一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法

1.本发明涉及火电改造及储热领域，具体为一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法。


背景技术：

2.当前，推动风能、太阳能等可再生能源的大规模利用，加快煤电清洁化进程是能源发展的重要趋势。近年来，储能技术发展迅速，打破了传统电力系统即发即用的特点，能够在时间上协调电力系统的供需平衡，但储能系统仍存在成本高、寿命短等限制。耦合火电机组与储能系统的改造方式不仅可以最大限度解决现阶段高耗能火电机组退役问题，提高资源利用效率，同时可以降低储能建设成本，推动储能在电力领域的进一步发展。
3.大量分布式光伏并网后产生就地消纳困难、弃光问题严重问题，不仅限制了整县光伏的发展而且为电网安全稳定产生巨大威胁。目前，集中式光伏场站配置储热已成为一种运行灵活、调节性能好的重要发电技术，在大幅提高光伏消纳水平的同时，打破了传统供热“以热定电”的刚性约束，提高系统供能灵活性。但是，现有集中式光伏配置储热为减小建设成本，大多仅面向光伏消纳进行规划，储热容量有限，若后续对光伏场站进行扩建则需要付出高昂的储热改造成本，也无法发挥储热的调峰、备用等其他灵活调节潜力。
4.面向整县光伏，受限于建筑屋顶分布广泛、资源分散、单体规模小，所有分布式光伏配置储热难度大、成本高、利用率低。而随着整县光伏工作推进，不少县域高耗能的火电机组面临退役，若能结合机组耦合储热灵活性改造技术，将县域的退役或老化火电机组灵活性改造为集中式熔盐储热电站，服务于县域供电系统与供热系统，在解决分布式光伏消纳困难的同时，为新型电力系统建设进程中火电机组灵活性改造提供重要解决思路，提高区域供能稳定性，充分发挥储热调节灵活性，实现源网荷储多方共赢。


技术实现要素：

5.本发明为解决县域传统火电改造和分布式光伏消纳困难的问题，提出一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法。本发明可以对县域退役火电机组灵活性改造，并促进整县光伏消纳，提高县域供电供热灵活性和稳定性，实现电热多能互补。
6.本发明是采用如下的技术方案实现的：一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法，首先提出关停火电机组加装熔盐罐灵活性改造为熔盐储热电站的方法，其次提出县域电热协同调度架构，最后提出以运行成本最小为目标的基于熔盐储热电站的县域电热协同经济调度方法，分别为以下三步：
7.步骤一：在退役或老化火电机组中加装高温熔盐罐、低温熔盐罐、第一换热器、第二换热器和电加热器，并利用火电机组的热力循环系统和汽轮机构成集中式熔盐储热电站，具体工作流程如下：首先，在熔盐罐最大允许存储量内，熔盐储热电站电加热器利用光伏弃光或电网低谷余电加热低温导热工质，或者熔盐储热电站第二换热器利用县域热网余热与低温导热工质进行热交换，产生高温导热工质；高温导热工质与低温熔盐在第一换热
器中进行热交换，产生高温熔盐和低温导热工质，高温熔盐进入高温储热罐中实现热量存储，低温导热工质返回电加热器与第二换热器中再次利用，在热力循环系统中，高温熔盐产生高温蒸气，推动汽轮机旋转发电，或高温熔盐热交换后直接向县域热网供热，产生低温熔盐储存在低温熔盐罐中，从而实现县域电网和热网的余电余热回收，促进光伏消纳，同时为县域供电供热，提高县域供能稳定性。
8.步骤二：建立县域电热协同调度架构，包括整县光伏、火电机组改造的熔盐储热电站、热电联产机组、热负荷、电负荷、电网以及热网。调度架构中整县光伏、熔盐储热电站和热电联产机组发电用于平衡县域电负荷，同时熔盐储热电站可在电力供大于求时，吸收光伏弃光发电或电网低谷电，转化为热能进行存储，在电力供小于求时，释放存储的热能，通过热力循环系统和汽轮机发电；热电联产机组和熔盐储热电站供热用于平衡县域热负荷，同时熔盐储热电站也可存储热网余热，并将热能转化为电能或在其他时刻释放热能，从而提高县域供电供热灵活性。
9.步骤三：建立基于熔盐储热电站的县域电热协同经济调度模型，包括目标函数和约束条件：
10.目标函数综合考虑光伏运行维护成本f1、弃光惩罚成本f2、热电联产机组发电成本f3、火电灵活性改造成本f4以及熔盐储热电站建设与运维成本f5，具体如下：
11.f＝min(f1+f2+f3+f4+f5)
[0012][0013][0014][0015]
f4＝(1-η
tpu
)k
t
δp
tpu
[0016][0017]
式中，t为运行时段，t为周期总时长；v为县域内光伏发电系统总数，为第v个光伏发电系统运行维护成本系数，为t时段第v个光伏系统发电功率；为第v个光伏发电系统弃光惩罚系数，为t时段第v个光伏系统弃光电量，为t时段第v个光伏系统出力预测值；r为热电联产机组总数，ar，br，cr分别为第r个热电联产机组运行成本二次项、一次项和常数项系数，为第r个热电联产机组在t时段的电出力，为第r个热电联产机组在t时段的供热功率，为第r个热电联产机组固定进汽量下抽取单位蒸汽量时电功率的减少值；η
tpu
为剩余价值利用系数，k
t
为改造投资系数，δp
tpu
为机组灵活性改造容量，对于关停火电机组，其灵活改造容量即为储热电站最大等效电功率；m为熔盐储热电站总数，为第m个熔盐储热电站年均成本，为第m个熔盐储热电站最大储热容量，rm为贴现
率，ym为第m个熔盐储热电站使用年限；为第m个熔盐储热电站运行维护成本系数，为第m个熔盐储热电站在t时段的电出力，第m个熔盐储热电站在t时段的供热功率；
[0018]
所述约束条件需满足电力系统约束和热力系统约束，具体为电功率平衡、热功率平衡、熔盐储热电站运行约束、光伏出力约束以及热电联产机组约束，如下：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024]
式中，为t时段系统总电负荷，为t时段系统总热负荷，s
m,t
为第m个熔盐储热电站在t时段储热量，和分别为第m个熔盐储热电站在t时段储热和放热功率，和分别为第m个储热电站最大储热和放热功率，乘积为0表示同一时刻不能同时储热和放热，求和为0表示满足储热系统周期热容量不变约束，s
m,max
为第m个储热电站最大储热容量；和分别表示第v个光伏发电系统正常运行时的最大和最小发电功率；和分别为第r个热电联产机组最大和最小允许输出电功率，和分别为第r个热电联产机组向上和向下爬坡率限制。
[0025]
本发明的特点及有益效果在于：本发明提出了一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法，包括火电机组灵活性改造为熔盐储热电站的方法，减小了熔盐储热电站建设成本，提高了退役及老化火电机组运行灵活性与生产效率；提出了一种县域电热协同调度架构，将火电改造的熔盐储热电站应用于整县光伏区域，减小分布式光伏弃光惩罚成本、提高区域功能稳定性、提高电热能源利用效率；建立基于熔盐储热电站的县域电热协同经济调度模型，减小系统供能成本。
附图说明
[0026]
图1为火电机组灵活性改造为熔盐储热电站结构简图。
[0027]
图2为县域电热协同调度架构。
[0028]
图3为基于熔盐储热电站的县域电热协同经济调度模型求解流程图。
[0029]
图中：1-电加热器，2-高温熔盐罐，3-低温熔盐罐，4-第一换热器，5-第二换热器，6-热力循环系统，7-推动汽轮机，8-整县光伏，9-熔盐储热电站，10-热电联产机组，11-热负荷，12-电负荷，13-热网，14-电网。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的适用范围。
[0031]
如图1所示，本发明实施例的第一方面，提供了一种火电机组灵活性改造为熔盐储热电站的方法。在退役或老化火电机组中加装高温熔盐罐2、低温熔盐罐3、第一换热器4、第二换热器5和电加热器1，并利用火电机组的热力循环系统6和汽轮机7构成集中式熔盐储热电站，具体工作流程如下：首先，在熔盐罐最大允许存储量内，熔盐储热电站电加热器1利用光伏弃光或电网低谷余电加热低温导热工质，或者熔盐储热电站第二换热器5利用县域热网余热与低温导热工质进行热交换，产生高温导热工质；高温导热工质与低温熔盐在第一换热器4中进行热交换，产生高温熔盐和低温导热工质，高温熔盐进入高温储热罐2中实现热量存储，低温导热工质返回电加热器1与第二换热器5中再次利用，在热力循环系统6中，高温熔盐产生高温蒸气，推动汽轮机7旋转发电，或高温熔盐热交换后直接向县域热网供热，产生低温熔盐储存在低温熔盐罐3中，从而实现县域电网和热网的余电余热回收，促进光伏消纳，同时为县域供电供热，提高县域供能稳定性。
[0032]
如图2所示，本发明实施例的第二方面，构建了一种县域电热协同调度架构，包括整县光伏8、火电机组改造的熔盐储热电站9、热电联产机组10、热负荷11、电负荷12、热网13以及电网14。关于区域系统电能平衡，调度架构中整县光伏8、熔盐储热电站9和热电联产机组10发电并通过电网14传输，用于平衡县域电负荷12。同时熔盐储热电站9可在电力供大于求时，吸收光伏弃光发电或电网低谷余电，转化为热能进行存储；在电力供小于求时，释放存储热能通过汽轮机发电。关于区域系统热能平衡，热电联产机组10和熔盐储热电站9通过热网13供热用于平衡县域热负荷11，同时熔盐储热电站也可存储热网余热，并将热能转化为电能或其他时刻释放热能，从而实现热电耦合互补，在促进光伏消纳的同时，提高县域供电供热灵活性。
[0033]
如图3所示，本发明实施例的第三方面，建立县域熔盐储热电站电热协同经济调度模型，包括目标函数和约束条件，在matalb中通过yalmip调用商用优化软件cplex对模型进行求解。目标函数综合考虑光伏运行维护成本f1、弃光惩罚成本f2、热电联产机组发电成本f3、火电灵活性改造成本f4以及熔盐储热电站建设与运维成本f5，具体如下：
[0034]
f＝min(f1+f2+f3+f4+f5)
[0035]
[0036][0037][0038]
f4＝(1-η
tpu
)k
t
δp
tpu
[0039][0040]
式中，t为运行时段，t为周期总时长；v为县域内光伏发电系统总数，为第v个光伏发电系统运行维护成本系数，为t时段第v个光伏系统发电功率；为第v个光伏发电系统弃光惩罚系数，为t时段第v个光伏系统弃光电量，为t时段第v个光伏系统出力预测值；r为热电联产机组总数，ar，br，cr分别为第r个热电联产机组运行成本二次项、一次项和常数项系数，为第r个热电联产机组在t时段的电出力，为第r个热电联产机组在t时段的供热功率，为第r个热电联产机组固定进汽量下抽取单位蒸汽量时电功率的减少值；η
tpu
为剩余价值利用系数，k
t
为改造投资系数，δp
tpu
为机组灵活性改造容量，对于关停火电机组，其灵活改造容量即为储热电站最大等效电功率；m为熔盐储热电站总数，为第m个熔盐储热电站年均成本，为第m个熔盐储热电站最大储热容量，rm为贴现率，ym为第m个熔盐储热电站使用年限；为第m个熔盐储热电站运行维护成本系数，为第m个熔盐储热电站在t时段的电出力，第m个熔盐储热电站在t时段的供热功率。
[0041]
所述约束条件需满足电力系统约束和热力系统约束，具体为电功率平衡、热功率平衡、熔盐储热电站运行约束、光伏出力约束以及热电联产机组约束，如下：
[0042][0043][0044]
[0045][0046][0047]
式中，为t时段系统总电负荷，为t时段系统总热负荷，s
m,t
为第m个熔盐储热电站在t时段储热量，和分别为第m个熔盐储热电站在t时段储热和放热功率，和分别为第m个储热电站最大储热和放热功率，乘积为0表示同一时刻不能同时储热和放热，求和为0表示满足储热系统周期热容量不变约束，s
m,max
为第m个储热电站最大储热容量；和分别表示第v个光伏发电系统正常运行时的最大和最小发电功率；和分别为第r个热电联产机组最大和最小允许输出电功率，和分别为第r个热电联产机组向上和向下爬坡率限制。

技术特征：
1.一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：在退役或老化火电机组中加装高温熔盐罐(2)、低温熔盐罐(3)、第一换热器(4)、第二换热器(5)和电加热器(1)，并利用火电机组的热力循环系统(6)和汽轮机(7)构成集中式熔盐储热电站，具体工作流程如下：首先，在熔盐罐最大允许存储量内，熔盐储热电站电加热器(1)利用光伏弃光或电网低谷余电加热低温导热工质，或者熔盐储热电站第二换热器(5)利用县域热网余热与低温导热工质进行热交换，产生高温导热工质；高温导热工质与低温熔盐在第一换热器(4)中进行热交换，产生高温熔盐和低温导热工质，高温熔盐进入高温储热罐(2)中实现热量存储，低温导热工质返回电加热器(1)与第二换热器(5)中再次利用，在热力循环系统(6)中，高温熔盐产生高温蒸气，推动汽轮机(7)旋转发电，或高温熔盐热交换后直接向县域热网供热，产生低温熔盐储存在低温熔盐罐(3)中，从而实现县域电网和热网的余电余热回收，促进光伏消纳，同时为县域供电供热，提高县域供能稳定性。2.根据权利要求1所述的一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法，其特征在于：包括步骤二：建立县域电热协同调度架构，包括整县光伏(8)、火电机组改造的熔盐储热电站(9)、热电联产机组(10)、热负荷(11)、电负荷(12)、电网(14)以及热网(13)；调度架构中整县光伏(8)、熔盐储热电站(9)和热电联产机组(10)发电用于平衡县域电负荷，同时熔盐储热电站(9)可在电力供大于求时，吸收光伏弃光发电或电网低谷电，转化为热能进行存储，在电力供小于求时，释放存储的热能，通过热力循环系统(6)和汽轮机(7)发电；热电联产机组(10)和熔盐储热电站(9)供热用于平衡县域热负荷，同时熔盐储热电站(9)也可存储热网余热，并将热能转化为电能或在其他时刻释放热能，从而提高县域供电供热灵活性。3.根据权利要求2所述的一种火电机组改造熔盐储热电站及电热协同调度方法，其特征在于：还包括步骤三：建立基于熔盐储热电站的县域电热协同经济调度模型，包括目标函数和约束条件：目标函数综合考虑光伏运行维护成本f1、弃光惩罚成本f2、热电联产机组发电成本f3、火电灵活性改造成本f4以及熔盐储热电站建设与运维成本f5，具体如下：f＝min(f1+f2+f3+f4+f5)))f4＝(1-η
tpu
)k
t
δp
tpu
式中，t为运行时段，t为周期总时长；v为县域内光伏发电系统总数，为第v个光伏发
电系统运行维护成本系数，为t时段第v个光伏系统发电功率；为第v个光伏发电系统弃光惩罚系数，为t时段第v个光伏系统弃光电量，为t时段第v个光伏系统出力预测值；r为热电联产机组总数，a
r
，b
r
，c
r
分别为第r个热电联产机组运行成本二次项、一次项和常数项系数，为第r个热电联产机组在t时段的电出力，为第r个热电联产机组在t时段的供热功率，为第r个热电联产机组固定进汽量下抽取单位蒸汽量时电功率的减少值；η
tpu
为剩余价值利用系数，k
t
为改造投资系数，δp
tpu
为机组灵活性改造容量，对于关停火电机组，其灵活改造容量即为储热电站最大等效电功率；m为熔盐储热电站总数，为第m个熔盐储热电站年均成本，为第m个熔盐储热电站最大储热容量，r
m
为贴现率，y
m
为第m个熔盐储热电站使用年限；为第m个熔盐储热电站运行维护成本系数，为第m个熔盐储热电站在t时段的电出力，第m个熔盐储热电站在t时段的供热功率；所述约束条件需满足电力系统约束和热力系统约束，具体为电功率平衡、热功率平衡、熔盐储热电站运行约束、光伏出力约束以及热电联产机组约束，如下：如下：如下：如下：如下：式中，为t时段系统总电负荷，为t时段系统总热负荷，s
m,t
为第m个熔盐储热电站在t时段储热量，和分别为第m个熔盐储热电站在t时段储热和放热功率，和分别为第m个储热电站最大储热和放热功率，乘积为0表示同一时刻不能同时储热和放热，求和为0表示满足储热系统周期热容量不变约束，s
m,max
为第m个储热电站最大储热容量；和分别表示第v个光伏发电系统正常运行时的最大和最小发电功率；
和分别为第r个热电联产机组最大和最小允许输出电功率，和分别为第r个热电联产机组向上和向下爬坡率限制。

技术总结
本发明涉及一种火电机组改造熔盐储热电站及县域电热协同调度方法。首先提出一种火电机组灵活性改造熔盐储热电站的方法，在关停或退役火电机组中加装高温熔盐罐、低温熔盐罐、换热器和电加热器，并利用火电机组的热力循环系统和汽轮机，建设电热协同的熔盐储热电站。其次，提出县域电热协同调度架构，利用整县光伏弃光及县域电网富余电力加热导热工质储热，或直接存储县域热网余热，并利用火电机组热力循环系统及汽轮机进行储热发电或直接供热，在提升光伏消纳率的同时提高县域供电供热灵活性。最后，提出一种基于熔盐储热电站的县域电热协同经济调度方法，以县域电力系统发电成本最小为目标，综合考虑电力系统与热力系统约束，制定最优调度计划。制定最优调度计划。制定最优调度计划。


技术研发人员：刘佳婕 贾燕冰 葛怀宇 陈俊先 石俊逸 尉楠 王子辉 韩肖清
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/9