机组出力需要根据调整出力的范围支付一定的费用。其反需求函数的表达式为57孙广明，等：基于古诺模型的热电厂电锅炉和储热优化配置电气传动 2023年 第53卷 第3期=-(/)MTF（1）MTF=i it T(PCHPBase-PCHPi,t)（2）式中：为市场价格（本文指调峰价格）；，分别为调峰市场线性需求曲线的价格和需求截距；MTF为市场总产量（本文指调峰供给功率总量）；i为所有待规划的热电厂节点集合；PCHPi,t为节点i的热电厂CHP机组在t时刻提供的调峰功率；PCHPBase为CHP机组基本调峰功率。2构建基于古诺模型的含电锅炉和储热系统的双层规划模型文中拟构建的双层优化模型，上层优化模型确定电锅炉和储热系统的配置容量，作为下层优化模型的运行约束进一步优化机组出力情况，并反馈运行结果到上层优化模型中，进一步优化上层的配置结果，如此迭代获得电锅炉和储热系统的最优配置方案。2.1基于古诺模型的热电厂调峰年化投资收益模型2.1.1目标函数maxi=(NT/NY)EHi-CHi（3）EHi=PHi=t=1TtPHi,t=t=1Tk=12 k-(k/k)MTFt PHi,t=t=1Tk=12 k-(k/k)i iPHi,t PHi,tt=00.40.4PCHPi,t PCHPi,t 0.5PCHPi,t0.41PCHPi,t 0.4PCHPi,t（5）CHi=EBPEBi+(T/NT)t=1NTEBMPEBi,t+HSSHSi+(T/NT)t=1NTHSMHHSouti,t（6）式中：i为节点i的热电厂的年化调峰净收益；NT为生成场景数；NY为一年调度时长，本文取为8 760 h；EHi为节点i的热电厂的调峰收益；CHi为节点i的热电厂的调峰成本；PHi为节点i的热电厂的CHP机组提供的调峰功率；PHi,t为节点i的热电厂的CHP机组在t时刻提供的调峰功率；PCHPi,t为节点i的热电厂的CHP机组在t时刻的发电功率上限；EB为热电厂配置的电锅炉单位容量成本；EBM为热电厂规划的电锅炉单位容量维护费用；PEBi为节点i的热电厂配置的电锅炉额定功率；PEBi,t为节点i的热电厂配置的电锅炉在t时刻的额定功率；HS为热电厂规划的储热设备单位