吴立东1 吴瑊2
（1.中国大唐集团新能源股份有限公司 北京石景山区 100053 2.东北大学秦皇岛分校控制工程学院 河北 秦皇岛 066004 )
摘要：为降低北方风电场的弃风率，结合北方冬季的供暖需求，风电供暖系统作为解决方案被提出。本文针对风电与热电联产机组供暖系统瓶颈问题，热电联产机组频繁启停问题展开研究，提出在该系统硬件单元中增加储能单元、在控制环节中增加预测控制环节、以及二者相结合的控制方案。仿真分析表明，三种方法都明显减少了热电联产机组启停次数，二者相结合的控制方法最优。
关键词：风电供暖；频繁启停；储能单元；预测控制
Research on the Key Technologies of Wind Power and Thermal Power Production Unit Heating System
Wu Li-dong1, Wu Jian2
（China Dating Corporation Renewable Power Co.Limited , Beijing 100053 China；Northeastern University at Qinhuangdao, Hebei 066004 China）
ABSTRACT: To reduce the rate of abandoned wind with north wind farm, combined with the northern winter heating demand, wind power heating systems have been proposed as a solution. In this paper, wind power and thermal power cycle unit heating system bottlenecks issues, combined cycle units start and stop frequently issues research, proposed to increase the storage unit in the system hardware units, an increase of predictive control link in the control segment, and the combination of both control Program. Simulation results show that the three methods have significantly reduced the thermal power cycle units start and stop times, the combination control method is the optimal way.
Key words: Wind heating；Frequent starts and stops；Storage unit；Predictive control.
引言
为了缓解黄河以北地区冬季供暖期间风电并网运行困难，提高风资源丰富地区的风电消纳能力，减少火力发电厂化石能源低效燃烧带来的环境污染，改善北方地区冬季大气环境质量，促进城镇能源利用清洁化，国家能源局在具备条件的地区大力推广风电清洁供暖技术［1］。风电供暖一方面可以解决燃煤供暖所带来的污染问题，另一方面还可以缓解风电场弃风限电的问题［2］。
近年来，我国北方地区的风能资源冬季夜间最大，而这正是用电负荷的低谷时段和取暖供热的高峰时段，为了满足建筑取暖供热需要，热电联产机组需优先运行，几乎把电力负荷的空间全部占去了，风电机组被迫弃风停运［3］。
热电联产机组与风电联合供暖方案，是将风电作为主要的供热供电来源，该方案已在东北试点运行［4］。热电联产机组作为辅助的供热供电来源，由于风的随机性，在联合运行过程中，热电联产机组频繁启停。大型热电联产机组的频繁启停，对设备的疲劳度影响很大，长时间运行会加速设备的老化。
为缓解风电与热电联产机组联合供暖而引起的热电联产机组频繁启停问题，本文提出并分析了储能单元在系统中的作用，预测控制在系统中的作用，以及二者相结合的控制方法，在缓解热电联产机组频繁启停，提高风电与热电联产机组联合供暖系统工作效率方面效果显著。
1 风电与热电联合供暖系统原理
风电与热电联产机组联合供暖系统原理示意图如图1所示，主要由热电联产机组、风力发电机组、泵、控制器、热水与冷水管道和电网等几部分组成。联合供暖系统以风能作为主要的电力和供暖的来源，煤炭作为辅助的供暖来源。电力线缆通过热电联产机组原有的线路进入主电网；与之前的热电联产机组相比，主要的区别在于更换了热电联产机组的水箱为电热型水箱，既可以利用热电联产机组的余热供暖，也可利用风电机组发电烧水供暖。近年来，风电供暖项目与逐渐被地区采用并作为示范项目实施。
该系统以风电作为主要的能量来源，热电联产机组作为辅助的能量来源。但是由于风的随机性，风力的间断性缺失造成热电联产机组的频繁启停，这样造成机组设备的使用寿命急剧下降。
储能单元在系统中的作用
2.1 储能单元的功能
储能单元是由蓄电池组构成的。储能单元的功能：一方面能在一定程度上平滑风电波动造成的影响，另一方面，在风速低和没有风的情况下，替代风能供电和供热，减缓热电联产机组的频繁启停。
蓄电池容量和安时数的选取，是联合供暖的关键技术之一。根据风场常规的容量，50MW的风场在无风条件下支持2小时电力输出计算，共需要100MWh。系统选配180AHA电池。
储能单元的充电由风能供给。
增加储能单元后的供电供暖系统示意图如图2。与之配套的设备，是在风电机组供电同时，经过整流电路给储能单元充电，以及无风条件下，蓄电池出力，一方面通过逆变电路向电网供电，另一方便通过逆变电路烧水。
在阵风和低风速条件下，储能系统可有效缓解热电联产机组的频繁启停，提高本系统对电网供电的可靠性。与热电联产机组频繁启停引起的设备维修造成的损失相比，前期的对储能单元的经济投入是可行的。
3 预测控制在系统中的作用
由于风速的不确定性，目前大部分风力发电厂配备了风速和风功率预测系统，一般可预测两小时后的风速和风功率曲线，以及全年的风速和风功率曲线。李俊豪在风电场风速及风电功率短期预测方法研究一文中指出，大部分已投入使用的风功率监测系统的预测误差在12%~30%左右。从理论上说，预测周期的长短与预测误差成正比。
张冬晛在风电场风速及风功率预测研究一文中指出，最简单的预测方法是持续法，即把最近一点的风速或功率观测值作为下一点的预测值。依靠时间序列的预测方法除了持续法以外，卡尔曼滤波法，最小二乘支持向量机法也是常用的时间序列预测法的演变方法；依靠智能算法实现预测的有神经网络预测法、模糊逻辑法和混沌预测法。风功率预测的方法选取以及预测精度的提高，是联合供暖的关键技术之一。本文引进风电预测系统常见的风功率预测方法做策略分析。
3.1 最小二乘支持向量机
支持向量机(support vector machine，SVM)的改进算法，最小二乘支持向量机(least square support vector machine，LS-SVM)时间序列预测中精确度较高的预测方法。与支持向量机算法相比，最小二乘支持向量机算法的优点是：将支持向量机中的不等式约束改为等式约束，将支持向量机中的误差平方和损失函数作为训练集的经验损失，把支持向量机的二次规划问题转化为求解线性方程组问题，从而最小二乘支持向量机能提高求解问题的速度和收敛精度，提高了预测算法的有效性。
结论
在该热电联产系统硬件单元中增加储能单元、在控制环节中增加预测控制相结合的控制方案，科有效减少热电联产机组启动次数，并可最大化利用清洁能源。其中储能单元作用最为明显。除了利用蓄电池储能以外，有待研究更高效的储能方法，例如压缩空气储能和蓄水储能等方案，进一步提供清洁能源的利用率。
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作者简介：
吴立东（1979-），男，汉族，高级工程师，硕士，研究方向为风电机组关键技术。E-mail: jsj_99131@163.com
吴瑊（1985-），男，汉族，学士，研究方向为风电机组控制技术。E-mail: libin727328@163.com
论文作者:吴立东1,吴瑊2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第12期
论文发表时间:2016/8/25
标签：机组论文; 热电论文; 风电论文; 储能论文; 向量论文; 系统论文; 风速论文; 《电力设备》2016年第12期论文;