一种电热锅炉参与电网频率调节的控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种电热锅炉参与电网频率调节控制方法，属于需求侧的系统频率控制技术相关领域。

背景技术：

随着我国经济的不断增长，电力供应时段性紧缺现象日益严重。电力系统运行中经常出现负荷预测与实际运行差距较大或者系统遭受事故，对系统有功平衡造成严重影响，若不及时进行控制将导致频率崩溃。传统电力系统中主要从电源侧入手，执行“电源调度”，即调度中心只能通过控制火电、水电及抽水蓄能等调频机组出力完成调频任务。常规的发电侧调频服务资源不仅受爬坡/滑坡速率约束，特别是伴随分布式能源装机容量的快速增长和大规模并网，其出力的随机波动性极大地增加了电网运行调度，发电侧调频的成本越来越高，常规电源提供调频的方式已经无法适应新形势的发展。

不同于传统的基于发电侧频率调节控制方法，通过合理的控制措施使需求侧资源能够根据电网频率偏差方向及时、快速、精确地调整负荷状况，可以缓解电网供需平衡。而电热锅炉是一种通过多个电热管将电能转换成热能，生产较高温度的热水或一定压力的蒸汽的装置。一方面具有短暂的能量存储特性，短时间改变运行状态不会影响其效用，另一方面它具有热效率高、调节灵活、性能稳定等特点，容易实现功率快速调整，维持发电功率和负荷需求的平衡。

但是目前尚欠缺电热锅炉参与电网频率调节控制方法的研究。在研究电热锅炉参与电网调频控制中，必须结合电热锅炉自身运行状态及裕度限制以研究调频控制方式，所以需要首先建立电热锅炉动态模型，获取锅炉运行时的实时状态变量，然后以此建立电热锅炉参与调频的控制方式。

技术实现要素：

技术问题

本发明旨在解决现有调频方式和技术的不足，提出了一种电热锅炉参与电网频率调节控制方法，使电热锅炉参与电力系统频率调节过程中，有效减少调频备用发电机组的容量需求，减少调频成本。

技术方案

为实现上述目的，具体采用以下技术方案：

一种电热锅炉参与电网频率调节的控制系统，其特征在于，包括：

电热锅炉动态模块：根据当前时刻的回水温度及加热功率采样值计算下一时刻的电热锅炉水体平均温度，并将其传递给电热锅炉频率响应模块；

发电机系统等值模块：根据负荷的状态结合转子运动方程，获取系统频率波动情况；

电热锅炉频率响应模块：根据系统频率波动情况判断是否参与系统调频，根据接收的下一时刻的电热锅炉水体平均温度计算电热锅炉的调频潜力，根据电热锅炉的调频潜力调整锅炉加热功率完成电热锅炉参与系统调频控制。

所述电热锅炉动态模块计算下一时刻的电热锅炉水体平均温度t(t+1)的方法为：

其中，c表示水比热容；m表示加热环节水体质量；t表示水体水温平均值；α表示加热效率系数；δp(s)表示锅炉加热功率变化积分量；δtin(s)表示锅炉加热环节回水温度变化积分量；δtout(s)表示锅炉加热环节出水温度变化积分量；u表示循环流量；tout表示锅炉加热环节出水温度；tin表示锅炉加热环节回水温度；s表示对时间的导数算子。

所述发电机系统等值模块获取系统频率波动情况的模型为：

δpm-δpl＝(2hs+d)δf

式中：δf为系统频率变化量；h为发电机组惯性常量；d为定常阻尼系数；δpm为发电机的机械功率增量变化；δpl为负荷功率变化量；s为对时间的导数算子。

所述电热锅炉频率响应模块计算电热锅炉的调频潜力的公式如下：

式中，δpmin为最小调频潜力；δpmax为最大调频潜力；tmin为锅炉水体平均温度最小值；；t0为稳态运作时锅炉水体平均温度；tmax为锅炉水体平均温度最大值；t0为锅炉参与调频时间，一般选取5min～15min。

一种电热锅炉参与电网频率调节的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、进入第一个采样周期，获取t时刻回水温度tin(t)、锅炉加热功率peboil(t)，计算t+1时刻电热锅炉水体平均温度t(t+1)；

步骤二、获取系统频率变化量δf(t)，并判断|δf|是否大于频率允许波动范围；

步骤三、若|δf|＞ε，ε为电网频率允许偏差，一般选取0.2～0.5，电热锅炉参与系统调频控制，计算电热锅炉最大调频潜力并调整锅炉加热功率，即锅炉出水温度在一段时间t0后达到tmax所需的加热功率；若|δf|＜ε，进入下一个采样周期；

步骤四、获取各类负荷状态并根据系统频率响应模块获取t+1时刻系统频率变化量δf(t+1)；

步骤五、一段时间t0后，电热锅炉退出调频，加热功率返回未参与调频状态时的数值。

所述步骤一中的t+1时刻电热锅炉水体平均温度t(t+1)计算公式如下：

其中，c表示水比热容；m表示加热环节水体质量；t表示水体水温平均值；α表示加热效率系数；δp(s)表示锅炉加热功率变化积分量；δtin(s)表示锅炉加热环节回水温度变化积分量；u表示循环流量；tout表示锅炉加热环节出水温度；tin表示锅炉加热环节回水温度；s表示对时间的导数算子。

所述步骤三中的最大调频潜力计算公式如下：

式中，δpmin为最小调频潜力；δpmax为最大调频潜力；tmin为锅炉水体平均温度最小值；t0为稳态运作时锅炉水体平均温度；tmax为锅炉水体平均温度最大值；t0为锅炉参与调频时间，一般选取5min～15min。

1、有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明从需求侧角度将电热锅炉这种具有储能特性的负荷引入到系统频率调节中，改善了系统频率特性，减少负荷突然变动时的频率波动，加快频率恢复速度，有效减少调频备用发电机组的容量需求，减少调频成本。

2)电热锅炉参与系统调频模型构建包含两个部分：(1)电热锅炉动态模型；(2)电热锅炉频率响应模块。这两个模块相辅相成，电热锅炉动态模型依据加热过程的物理状态建立电热锅炉水温方程，为频率响应模块提供实时的水温状态，同时电热锅炉频率响应模块决定的电热锅炉加热功率反馈到电热锅炉模型，影响电热锅炉水温状态变量。

3)控制电热锅炉进行调频的过程，既能够充分考虑电热锅炉自身参数的限制，将电热锅炉安全稳定控制放在第一位，又能充分发挥电热锅炉的调频潜力。即电热锅炉调频控制策略中，在满足出水温度的上下限的前提下，根据电网频率状态及电热锅炉水温方程，最大限度地调用电热锅炉加热功率，参与系统频率响应。本发明控制系统改变电热锅炉负荷大小，实现功率快速调整，维持发电功率和负荷需求的平衡。

附图说明

图1为汽轮机调速器模块；

图2为汽轮机系统；

图3为锅炉调频控制策略；

图4为电热锅炉参与电力系统调频模型图。

图5为电热锅炉动态模型图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

为将电热锅炉有效地参与到电力系统频率稳定与控制中，综合考虑发电机一次调频、常规负荷调频和电热锅炉调频三种调频方式，建立发电机-负荷频率响应模型。

发电机侧参与系统频率需要考虑原动机及其调速系统的动态特性，为此需建立相应的数学模型。典型原动机系统包括汽轮机调速模块如图1所示和汽轮机模块如图2所示。

汽轮机调速模块包括汽轮机一次调频系统、继动器和液压油动机三部分组成。其中一次调频系统是将电网频率变化量δf经单位调节功率kg，加入到调速器模块的机械功率整定值pref中，以改变发电系统的机械功率输出值pm。继动器采用一阶惯性环节模块，时间常数为tsr。油动机采用单位输出反馈，tsm为油动机积分时间常数，μ为气门开度。

汽轮机模块采用计及高压蒸汽、中间再热蒸汽及低压蒸汽容积效应的三阶模型。tch、trh和tco分别为高压缸汽室、中间再热管以及跨界管的蒸汽容积时间常数，f1、f2、f3分别为高、中、低压稳态输出功率占总输出的百分比。

模型建立

(1)发电机调频模型

发电机侧参与系统频率需要考虑原动机及其调速系统的动态特性，为此需建立相应的数学模型。典型原动机系统包括汽轮机调速模块和汽轮机模块，调速器系统又称为发电机组的一次调频系统，其功频静特性为：

δpg＝-kgδf(1)

式中δpg——发电机功率变化量；

kg——发电机的单位调节功率；

δf——系统频率变化量。

将电网频率变化量δf经单位调节功率kg，加入到调速器模块的机械功率整定值pref中，以改变发电系统的机械功率输出值pm，构成发电系统的一次调频系统如图1、2所示。

(2)常规负荷调频模型

忽略负荷电压等因素，负荷吸收的有功功率的大小与系统频率变化呈线性，其功频静特性为：

式中δpl——负荷功率变化量；

kl——负荷的单位调节功率；

kl*——负荷的单位调节功率标幺值；

fn——系统额定运行频率；

pln——额定频率下的系统负荷；

δf——系统频率变化量。

(3)发电机-负荷频率响应模型

发电机的转子运动标幺值方程：

式中，h——发电机组惯性常量；

ω——转子角速度和同步速的偏差；

d——定常阻尼系数；

pm——发电机的机械功率；

pe——系统电磁功率。

当电力系统中电磁功率随着负荷的变化才能使系统平衡，即pe＝pl。当负荷发生变化增量变化时，转子运动方程的增量方程为：

式中，δω——转子角速度和同步速的偏差增量变化；δpm——发电机的机械功率增量变化；δpl——负荷功率增量变化；

将上式进行拉普拉斯变换后得：

δpm-δpl＝(2hs+d)δω(5)

式中，s——对时间的导数算子；

用标幺值表示时，δω＝δf，则式(5)也可表示为：

δpm-δpl＝(2hs+d)δf(6)

(4)电热锅炉调频模型

电热锅炉是一个大功率的电力调功设备，目前国内电热锅炉采用电阻式管状电热元件，加热系统的加热功率主要转化为两部分能量：引起锅炉水体温度变化的功率和锅炉水体循环功率。依此建立锅炉加热系统水温方程如式(7)：

式中c——水比热容(j/℃)；

m——加热环节水体质量(kg)；

t——水体水温平均值(℃)；

α——加热效率系数；

p——锅炉加热功率(kw)；

u——循环流量(kg/s)；

tout、tin——锅炉加热环节出水和回水温度(℃)。

水温方程的增量方程为：

式中，δtout——锅炉加热环节出水温度增量变化(℃)；

δtin——锅炉加热环节回水温度增量变化(℃)；

p0——初始状态时，锅炉加热功率(w)；

tout0——初始状态时，锅炉加热环节出水温度(℃)；

δp——电热锅炉加热功率增量变化(w)。

将式(8)进行拉普拉斯变换后得：

由此，可得电热锅炉的动态模型如图5所示。

电热锅炉调频控制策略

电热锅炉调频的原理为通过系统频率偏差信号和实时水体温度值，迅速调整自身工作状态和消耗功率大小。考虑电热锅炉工作特性以及其调频时间需涵盖系统一次调频过程，本文规定电热锅炉参与调频时间t0为5min，5min后自动退出调频模式，以保证电热锅炉正常稳定运行，主要的控制方法如图3所示。

s1：实时监测系统频率变化δf和锅炉加热环节水体温度t；

s2：首先进入第一个采样周期，获取电网实时频率，判断其是否超过频率设定上下限；

s3：若电网频率越上限，电热锅炉进入调频模式，根据式(3)计算锅炉出水温度在5mim时达到锅炉出水温度上限tmax所需的加热功率变化值δpmax；5min后加热功率恢复初始状态，电热锅炉退出调频模式。

s4：若电网频率越下限，电热锅炉进入调频模式，根据式(3)计算锅炉出水温度在5mim时达到锅炉出水温度下限tmin所需的加热功率变化值δpmin；5min后加热功率恢复初始状态，电热锅炉退出调频模式

s5：进入下一个采样周期。

本发明提供一种电热锅炉参与电网频率的控制系统，如图4所示，共包括三大模块：电热锅炉动态模型、电热锅炉频率响应模型、发电机系统等值模型。电热锅炉动态模型是根据当前时刻的回水温度及加热功率采样值计算下一时刻的电热锅炉水体平均温度，并将其传递给电热锅炉频率响应模块；电热锅炉频率响应模型首先根据电网频率变化判断是否参与系统调频，并计算电热锅炉的调频潜力；发电机系统等值模型是根据各类负荷的状态结合转子运动方程，获取系统频率波动情况。

以一个单区域的网络为例，考虑电热锅炉工作特性以及其调频时间需涵盖系统一次调频过程，本文规定电热锅炉参与调频时间t0为5min。当负荷在10s时突然增加150kw，结合图3、4，具体说明本发明方法的实施过程：

第一步：进入第一个采样周期，获取t时刻回水温度tin(t)＝60℃、锅炉加热功率peboil(t)＝200kw，根据式(9)可知一个采样周期锅炉水体出水温度的改变量δtout不变，t+1时刻电热锅炉水体出水温度保持t(t+1)＝87℃；

第二步：电热锅炉频率响应模块获取系统频率变化量δf(t)，并判断|δf|是否大于频率允许波动范围；

第三步：若|δf|＞ε，电热锅炉参与系统调频控制，则采样t+1时刻电热锅炉水体出水温度t(t+1)＝87℃代入式(8)，计算电热锅炉最大调频潜力即锅炉加热功率调整为peboil＝200-δpmin＝100.59kw；若|δf|＜ε，进入下一个采样周期；

第四步：获取各类负荷状态并根据系统频率响应模块获取t+1时刻系统频率变化量δf(t+1)；

第五步：5min后，锅炉水温降低了8.625℃，加热功率peboil＝100.59kw，相比于锅炉未参与调频，系统频率变化量δf减小了0.1112hz，电热锅炉退出调频，此时加热功率返回未参与调频状态时的数值peboil＝200kw，一段时间后水体温度也相应的恢复到稳定状态。