PDF《补偿风电扰动的供热机组快速变负荷控制方法》

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1 补偿风电扰动的供热机组快速变负荷控制方法 刘鑫屏1 ,田亮1,

2 ,王琪1 ( 1. 华北电力大学控制与计算机工程学院,河北省保定市

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0 3;

2. 新能源电力系统国家重点实验室,华北电力大学,北京市

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0 6 ) 摘要:电网消纳扰动性风电的能力是制约风电发展的瓶颈.传统火电机组负荷响应速率较低难以 完成这一要求.供热机组热网中大量管道、 换热器、 散热器具有很大的蓄热能力, 可以在短时间内 利用其蓄热提高其负荷响应能力.在实验验证这一思路的基础上, 通过对自动发电控制( AG C) 负 荷指令进行非线性多尺度分解, 构造了供热机组负荷指令, 针对典型供热机组简化非线性动态模 型, 设计了一种机组优化控制系统方案, 可以在不影响热用户的前提下, 充分利用供热热网蓄热, 大 幅度提高机组负荷响应速率, 补偿风电随机性扰动. 关键词:风电并网;

供热机组;

调峰;

调频;

蓄热;

优化控制 收稿日期:

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0 1;

修回日期:

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2 8. 国家重点基础研究发展计划(973计划)资 助项目(2012CB215203);

中央 高校基本科研业务费专项资金资助项目(

1 1 QG

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0 引言 随着风电等间歇性能源的大规模并网, 大容量 储能技术的瞬时及精确负荷控制能力是目前的研究 热点[

1 - 3] .储能技术成为坚强智能电网发展的重要 科研问题.按照服务对象, 储能整体上可以划分为 两大类.一类是侧重满足电网调峰、 调频要求, 用以 应对日渐复杂多变的用电负荷需求和新能源大量并 网后不稳定的发电负荷对电网造成的冲击, 这类储 能要求有大的能量存储量, 如抽水蓄能电站、 燃气轮 机电站、 大规模的压缩空气储能电站及蓄电池电站 等[

4 - 6] ;

另一类是侧重满足用户直接用电需要, 用以 提高用电可靠性、 降低污染或使用成本、 提高系统性 能, 这类储能要求的能量存储量相对较小, 但对体积 及可靠性等有特殊要求, 如不间断电源、 电动汽车中 使用的飞轮储能、 蓄电池及燃料电池储能、 超级电容 储能等.本文涉及的储能问题属于前一类. 火力发电在中国电源结构中仍将占据较大比 重.火电机组发电负荷―压力对象具 有大惯性、 大 迟延特性, 为提高机组负荷响应速率来满足电网要 求, 需要充分合理利用机组储能, 火电机组的储能在 参与自动 发电控制(AG C) 调节中发挥重要作用. 研究发现, 热力系统中的" 储能" 是同" 储物" 密不可 分的, 即能量是携带于物质中的, 需要存 储多少能 量, 就需要存储与之相对应容量的工质.火电机组 本质上是完成燃料化学能向电能的转换过程, 在这 一转换过程的各个环节中实际上都或多或少有能量 存储[ 7] .目前协调控制系统设计方案中, 炉跟机方 案正是利用了水冷壁、 汽包、 过热器等汽水管道的蓄 热( 即锅炉蓄热) 以提高机组负荷响应速率, 但是会 引起汽轮机前压力的波动而影响机组安全经济运 行.另外凝结水节流方案也是利用凝结水水箱和除 氧器水箱提供的工质存储能力, 暂时利用了原本用 于回热系统中通过加热给水的能量提高机组负荷响 应速率的方法, 但是此方法节流速度较慢且受除氧 器水箱水位和凝汽器水箱水位限制, 有效利用时间 较短[ 8] . 中国北方地区, 供热机组占总发电机组装机容 量的3 5%以上, 其中绝大部分为抽汽式供热机组. 冬季供暖期内, 供热机组为一定区域内的热用户提 供热源.供热热网内包含大量管道、 换热器、 散热器 等设备, 具有很大的热惯性.实验表明, 热源端供热 量在十几到几十分钟的时间尺度内波动时, 不会对 用户端造成可察觉的影响.供热机组在供热工况 下, 有大量储能可以利用.

1 实现思路 风力发 电出力水平与风电场风速密切相关, 图1显示了某风电场单台1.

5 MW 机组出力变化曲 线.可以看出, 风力发电功率变化范围和变化速率 都很剧烈, 超出了传统火电机组能够补偿的范围. 风电机组大规模并网后, 其发电功率不确定性将会 给电网造成很大的扰动. ―

6 2 ― 第38卷第6期2014年3月25日Vol.38No.6Mar.25,

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1 4 图1 风电场单台1.

5 MW 机组发电出力变化曲线 F i g .

1 G e n e r a t i o no u t p u t c h a n g i n gc u r v eo fa s i n g l e 1.

5 MWu n i t i naw i n dp o w e rp l a n t 区域电网内发电机组整体调峰调频能力将在很 大程度上决定着电网接纳风电负荷的能力[

9 -

1 2 ] .经 过比较不同类型火电机组的特性发现, 循环流化床 机组具有优良的调峰能力但调频能力差;

而供热机 组调峰能力差, 但可能具有优良的调频能力. 依靠循环流化床锅炉机组提供基本调峰能力, 依靠供热机组提供基本调频能力, 风电和火电联合 调度可以补偿风电出力的随机性扰动.循环流化床 锅炉最主要的优势之一是具有很宽的负 荷调节范 围, 并且在低负荷下机组热效率降低仍然在可接受 范围内.但是循环流化床锅炉负荷升降速率和一次 调频能力相对较差, 为此需要提高供热机组特别是 冬季供热工况下的负荷响应速率和一次调频能力. 利用热网储能提高供热机组负荷响应速度的方 法具有以下优势: ①供热机组与风电机组分布的地 理位置大致相同, 可以就地消纳风力发电的冲击性 功率;

②供热期内恰好风电高发、 水电或抽水蓄能电 站低发, 时间互补性好;

③与建设抽水蓄能电站或其 他方式的蓄能电站相比, 此方案具有成本优势;

④火 力发电热力过程的基础理论和工程技术 都比较成 熟;

⑤能够减小锅炉燃烧扰动和主要参数的波动, 有 利于机组稳定运行并降低供电煤耗.

2 机组负荷指令分解 2.

1 信号特征描述 循环流化床发电机组在大型燃煤机组中具有最 大的负荷调节范围.其负荷下限可以达到额定负荷 的1 5%, 同时还可以采用" 压火" 操作快速停炉, 机 组调峰特性优良.但受其设备特性所限, 燃料在床 内燃烧过程相对缓慢, 蒸汽压力响应锅炉燃料量的 惯性时间在6

0 0s以上、 纯迟延时间在2

0 0s以上, 负荷调节速率只能达到每分钟1%额定负荷.可以 依靠循环流化床锅炉机组提供基本调峰能力.将AG C负荷指令中变化缓慢的部分分解出来作为循 环流化床机组的负荷指令. 供热机组承担城市集中供暖任务, 利用热网中 大量管道、 换热器、 散热器的蓄热能力, 能在不对热 用户造成可察觉影响的条件下, 在短时间内利用热 网储能快速改变机组发电出力, 满足电网短期补偿 风电波动的需求.将AG C 负荷指令中快速变化的 部分分解出来作为供热机组负荷指令. 将电网 AG C 负荷指令分解, 可以采用不同的 分解方法, 设计不同的滤波器.为了更为详细地分 析负荷指令信号的特点, 一般采用多尺度分析方法 对负荷指令的时空特性进行分析.最为常见的多尺 度分析方法为小波分析, 但其存在着物理意义不明 晰、 计算过程复杂的缺点, 文献[

1 3 ] 研究了一种简洁 并且具有明确物理意义的信号多尺度分解方法.但 需要注意的是, 电网侧给出 AG C 指令的负荷升/降 速率及协调控制系统中设置速率限制的模块, 都是 以非线性方式给出的.在指令侧增加速率限制的目 的在于防止指令变化时, 控制系统对被控对象施加 过大的控制量, 导致控制机构动作速度超出其性能 允许范围或对被控对象造成不可接受的扰动.速率 限制非线性对执行机构及被控对象的保护作用更为 有效, 可以将其简单解释为: 输入指令信号幅度变化 越大, 就允许系统以更慢的速度动作.这符合一般 的物理及工程学的规律.所以希望在研究线性多尺 度分析方法基础上, 设计更适合供热机组负荷指令 分解的非线性滤波器进行非线性多尺度分解. 2.

2 指令非线性多尺度分解 为了更为详细地分析负荷指令信号的特点, 以 线性多尺度分解方法为基础[

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1 4 ] , 下文将提出一种 非线性滤波器将信号分解的方法, 更为符合工程实 际. 信号x0( s) 可分解为: x0( s) =N0( x) x0( s) + ( 1-N0( x) ) x0( s) (

1 ) 令xh

1 ( s) = ( 1-N0 ( x) ) x0 ( s) , x1 ( s) = N0( x) x0( s) , 对x1( s) 继续分解得到: x1( s) =N1( x) x1( s) + ( 1-N1( x) ) x1( s) (

2 ) 令xh

2 ( s) = ( 1-N1 ( x) ) x1 ( s) , x2 ( s) = N1( x) x1( s) , 对x2( s) 继续分解. 同理, 令xh ( n+1)( s) = ( 1-Nn ( x) ) xn ( s) , xn+1( s) =Nn ( x) xn ( s) , 则xn+ 1( s) =Nn+ 1( x) xn+ 1( s) - ( 1-Nn+ 1( x) ) ・ xn+ 1( s) n=0, 1, …, N (

3 ) 依次类推, 可将xn ( s) 不断分解.最终可得: x0( s) = xh 1( s) +xh 2( s) +…+xh ( n+ 1) ( s) +xn+ 1( s) n=0, 1, …, N (

4 ) 上述式子中 N0( x) , N1( x) , …, Nn+1( x) 为非 线性环节的描述函数, 在这里采用速率限制非线性, 用于限制输入信号的一阶导数, 使信号的变化率不 ―

7 2 ― ・绿色电力自动化・ 刘鑫屏, 等 补偿风电扰动的供热机组快速变负荷控制方法 超过规定的限制值. 速率限制非线性环节的描述函数根据文献[

1 5 ] 得到.而其速率限制非线性环节的输入输 出特性 为: y( i) = Δ t R +y( i-1 ) r >R -Δ t R +y( i-1 ) r