基于蓄热水箱温度可行域模糊确定的电锅炉优化调度方法_杨玉龙.pdf

第 44 卷第 7 期2023 年 7 月电力建设Electric Power ConstructionVol.44No.7Jul 2023http:/www cepc com cn基金项目:国家自然科学基金项目(51907020);国家电网有限公司 2021 年总部科技项目(5500-202199270A-0-0-00)基于蓄热水箱温度可行域模糊确定的电锅炉优化调度方法杨玉龙1，王淞1，陈韬1，金荣1，董小瑞2，程芬2，张鹏2(1 东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市 132012;2 国网山西省电力公司运城供电公司，山西省运城市 044000)摘要:电锅炉作为高比例可再生能源电力系统中重要的负荷侧调节资源，其蓄热水箱温度可行域的确定不仅影响系统安全性，而且与风电消纳密切相关，然而两者之间缺乏精确的计算模型。提出一种采用模糊控制算法根据蓄热水箱初始温度及风电情况对蓄热水箱温度可行域进行模糊确定，进而进行电锅炉系统优化调度的方法。首先，建立了电锅炉系统中不同运行工况下蓄热水箱、热网以及建筑的特性模型。其次利用模糊控制算法，结合蓄热水箱初始温度及风电功率大于电负荷的时长，计算每日的蓄热水箱温度上限，进而建立电锅炉系统优化调度模型。最后以长春市某教育局微站所用电锅炉系统构建仿真算例，验证所提方法的有效性。算例结果表明，所提方法能够调动建筑负荷侧资源参与风电消纳，降低电锅炉系统结垢风险，减小系统运行成本。关键词:电锅炉;蓄热水箱;模糊控制;优化调度Optimal Scheduling Method of Electric Boiler Based on FuzzyDetermination of Temperature Feasible egion of HotWater Storage TankYANG Yulong1，WANG Song1，CHEN Tao1，JIN ong1，DONG Xiaorui2，CHENG Fen2，ZHANG Peng2(1 School of Electrical Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin Province，China;2 Yuncheng Power Supply Company of State Grid Shanxi Electric Power Company，Yuncheng 044000，Shanxi Province，China)ABSTACT:As an essential load-side regulation resource in a high proportion of renewable energy power systems，determining the feasible region of the thermal storage tank temperature of an electric boiler affects system security and isclosely related to wind power consumption However，accurate calculation models for these two factors are lacking Thisstudy proposes a method for fuzzy determination of the feasible region of the water tank temperature and optimal schedulingof the electric boiler system First，the characteristic models of the hot water storage tank，heating network，and buildingunder different operating conditions in an electric boiler system were established Second，using the fuzzy control algorithmcombined with the initial temperature of the hot water storage tank and the period during which the wind power was moresignificant than the electrical load，the daily upper temperature limit of the hot water storage tank was calculated，and theoptimal scheduling model of the electric boiler system was established Finally，a simulation example is constructed to verifythe effectiveness of the proposed method based on the electric boiler system used in the microstation of an education bureau inChangchun City The results show that the proposed method can mobilize the building load side to participate in wind powerconsumption，reduce the risk of fouling of the electric boiler system，and reduce the operating cost of the systemThis work is supported by National Natural Science Foundation of China(No 51907020)and the State GridCorporation of the China esearch Program(No 5500-202199270A-0-0-00)KEYWODS:electric boiler;hot water storage tank;fuzzy control;optimal scheduling中图分类号:TM732文献标志码:A文章编号:1000 7229(2023)07 0111 10DOI:10.12204/j issn.1000 7229.2023.07.012电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn0引言我国电力工业正迈向新的阶段，随着能源与环境问题的恶化，清洁能源的开发和利用至关重要1，但可再生能源发电所占比重逐步提升，也带来了发电波动性与间歇性问题2-6，负荷侧可调节资源的开发势在必行。热力系统的优化运行能够给电热联合系统提供额外的灵活性7，电锅炉可作为重要的调控资源配置在负荷侧8，降低热电联产机组以热定电的刚性耦合，以风力发电形势为依据灵活地调整电锅炉的蓄放热状态，与建筑负荷共同响应风电波动，提高系统的调节能力9-10。然而配置在用户侧的电锅炉进口水一般未经专业设备软化处理，硬度较高，易形成水垢11。水垢的导热能力较钢材差很多，对供暖极其不利，附着于管道及散热器内表面，会造成管径变细、水流量减少、压力增大，甚至发生爆管现象。水垢的厚度每提高 1 mm 就会增加 5%到 10%的能耗12，其主要成分为钙镁离子的化合物13，相关研究表明，水温达到 70 以上，钙镁类物质就会结晶生成水垢。由此可见，电锅炉系统中，蓄热水箱温度可行域的确定至关重要。文献 14-15 建立了考虑固体电锅炉、热网及建筑多重热惯性的电热协调优化运行模型，可有效降低电热耦合，使系统运行更加灵活经济;考虑到热负荷、环境温度和供热管道散热系数的不确定性，文献 16-17 构建了多能源系统两阶段鲁棒优化调度模型，可有效提高电热联合系统的鲁棒性;文献 18-20 在考虑热网延时与衰减及用户热舒适度的基础上，建立电热联合系统优化调度模型，可有效提高系统灵活性，促进风电消纳;文献 21提出了一种具有自适应约束策略的调度协调方法，利用热网的灵活性来平滑不确定的风电，以提高运行经济性;文献 22-23 建立了包含蓄热式电采暖的系统优化调度模型，并验证其对于提高风电消纳能力，减小电网峰谷差的有效性;文献 24 分析了分时电价对电热水器聚合负荷的时移能力提升及其经济效益的影响;文献 25-26 提出了电锅炉分别与燃煤锅炉、燃气锅炉、含储热的光热电站耦合的协调供热模式，以此来促进热电解耦及风电消纳;文献 27 为避免蓄热式电锅炉电极频繁调节，将电化学储能引入到系统中，在减少电锅炉电极调节次数的同时促进风电消纳。电锅炉蓄热水箱温度可行域大小表征其可消纳风电的多少，但两者仅存在模糊的逻辑关系，难以精确计算，以上对于热电解耦及风电消纳的研究一方面集中于热网及建筑负荷特性，另一方面采取电锅炉与其他设备配合的方式，但仅在弃风量较大时适用。为解决风电消纳与系统安全性之间的矛盾，避免复杂的建模过程，本文提出了一种采用模糊控制算法，根据蓄热水箱初始温度及风电情况对蓄热水箱温度可行域进行模糊确定，进而进行电锅炉系统优化调度的方法。首先，建立了电锅炉系统中不同运行工况下蓄热水箱、热网以及建筑的特性模型。其次利用模糊控制算法，结合蓄热水箱初始温度及风电功率大于电负荷的时长，计算每日的蓄热水箱温度上限，进而建立电锅炉系统优化调度模型。最后以长春市某教育局微站所用的供热电锅炉系统，构建仿真算例，验证了所提方法对调动建筑负荷侧资源参与风电消纳，降低电锅炉系统结垢风险，减小系统运行成本的有效性。1系统建模图 1 为本文所研究的系统结构图。1.1蓄热水箱温度变化模型锅炉泵开启后电锅炉耗电对蓄热水箱中的水进行加热，热网出回水泵开启后蓄热水箱中的热水对用户进行供热，蓄热水箱温度变化特性模型如下:CsdTsdt=PEBx P1y(1)经差分化处理后得到式(2):图 1电锅炉系统结构图Fig.1Electric boiler system structure diagram211第 7 期杨玉龙，等:基于蓄热水箱温度可行域模糊确定的电锅炉优化调度方法http:/www cepc com cnTis=(Pi1EBxi1 Pi11yi1)t/Cs+Ti1s(2)式中:PEB为电锅炉功率;Cs为蓄热水箱热容;Ts为蓄热水箱温度;P1为一次热网热功率;x、y 为表示锅炉泵和热网出回水泵状态的 0-1 变量，1 表示泵开启，0 表示泵关闭;t 为调度间隔;i 表示第 i 个调度时刻。1.2各工况下热网出回水温度变化模型根据一、二次热网出回水泵的开关状态，可将电锅炉系统的运行分为静态过程和动态过程。静态过程中热网出回水泵关闭，热网温度变化主要原因是向所处环境散热，采用管道静态热力特性方程表示。Tij，out=Ti1j，out Cj(Ti1j，out Ti1a)t，j=1，2(3)Tij，in=Ti1j，in Cj(Ti1j，in Ti1a)t，j=1，2(4)式中:Tij，out为 j 次热网出水温度;Cj为 j 次热网出水与环境之间的等效换热系数;Cj为 j 次热网回水与环境之间的等效换热系数;Tij，in为 j 次热网回水温度;Ti 1a为室外环境温度。热网动态过程中，热网出回水泵开启，热网温度变化主要原因为换热器换热。由于管道较短，根据所测得的实际数据，蓄热水箱至一次热网出水口不存在温度损失，不考虑时间延迟，动态过程中，一次热网出水温度与蓄热水箱温度相等，即:Ti1，out=Tis(5)一次热网回水温度，二次热网出、回水温度可根据换热器热平衡关系求得。i 时刻换热器换热量