考虑风电消纳的楼宇群热电优化协调运行探讨

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论文字数:35266 论文编号:sb2022031511211844880 日期:2022-03-17 来源:硕博论文网
本文是一篇电气自动化论文,本文通过分析固态储热装置与锂电池储能的体系架构,并在其综合考虑的情况下,对楼宇群中固态储热储电调度系统搭建了实验系统,其中包含固态储热装置、磷酸铁锂电池组设备、RLC 可编程负载、风电模拟机还有双向变流器等设备。根据制定好的储热储电控制策略利用 labview 软件进行上位机系统搭建,利用搭建好的系统对储热储电协调控制系统进行验证和实验测试分析,验证了储热储电协调控制策略的可行性。

1 绪论

1.1 研究背景及意义
1.1.1 研究背景
随着人类社会日益变化,对未来人类可持续发展的前景,进一步认识和深化。诸多问题中,尤其对能源安全问题,和可再生能源开发再利用问题等更加重视,在生活中降低使用化石燃料,多用可再生能源替代,这种思想理念,已得到世界各国的普遍认同[1-3]。最早在上世纪初,欧洲许多国家就开始着手风力发电,丹麦就是利用风能发电典型代表。在 1973 年的时候,世界大发展期间,爆发了世界性的石油危机,迫于对石油能源得依赖,以及化石燃料燃烧后,对环境的污染压力,这种情况促使风能发电在世界范围内,得到了世界各国的认可,风能发电的时代算是进入了初期。同时这种情况也说明了,可再生能源在当今社会的重要性。
根据大数据统计,我国的许多建筑物能耗相对较高,其中大约 90%的建筑物属于住宅。与世界上其他较为发达的地区相比,我国的建筑物耗能依然处于前列,耗能情况未有明显的改善,最为突出的就是生活生产耗能占比相对较高,其中约占比为27%~29%[4]。近年来,伴随着我国高速发展的大形势下,我国政府不断在新型的产业结构和政策上给予调整,进一步适应当下世界发展大势。由于我国国情特殊,城乡一体化推进进程加快,在未来的能耗数据可能呈现上升态势。根据大数据监测发现,在欧洲部分地区,他们那的建筑能耗相对较高,占总能耗的比重达到 40%~45%,在这些数据中,其中住宅建筑区域的能耗就达到了 67%,能耗过高产生的负面效应也随之增多,就当前温室效应而言,二氧化碳就是主要影响因素之一。其中建筑楼宇每年依靠化石能源消耗,产生大量温室气体,这些温室气体的排放量非常惊人,占比竟达到欧洲其他国家温室气体总排放量的 1/2[5]。根据美国人工智能数据采集显示,在美国这样的地广人稀区域分布情况下,由于建筑物分散,造成输电线路损耗过度。其中在建筑楼宇的能耗花费占比美国其他行业的总花费约 40%,除了能耗花费之外,还有电力消耗,这个占比也是相当多的,最高达到消耗 72%的情况[6]。
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1.2 国内外楼宇群蓄热电锅炉与储能系统参与风电消纳研究现状
1.2.1 国内外消纳风电研究现状
截至目前,风电消纳已成为国内外学者关注的重点,同时,我国也在努力的寻求新的路径和方法,积极促进地方政府、电网、风电企业的合作,进而使更多的风电被利用,减少弃风的产生。
在我国西北、华北、东北地区,风电资源尤为丰富,但是风电利用情况并不乐观,弃风情况相对世界其他地区较为严重,因此急需提高风电并网空间,降低弃风情况[13]。从下图 1-1 中看出,在 21 世纪初,我国风电发展处于成长期,2008 年为风电的一个增长节点,之后并网容量飞速增长,尤其是在 2008 年和 2009 年之间最为明显,增长速率最高超过 2 倍,这种井喷式爆发无疑是一个很好的开头,虽然在后期出现增速缓慢的情况,但是总体趋势良好。图 1-1 中蓝色柱状图能看出,我国的风电装机容量每年都呈现增长的趋势,仅在 2019 一年期间,我国的风电装机容量就比上一年高出 10%左右,并网达到了 2574 万千瓦。将所有装机容量相加,我国总共风电装机容量约为 2.06 亿千瓦,在我国发电装机容量中占有很高比重,其值占比达到了9.45%[14]。
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2 楼宇群储热储电联合调度技术

2.1 供暖期风电消纳需求分析及出力特性
2.1.1 风电消纳需求分析
就目前情况来讲,我国有些地区如三北地区,还不具备协调常规机组和风电机组电压等级的能力,存在一定的危险性,故障率比较高,同时也会给电网带来不稳定性。当电力系统发生大规模停电时,接入电网的风电有一个自我保护机制,在关键时刻会进行自我断电,达到自我保护的目的,但是这种情况会给电网带来严重的电网故障,最坏的情况就是对整个电网造成瘫痪。如果风力发电机组过多甚至超过电网容量,将对电网产生重要影响。风电出力如下图 2-1 所示:
由于许多不可预测影响因素,促使风电具有波动性和不稳定性等一些特征。可以通过仪器设备在同一个地点,在不同的时间段甚至是季节,采集唯一变量的数据,对比分析,进而反应弃风在多个情况下的所具有的一些特征。在三北地区电力系统结构中以燃煤火电机组为主,其中热电机组占比相对最高,火电机组的出力不能进行控制时,只能来调节热电联产机组,因为热电联产机组的出力方式为以热定电,即电工率和热功率存在耦合的关系,电功率的大小取决于热功率的大小,为此电力系统为了提高热输出不得不提高电力输出,进而导致机组的调节能力下降。大量风电并网时,然而当系统的调峰能力不足时,只能通过弃风来限制风电并网,在被动情况下造成了弃风。
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2.2 固态储热式电锅炉运行机理
固态储热电锅炉作为一种利用复合相变材料进行储热的装置,具有性能稳定、储热密度高等优点,将储热装置放置在楼宇中,一方面利用增加电网负荷,利用谷电进行储热,起到了削峰填谷的作用,提高了电网的调峰能力,另一方面可以帮助电网提高风电上网空间,提升风电利用率。
当让电锅炉处于加热时,需要先打开电加热器件,还有强力风机,强力风机的作用主要是用于空气循环,进而带动热传递。储热式电锅炉通过装在内部的电加热器件,将低谷时段的电能转化为热能,此时流动的空气将热能带走,传递给外部进行热量交换,其中一大部分热量用于给水管的中的循环水加热,而另一部分则通过辐射和对流传递给传出,在储热装置中的固体相变热储存模块来吸收这部分热能。当循环的热空气循环一周后,循环风的温度会急剧下降,回来的空气会继续被强力风机做功进行循环,继续以上操作。
相反的是,当储热式电锅炉处于放热时,需要先关闭电加热器件,固体相变热储存模块,将储存在其中的热能传递给空气,当空气流动后,经空气-水热交换器时,热量传递给加热循环水实现热量传递。
楼宇群中用户的负荷需求也时常波动,为了稳定这种情况,将通过配置不同容量大小的储能装置进行适配。通常情况下不单独配置储能设备,而是将其他储能装置与它配合使用,原因正是因为成本过高,经济性不高。楼宇侧配置储能装置能起到应急电源作用,当白天负荷过高时,储能装置能够利用夜间储存的电量进行放电,晚上利用低谷电进行充电,这样不仅缓解了弃风电量浪费严重的情况,而且环境效益也得以提高[52-53]。
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3 楼宇群储热储电系统建模和优化..........................................23
3.1 楼宇群储热储电多能系统的组成及建模..........................23
3.1.1 固态储热储电系统结构组成................................23
3.1.2 部分模块建模..........................................24
4 固态储热储电仿真协调调度系统搭建.....................................42
4.1 协调调度系统简述........................................42
4.2 上位机系统设计.......................................46
5 总结展望........................................54

4 固态储热储电仿真协调调度系统搭建

4.1 协调调度系统简述
利用实验室现有设备进行搭建,其中包括双向储能变流器,它的功率为 30kw,还有模拟储能装置的 150 块磷酸铁锂电池组成的电池组,它的总功率为 25kw,模拟负载的 RLC 可编程负载模块,它的功率为 10kw,模拟电场储热装置的固态储热电锅炉,它的功率为 15kw,以及模拟风机发电机(风力发电)10kw 等。如图 4-1 所示:
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5 总结展望


目前,我国三北地区冬季供暖存在热电机组以热供电迫使机组出力增大,从而诱使机组的调峰能力下降,本文在楼宇群与储热储电相结合的基础上,并提出了考虑风电消纳的楼宇群热电优化协调运行研究,结合实验室设备研发了储热储电的协调控制操控系统,通过远程操作,实时控制储热储电的一些相关参数设置,实时显示储电储热数据变化,储热储电在跟踪弃风和分时电价的调控下,大幅度提升风电消纳空间,同时也降低了运行成本和碳排放。从上述研究中得出以下几点结论:
(1)查阅相关楼宇群与风电消纳文献,搜集相关数据,根据风电功率随机性和波动性的特点,提出在楼宇群中配置固态储热装置与锂电池储电装置进行协调的方法。
(2)以居民住宅为例,分析了楼宇群与风电消纳联合运行的现状,对在楼宇群中配置的储热储电系统各个模块进行了划分,并对各个部件进行了数学建模。
(3)建立楼宇群储热储电双层目标函数模型及优化方法。根据固态储热储电装置的特性,建立了风电机组、火电机组、热电机组模型,结合实际,以系统运行成本最小,还有碳排放量最小,建立双层目标函数,列写相关约束,这些约束范围相对较广,其中有火电机组爬坡约束,还要机组出力约束条件,除了它们之外,还有风电机组运行约束、能量平衡约束等相关约束条件,采用改进粒子群算法和 pareto最优前沿展示方法,进行求解,通过实例仿真分析验证。
(4)通过分析固态储热装置与锂电池储能的体系架构,并在其综合考虑的情况下,对楼宇群中固态储热储电调度系统搭建了实验系统,其中包含固态储热装置、磷酸铁锂电池组设备、RLC 可编程负载、风电模拟机还有双向变流器等设备。根据制定好的储热储电控制策略利用 labview 软件进行上位机系统搭建,利用搭建好的系统对储热储电协调控制系统进行验证和实验测试分析,验证了储热储电协调控制策略的可行性。
参考文献(略)


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