CN105305468B - 基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法，涉及火力发电机组一次调频技术领域。本发明将优化算法引入一次调频控制参数配置，给出了基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法的数学建模、约束条件、目标函数及优化流程。实现一次调频过程增加耗煤量所需要的额外经济支出最小(即一次调频控制经济性)为目标，稳定性为约束的一次调频死区和转速不等率参数配置，在确保电网频率安全的前提下，积极响应节能减排的政策号召，探索一次调频中的经济性。
Description
技术领域
本发明涉及火力发电机组一次调频技术领域，具体是一种基于粒子群算法的一次调频参数优化方法。
背景技术
电能具有不能大量储蓄的特点，电能的生产和使用智能同时完成。但是电力系统中，负荷总是变化的，负荷变化时造成频率偏移的直接因素。电力系统中的负荷可分为确定性负荷和随机负荷，由于随机性负荷具有不可预测性，因此，需要一次调频作为二次调频的补充，以使发电机组快速对随机性负荷变化带来的频率变化进行响应动作，因此电力系统中的发电机组都要求投入一次调频。
影响机组一次调频性能的关键参数有调频死区、转速不等率、迟缓率、负荷调整最大幅值限制、响应行为时间要求等，其中最重要的参数是调频死区和转速不等率。
《电力系统安全稳定导则》规定，机组调速系统有关重要参数(调频死区、调差系数)的设置直接影响到系统频率稳定和电网安全，其设定值必须按照调度部门的意见，并纳入调度审核参数体系，否则不得并网运行。国家电网公司Q/GDW669-2011《火力发电机组一次调频试验导则》要求给出了调频死区的设置范围为火电机组不大于±0.033Hz或者±2r/min；转速不等率设置范围在4％～5％之间。
实际发电厂在投入一次调频时，存在一些顾虑：担心一次调频不利于机组抢负荷，当电网频偏高，一次调频投入时自动关小调门开度以降低负荷，当电网频率波动时，需要调整气门开度，影响机组稳定性。同时目前的发电厂中习惯将所有类型的机组设置完全相同的一次调频参数，设置参数时只是在国家规定的范围内以稳定机组出力，考核结果为目的，在这种情况下其一次调频的经济性并不是最佳的。因此，合适地设置各类型机组的调频死区和转速不等率，使机组能够以最低的煤耗正常的投入一次调频功能，稳定电网频率，应该是作为一次调频主体的发电厂所关注的问题。
发明内容
本发明提供一种基于粒子群算法的一次调频参数优化方法，可以使一次调频过程中煤耗量最低，提高发电厂中各机组一次调频过程中的经济性。
一种基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法，包括如下步骤：
步骤一、在MATLAB的Simulink中建立一次调频经济性分析的多台同步发电机机并联运行模型，即多机并网模型；
步骤二、采用粒子群优化算法，利用MATLAB平台对一次调频调速系统的调频死区和转速不等率进行优化：粒子群算法随机产生粒子群的初始位置及初始速度，其中粒子的位置表示机组调频死区和转速不等率的数值，粒子的速度表示调频死区、转速不等率下一次迭代过程中的改变增量，以粒子群的位置作为一次调频参数的解，使用function函数进行主函数与Simulink中多机并网仿真模型的连接，将机组调频死区和转速不等率的值导入Simulink模块中的多机并网模型，进行仿真运行，用示波器以数组形式导出每台机组在一次调频过程中的输出功率以及系统在一次调频过程中的频率；
步骤三、在Workspace中提取每次迭代后的导出数值，以式(1)作为衡量一次调频经济性的标准：
式(1)中，M为电网中发电机的数目；Si表示机组i在一次调频过程中的煤耗量，从一次调频开始动作的t0时刻到一次调频结束动作t1时刻为止，Pit及Cit分别为机组i在t时刻的瞬时功率及瞬时煤耗，r(k)为惩罚因子，其初值根据实际要求选取，此处取正无穷，Δf为电力系统的频率偏差，ΔPT,i,t为机组一次调频过程中第i台机组t时刻的功率增幅；表示为第i台火电发电机组的一次调频容量最大值，同时导出的数值需满足以下约束条件：
a)机组一次调频容量限制：
b)电力系统的频率偏差不应该超过±0.2Hz，即：
Δf＜0.2
式(1)所示目标函数由于采用了罚函数进行处理，可将不满足上述约束条件的粒子进行淘汰，使迭代过程中粒子逐渐收敛于满足条件的最优解；
将式(1)中函数值S作为粒子群算法中的适应度值fitness进行判断优化算法是否终止，若达到所需精度或满足迭代次数则优化过程结束，同时最终得到的最优目标函数所对应的粒子位置即为优化后的一次调频参数参考值
本发明具有以下优点和积极效果：
1、提出了考虑一次调频过程的煤耗问题，以一次调频过程中煤耗量最低，提升一次调频的经济性为优化目标，通过智能优化算法配置一次调频参数(死区和转速不等率)，符合当今社节能减排的要求和趋势；
2、将智能算法引入一次调频参数优化的研究中，与以往仅通过仿真模型，人工设定有限的几组数据，以控制变量的方法分别确定调频死区以及转速不等率的方法相比，提高了运算的精确性，使结果更加具有说服力。
3、针对于生产过程中的实际情况，分析小负荷扰动(负荷扰动在5％以下)条件下的一次调频参数优化。当系统处于小扰动，在保证一次调频能快速补足系统功率缺额稳定系统频率的基础上，一次调频经济性将有很大的提升空间。
附图说明
图1是本发明用于一次调频经济性分析的多台同步发电机机并联运行模型框图；
图2是本发明基于粒子群算法的一次调频参数优化方法的流程示意图；
图3是优化前后的一次调频参数进行仿真计算扰动为1％时的一次调频频率响应曲线图；
图4是优化前后的一次调频参数进行仿真计算扰动为2％时的一次调频频率响应曲线图；
图5是优化前后的一次调频参数进行仿真计算扰动为3％时的一次调频频率响应曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参见图2，本发明提供一种基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法，包括如下步骤：
步骤一、在MATLAB的Simulink中建立一次调频经济性分析的多台同步发电机机并联运行模型，即多机并网模型，如图1所示，其参数设置如表1所示：
表1多机并网机组参数
图中，αi为单机容量占系统总容量的百分比，可由计算得出。
步骤二、采用粒子群优化算法，利用MATLAB平台对一次调频参数进行优化：粒粒子群算法随机产生粒子群的初始位置及初始速度，其中粒子的位置表示机组调频死区和转速不等率的数值，粒子的速度表示调频死区、转速不等率下一次迭代过程中的改变增量，以粒子群作为一次调频参数的解，使用function函数进行主函数与Simulink中多机并网仿真模型的连接，将机组调频死区和转速不等率的值导入Simulink模块中的多机并网模型，进行仿真运行，用示波器以数组形式导出每台机组在一次调频过程中的输出功率以及系统在一次调频过程中的频率。
步骤三、在Workspace中提取每次迭代后的导出数值，以式(1)作为衡量一次调频经济性的标准：
式(1)中，M为电网中发电机的数目；Si表示机组i在一次调频过程中的煤耗量，从一次调频开始动作的t0时刻到一次调频结束动作t1时刻为止，Pit及Cit分别为机组i在t时刻的瞬时功率及瞬时煤耗，r(k)为惩罚因子，其初值根据实际要求选取，此处取正无穷，Δf为电力系统的频率偏差，ΔPT,i,t为机组一次调频过程中第i台机组t时刻的功率增幅；表示为第i台火电发电机组的一次调频容量最大值，同时导出的数值需满足以下约束条件：
a)机组一次调频容量限制：
b)电力系统的频率偏差不应该超过±0.2Hz，即：
Δf＜0.2
式(1)所示目标函数由于采用了罚函数进行处理，可将不满足上述约束条件的粒子进行淘汰，使迭代过程中粒子逐渐收敛于满足条件的最优解；
将式(1)中函数值S作为粒子群算法中的适应度值fitness进行判断优化算法是否终止，若达到所需精度或满足迭代次数则优化过程结束，同时最终得到的最优目标函数所对应的粒子位置即为优化后的一次调频参数参考值。
Cit与Pit存在一定的函数关系，可由发电厂的经验数据拟合提供，如表2所示：
表2机组的煤耗特性
目前的研究表明机组瞬时功率fi与该时刻煤耗Pi为二次函数的关系，可通过曲线拟合得到机组煤耗特性系数为表3：
表3机组煤耗特性系数
表4是利用粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法得到不同负荷扰动下的一次调频参数优化结果。根据各发电厂的实际情况，在未使用该方法优化参数之前，该区域电网的调频死区均设为0.033Hz，调差系数均设为5％。
为方便评价系统经济性的改善情况，此处以一次调频过程中节省煤耗的百分比作为评价标准，定义为：
表4负荷扰动与一次调频参数及优化前后经济性提升百分比的关系
由表4分析可得，根据优化前后的一次调频参数进行仿真计算，在不同程度的小负荷扰动(负荷扰动为1％、2％和3％)下，系统一次调频过程中的煤耗有不同百分比的减少，经济性得到明显提升；同时本发明可以明确的得到各类型机组一次调频参数设置的参考值。在实际生产中，各发电厂即可按照自身实际负荷扰动情况进行调整，通过本发明提供的优化方法得到在稳定系统频率的基础上，使一次调频过程中煤耗量最少的一次调频参数。
经统计，目前一次调频的频率平均约为10min/次，即53000次/年,且在实际生产中引起系统一次调频的负荷扰动通常在2％附近，因而在较小的负荷扰动及频繁的一次调频下，一次调频参数的改进将很大程度的提高一次调频过程中的经济性，给系统的运行带来更多的经济效益。
由图3-5分析可得，以优化前后的一次调频参数分别设置于调速器进行一次调频，二者在整个调频过程中的频率偏差均处于国家规定的标准范围之内，同时优化算法在一定程度上改善了系统一次调频的频率响应，提高了频率下降最低点及稳定频率的值。
本发明将智能优化算法中的粒子群算法引入一次调频的调频死区和转速不等率的配置决策中，以国家电网公司Q/GDW669-2011《火力发电机组一次调频试验导则》要求给出的调频死区的设置范围为火电机组不大于±0.033Hz或者±2r/min；转速不等率设置范围在4％～5％之间为调频死区和转速不等率的边界值，根据本文提出的一次调频过程增加耗煤量所需要的额外经济支出最小为优化目标，以机组一次调频容量限制、系统的功率平衡及电力系统频率偏差的限定范围为约束条件，通过优化算法得出区域电网每台机组的调频死区和转速不等率所应给定的值，不需要再一遍一遍地通过仿真和人工判断决定系统一次调频死区和转速不等率配置。
Claims (2)
1.一种基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、在MATLAB的Simulink模块中建立一次调频经济性分析的多台同步发电机并联运行模型，即多机并网仿真模型；
步骤二、采用粒子群优化算法，利用MATLAB平台对一次调频调速系统的调频死区和转速不等率进行优化：粒子群算法随机产生粒子群的初始位置及初始速度，其中粒子的位置表示机组调频死区和转速不等率的数值，粒子的速度表示调频死区、转速不等率下一次迭代过程中的改变增量，以粒子群的位置作为一次调频参数的解，使用function函数进行主函数与Simulink模块中的多机并网仿真模型的连接，将机组调频死区和转速不等率的值导入Simulink模块中的多机并网仿真模型，进行仿真运行，用示波器以数组形式导出每台机组在一次调频过程中的输出功率以及系统在一次调频过程中的频率；
步骤三、在MATLAB的Workspace中提取每次迭代后的导出数值，以式(1)作为衡量一次调频经济性的标准：
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式(1)中，M为电网中发电机的数目；Si表示机组i在一次调频过程中的煤耗量，从一次调频开始动作的t0时刻到一次调频结束动作t1时刻为止，Pit及Cit分别为机组i在t时刻的瞬时功率及瞬时煤耗，r(k)为惩罚因子，其初值根据实际要求选取，此处取正无穷，Δf为电力系统的频率偏差，ΔPT,i,t为机组一次调频过程中第i台机组t时刻的功率增幅；表示为第i台火电发电机组的一次调频容量最大值，同时导出的数值需满足以下约束条件：
a)机组一次调频容量限制：
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b)电力系统的频率偏差不应该超过±0.2Hz，即：
Δf<0.2
将式(1)中函数值S作为粒子群算法中的适应度值fitness进行判断优化算法是否终止，若满足终止条件则优化过程结束，同时最终得到的最优目标函数所对应的粒子位置即为优化后的一次调频参数参考值，若不满足终止条件则更新粒子群，继续下一次的迭代。
2.如上所述的基于粒子群算法的火力发电机组一次调频参数优化方法，其特征在于：优化算法的终止条件为函数值S作为粒子群算法中的适应度值fitness达到所需精度或满足迭代次数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |