本發(fā)明涉及一種電熱鍋爐參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制方法，屬于需求側(cè)的系統(tǒng)頻率控制技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，電力供應(yīng)時段性緊缺現(xiàn)象日益嚴重。電力系統(tǒng)運行中經(jīng)常出現(xiàn)負荷預(yù)測與實際運行差距較大或者系統(tǒng)遭受事故，對系統(tǒng)有功平衡造成嚴重影響，若不及時進行控制將導(dǎo)致頻率崩潰。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中主要從電源側(cè)入手，執(zhí)行“電源調(diào)度”，即調(diào)度中心只能通過控制火電、水電及抽水蓄能等調(diào)頻機組出力完成調(diào)頻任務(wù)。常規(guī)的發(fā)電側(cè)調(diào)頻服務(wù)資源不僅受爬坡/滑坡速率約束，特別是伴隨分布式能源裝機容量的快速增長和大規(guī)模并網(wǎng)，其出力的隨機波動性極大地增加了電網(wǎng)運行調(diào)度，發(fā)電側(cè)調(diào)頻的成本越來越高，常規(guī)電源提供調(diào)頻的方式已經(jīng)無法適應(yīng)新形勢的發(fā)展。

不同于傳統(tǒng)的基于發(fā)電側(cè)頻率調(diào)節(jié)控制方法，通過合理的控制措施使需求側(cè)資源能夠根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差方向及時、快速、精確地調(diào)整負荷狀況，可以緩解電網(wǎng)供需平衡。而電熱鍋爐是一種通過多個電熱管將電能轉(zhuǎn)換成熱能，生產(chǎn)較高溫度的熱水或一定壓力的蒸汽的裝置。一方面具有短暫的能量存儲特性，短時間改變運行狀態(tài)不會影響其效用，另一方面它具有熱效率高、調(diào)節(jié)靈活、性能穩(wěn)定等特點，容易實現(xiàn)功率快速調(diào)整，維持發(fā)電功率和負荷需求的平衡。

但是目前尚欠缺電熱鍋爐參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制方法的研究。在研究電熱鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻控制中，必須結(jié)合電熱鍋爐自身運行狀態(tài)及裕度限制以研究調(diào)頻控制方式，所以需要首先建立電熱鍋爐動態(tài)模型，獲取鍋爐運行時的實時狀態(tài)變量，然后以此建立電熱鍋爐參與調(diào)頻的控制方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有調(diào)頻方式和技術(shù)的不足，提出了一種電熱鍋爐參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制方法，使電熱鍋爐參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)過程中，有效減少調(diào)頻備用發(fā)電機組的容量需求，減少調(diào)頻成本。

技術(shù)方案

為實現(xiàn)上述目的，具體采用以下技術(shù)方案：

一種電熱鍋爐參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

電熱鍋爐動態(tài)模塊：根據(jù)當前時刻的回水溫度及加熱功率采樣值計算下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度，并將其傳遞給電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊；

發(fā)電機系統(tǒng)等值模塊：根據(jù)負荷的狀態(tài)結(jié)合轉(zhuǎn)子運動方程，獲取系統(tǒng)頻率波動情況；

電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊：根據(jù)系統(tǒng)頻率波動情況判斷是否參與系統(tǒng)調(diào)頻，根據(jù)接收的下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度計算電熱鍋爐的調(diào)頻潛力，根據(jù)電熱鍋爐的調(diào)頻潛力調(diào)整鍋爐加熱功率完成電熱鍋爐參與系統(tǒng)調(diào)頻控制。

所述電熱鍋爐動態(tài)模塊計算下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度t(t+1)的方法為：

其中，c表示水比熱容；m表示加熱環(huán)節(jié)水體質(zhì)量；t表示水體水溫平均值；α表示加熱效率系數(shù)；δp(s)表示鍋爐加熱功率變化積分量；δtin(s)表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)回水溫度變化積分量；δtout(s)表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)出水溫度變化積分量；u表示循環(huán)流量；tout表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)出水溫度；tin表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)回水溫度；s表示對時間的導(dǎo)數(shù)算子。

所述發(fā)電機系統(tǒng)等值模塊獲取系統(tǒng)頻率波動情況的模型為：

δpm-δpl＝(2hs+d)δf

式中：δf為系統(tǒng)頻率變化量；h為發(fā)電機組慣性常量；d為定常阻尼系數(shù)；δpm為發(fā)電機的機械功率增量變化；δpl為負荷功率變化量；s為對時間的導(dǎo)數(shù)算子。

所述電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊計算電熱鍋爐的調(diào)頻潛力的公式如下：

式中，δpmin為最小調(diào)頻潛力；δpmax為最大調(diào)頻潛力；tmin為鍋爐水體平均溫度最小值；；t0為穩(wěn)態(tài)運作時鍋爐水體平均溫度；tmax為鍋爐水體平均溫度最大值；t0為鍋爐參與調(diào)頻時間，一般選取5min～15min。

一種電熱鍋爐參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、進入第一個采樣周期，獲取t時刻回水溫度tin(t)、鍋爐加熱功率peboil(t)，計算t+1時刻電熱鍋爐水體平均溫度t(t+1)；

步驟二、獲取系統(tǒng)頻率變化量δf(t)，并判斷|δf|是否大于頻率允許波動范圍；

步驟三、若|δf|＞ε，ε為電網(wǎng)頻率允許偏差，一般選取0.2～0.5，電熱鍋爐參與系統(tǒng)調(diào)頻控制，計算電熱鍋爐最大調(diào)頻潛力并調(diào)整鍋爐加熱功率，即鍋爐出水溫度在一段時間t0后達到tmax所需的加熱功率；若|δf|＜ε，進入下一個采樣周期；

步驟四、獲取各類負荷狀態(tài)并根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模塊獲取t+1時刻系統(tǒng)頻率變化量δf(t+1)；

步驟五、一段時間t0后，電熱鍋爐退出調(diào)頻，加熱功率返回未參與調(diào)頻狀態(tài)時的數(shù)值。

所述步驟一中的t+1時刻電熱鍋爐水體平均溫度t(t+1)計算公式如下：

其中，c表示水比熱容；m表示加熱環(huán)節(jié)水體質(zhì)量；t表示水體水溫平均值；α表示加熱效率系數(shù)；δp(s)表示鍋爐加熱功率變化積分量；δtin(s)表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)回水溫度變化積分量；u表示循環(huán)流量；tout表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)出水溫度；tin表示鍋爐加熱環(huán)節(jié)回水溫度；s表示對時間的導(dǎo)數(shù)算子。

所述步驟三中的最大調(diào)頻潛力計算公式如下：

式中，δpmin為最小調(diào)頻潛力；δpmax為最大調(diào)頻潛力；tmin為鍋爐水體平均溫度最小值；t0為穩(wěn)態(tài)運作時鍋爐水體平均溫度；tmax為鍋爐水體平均溫度最大值；t0為鍋爐參與調(diào)頻時間，一般選取5min～15min。

1、有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1)本發(fā)明從需求側(cè)角度將電熱鍋爐這種具有儲能特性的負荷引入到系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)中，改善了系統(tǒng)頻率特性，減少負荷突然變動時的頻率波動，加快頻率恢復(fù)速度，有效減少調(diào)頻備用發(fā)電機組的容量需求，減少調(diào)頻成本。

2)電熱鍋爐參與系統(tǒng)調(diào)頻模型構(gòu)建包含兩個部分：(1)電熱鍋爐動態(tài)模型；(2)電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊。這兩個模塊相輔相成，電熱鍋爐動態(tài)模型依據(jù)加熱過程的物理狀態(tài)建立電熱鍋爐水溫方程，為頻率響應(yīng)模塊提供實時的水溫狀態(tài)，同時電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊決定的電熱鍋爐加熱功率反饋到電熱鍋爐模型，影響電熱鍋爐水溫狀態(tài)變量。

3)控制電熱鍋爐進行調(diào)頻的過程，既能夠充分考慮電熱鍋爐自身參數(shù)的限制，將電熱鍋爐安全穩(wěn)定控制放在第一位，又能充分發(fā)揮電熱鍋爐的調(diào)頻潛力。即電熱鍋爐調(diào)頻控制策略中，在滿足出水溫度的上下限的前提下，根據(jù)電網(wǎng)頻率狀態(tài)及電熱鍋爐水溫方程，最大限度地調(diào)用電熱鍋爐加熱功率，參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)。本發(fā)明控制系統(tǒng)改變電熱鍋爐負荷大小，實現(xiàn)功率快速調(diào)整，維持發(fā)電功率和負荷需求的平衡。

附圖說明

圖1為汽輪機調(diào)速器模塊；

圖2為汽輪機系統(tǒng)；

圖3為鍋爐調(diào)頻控制策略；

圖4為電熱鍋爐參與電力系統(tǒng)調(diào)頻模型圖。

圖5為電熱鍋爐動態(tài)模型圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

為將電熱鍋爐有效地參與到電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定與控制中，綜合考慮發(fā)電機一次調(diào)頻、常規(guī)負荷調(diào)頻和電熱鍋爐調(diào)頻三種調(diào)頻方式，建立發(fā)電機-負荷頻率響應(yīng)模型。

發(fā)電機側(cè)參與系統(tǒng)頻率需要考慮原動機及其調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性，為此需建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。典型原動機系統(tǒng)包括汽輪機調(diào)速模塊如圖1所示和汽輪機模塊如圖2所示。

汽輪機調(diào)速模塊包括汽輪機一次調(diào)頻系統(tǒng)、繼動器和液壓油動機三部分組成。其中一次調(diào)頻系統(tǒng)是將電網(wǎng)頻率變化量δf經(jīng)單位調(diào)節(jié)功率kg，加入到調(diào)速器模塊的機械功率整定值pref中，以改變發(fā)電系統(tǒng)的機械功率輸出值pm。繼動器采用一階慣性環(huán)節(jié)模塊，時間常數(shù)為tsr。油動機采用單位輸出反饋，tsm為油動機積分時間常數(shù)，μ為氣門開度。

汽輪機模塊采用計及高壓蒸汽、中間再熱蒸汽及低壓蒸汽容積效應(yīng)的三階模型。tch、trh和tco分別為高壓缸汽室、中間再熱管以及跨界管的蒸汽容積時間常數(shù)，f1、f2、f3分別為高、中、低壓穩(wěn)態(tài)輸出功率占總輸出的百分比。

模型建立

(1)發(fā)電機調(diào)頻模型

發(fā)電機側(cè)參與系統(tǒng)頻率需要考慮原動機及其調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性，為此需建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。典型原動機系統(tǒng)包括汽輪機調(diào)速模塊和汽輪機模塊，調(diào)速器系統(tǒng)又稱為發(fā)電機組的一次調(diào)頻系統(tǒng)，其功頻靜特性為：

δpg＝-kgδf(1)

式中δpg——發(fā)電機功率變化量；

kg——發(fā)電機的單位調(diào)節(jié)功率；

δf——系統(tǒng)頻率變化量。

將電網(wǎng)頻率變化量δf經(jīng)單位調(diào)節(jié)功率kg，加入到調(diào)速器模塊的機械功率整定值pref中，以改變發(fā)電系統(tǒng)的機械功率輸出值pm，構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)的一次調(diào)頻系統(tǒng)如圖1、2所示。

(2)常規(guī)負荷調(diào)頻模型

忽略負荷電壓等因素，負荷吸收的有功功率的大小與系統(tǒng)頻率變化呈線性，其功頻靜特性為：

式中δpl——負荷功率變化量；

kl——負荷的單位調(diào)節(jié)功率；

kl*——負荷的單位調(diào)節(jié)功率標幺值；

fn——系統(tǒng)額定運行頻率；

pln——額定頻率下的系統(tǒng)負荷；

δf——系統(tǒng)頻率變化量。

(3)發(fā)電機-負荷頻率響應(yīng)模型

發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動標幺值方程：

式中，h——發(fā)電機組慣性常量；

ω——轉(zhuǎn)子角速度和同步速的偏差；

d——定常阻尼系數(shù)；

pm——發(fā)電機的機械功率；

pe——系統(tǒng)電磁功率。

當電力系統(tǒng)中電磁功率隨著負荷的變化才能使系統(tǒng)平衡，即pe＝pl。當負荷發(fā)生變化增量變化時，轉(zhuǎn)子運動方程的增量方程為：

式中，δω——轉(zhuǎn)子角速度和同步速的偏差增量變化；δpm——發(fā)電機的機械功率增量變化；δpl——負荷功率增量變化；

將上式進行拉普拉斯變換后得：

δpm-δpl＝(2hs+d)δω(5)

式中，s——對時間的導(dǎo)數(shù)算子；

用標幺值表示時，δω＝δf，則式(5)也可表示為：

δpm-δpl＝(2hs+d)δf(6)

(4)電熱鍋爐調(diào)頻模型

電熱鍋爐是一個大功率的電力調(diào)功設(shè)備，目前國內(nèi)電熱鍋爐采用電阻式管狀電熱元件，加熱系統(tǒng)的加熱功率主要轉(zhuǎn)化為兩部分能量：引起鍋爐水體溫度變化的功率和鍋爐水體循環(huán)功率。依此建立鍋爐加熱系統(tǒng)水溫方程如式(7)：

式中c——水比熱容(j/℃)；

m——加熱環(huán)節(jié)水體質(zhì)量(kg)；

t——水體水溫平均值(℃)；

α——加熱效率系數(shù)；

p——鍋爐加熱功率(kw)；

u——循環(huán)流量(kg/s)；

tout、tin——鍋爐加熱環(huán)節(jié)出水和回水溫度(℃)。

水溫方程的增量方程為：

式中，δtout——鍋爐加熱環(huán)節(jié)出水溫度增量變化(℃)；

δtin——鍋爐加熱環(huán)節(jié)回水溫度增量變化(℃)；

p0——初始狀態(tài)時，鍋爐加熱功率(w)；

tout0——初始狀態(tài)時，鍋爐加熱環(huán)節(jié)出水溫度(℃)；

δp——電熱鍋爐加熱功率增量變化(w)。

將式(8)進行拉普拉斯變換后得：

由此，可得電熱鍋爐的動態(tài)模型如圖5所示。

電熱鍋爐調(diào)頻控制策略

電熱鍋爐調(diào)頻的原理為通過系統(tǒng)頻率偏差信號和實時水體溫度值，迅速調(diào)整自身工作狀態(tài)和消耗功率大小。考慮電熱鍋爐工作特性以及其調(diào)頻時間需涵蓋系統(tǒng)一次調(diào)頻過程，本文規(guī)定電熱鍋爐參與調(diào)頻時間t0為5min，5min后自動退出調(diào)頻模式，以保證電熱鍋爐正常穩(wěn)定運行，主要的控制方法如圖3所示。

s1：實時監(jiān)測系統(tǒng)頻率變化δf和鍋爐加熱環(huán)節(jié)水體溫度t；

s2：首先進入第一個采樣周期，獲取電網(wǎng)實時頻率，判斷其是否超過頻率設(shè)定上下限；

s3：若電網(wǎng)頻率越上限，電熱鍋爐進入調(diào)頻模式，根據(jù)式(3)計算鍋爐出水溫度在5mim時達到鍋爐出水溫度上限tmax所需的加熱功率變化值δpmax；5min后加熱功率恢復(fù)初始狀態(tài)，電熱鍋爐退出調(diào)頻模式。

s4：若電網(wǎng)頻率越下限，電熱鍋爐進入調(diào)頻模式，根據(jù)式(3)計算鍋爐出水溫度在5mim時達到鍋爐出水溫度下限tmin所需的加熱功率變化值δpmin；5min后加熱功率恢復(fù)初始狀態(tài)，電熱鍋爐退出調(diào)頻模式

s5：進入下一個采樣周期。

本發(fā)明提供一種電熱鍋爐參與電網(wǎng)頻率的控制系統(tǒng)，如圖4所示，共包括三大模塊：電熱鍋爐動態(tài)模型、電熱鍋爐頻率響應(yīng)模型、發(fā)電機系統(tǒng)等值模型。電熱鍋爐動態(tài)模型是根據(jù)當前時刻的回水溫度及加熱功率采樣值計算下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度，并將其傳遞給電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊；電熱鍋爐頻率響應(yīng)模型首先根據(jù)電網(wǎng)頻率變化判斷是否參與系統(tǒng)調(diào)頻，并計算電熱鍋爐的調(diào)頻潛力；發(fā)電機系統(tǒng)等值模型是根據(jù)各類負荷的狀態(tài)結(jié)合轉(zhuǎn)子運動方程，獲取系統(tǒng)頻率波動情況。

以一個單區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)為例，考慮電熱鍋爐工作特性以及其調(diào)頻時間需涵蓋系統(tǒng)一次調(diào)頻過程，本文規(guī)定電熱鍋爐參與調(diào)頻時間t0為5min。當負荷在10s時突然增加150kw，結(jié)合圖3、4，具體說明本發(fā)明方法的實施過程：

第一步：進入第一個采樣周期，獲取t時刻回水溫度tin(t)＝60℃、鍋爐加熱功率peboil(t)＝200kw，根據(jù)式(9)可知一個采樣周期鍋爐水體出水溫度的改變量δtout不變，t+1時刻電熱鍋爐水體出水溫度保持t(t+1)＝87℃；

第二步：電熱鍋爐頻率響應(yīng)模塊獲取系統(tǒng)頻率變化量δf(t)，并判斷|δf|是否大于頻率允許波動范圍；

第三步：若|δf|＞ε，電熱鍋爐參與系統(tǒng)調(diào)頻控制，則采樣t+1時刻電熱鍋爐水體出水溫度t(t+1)＝87℃代入式(8)，計算電熱鍋爐最大調(diào)頻潛力即鍋爐加熱功率調(diào)整為peboil＝200-δpmin＝100.59kw；若|δf|＜ε，進入下一個采樣周期；

第四步：獲取各類負荷狀態(tài)并根據(jù)系統(tǒng)頻率響應(yīng)模塊獲取t+1時刻系統(tǒng)頻率變化量δf(t+1)；

第五步：5min后，鍋爐水溫降低了8.625℃，加熱功率peboil＝100.59kw，相比于鍋爐未參與調(diào)頻，系統(tǒng)頻率變化量δf減小了0.1112hz，電熱鍋爐退出調(diào)頻，此時加熱功率返回未參與調(diào)頻狀態(tài)時的數(shù)值peboil＝200kw，一段時間后水體溫度也相應(yīng)的恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。