CN107394827A - 一种电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，包括电网和发电厂调频控制模块、电极锅炉功率控制柜和电极锅炉及热量输出模块，利用电极锅炉功率调节响应速度快的特点，与机组联动，通过快速升降电极锅炉耗电负荷功率，实现机组上网电量的快速负荷响应，从而避免机组由于调频AGC调节和DEH调节造成的机组汽机调门、汽机转速的快速变化、高低加投切等机组本身的调频措施造成的运行难度增加和机组寿命降低。电极锅炉加热的热水或蒸汽在冬季可以用于对外供热，对纯凝机组或夏季热电联产机组，热水或蒸汽根据其温度和压力可以打入相应的电厂热力系统中，从而实现一年四季地利用电极锅炉联动机组发电机，实现机组快速响应电网调频需求。

Description

一种电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统

技术领域

本发明涉及电网调频领域，尤其涉及火力发电机组利用电极锅炉或蓄能设施参与电网调频辅助服务。

背景技术

近年来随着中国国民经济的飞速发展，人们对电力的需求也急剧增加，峰谷差日益增大。中国电力供应峰谷比约为10/0.7，远高于一般发展中国家的平均水平1/0.63，比美国1/0.25 的峰谷比高得多，因此中国发电机组的调峰任务艰巨。发电机组的调频能力是维护电网功率平衡和安全稳定的第1道重要屏障，其调节能力和性能对电网的动态稳定性显得尤为重要；此外，风能、核能等电源的飞速发展，相对降低了电网的自调节能力，大规模接入的风电机组甚至引入了额外的随机功率扰动，使电网稳定性进一步恶化。合理规范并监测机组调频参数和性能，保障机组良好的调频能力，对电网的安全稳定运行和未来智能电网环境下的优化调度具有重要的意义。

目前火力发电机组的自动发电控制（AGC）、调频性能是统调机组涉网性能中的2个重要指标，电网调度对机组的AGC、调频性能有严格的要求，这2个指标也是电网“二个细则”考核的重要内容，尤其是AGC 品质直接体现机组的性能。目前机组主要通过锅炉、汽轮机的协调控制，依靠增、减燃料量，开大或关小汽轮机调门来响应电网的需求， 由于锅炉存在迟延，机组负荷响应始终存在局限性；汽轮机为确保有调节裕量，调门也无法保持全开状态，限制了调节的深度。

另外，目前大多数发电厂采用DEH( 数字式电液) 控制系统, 为了负荷的稳定和考核的需要, 避免机组随频率变动而频繁进行调节, 影响负荷的稳定,将汽轮机转速调节系统的一次调频死区设置的比较大,一次调频作用几乎被切除, 使得电网的频率主要靠二次调频来维持。研究表明, 在突发性事故和大的负荷( 功率) 扰动时, 很多机组尽管具有调节负荷的能力, 但对频率偏差的调频响应几乎为零, 此时就会出现频率大幅度波动甚至发生系统崩溃的恶性事故。

发明内容

本发明利用了电极锅炉和蓄能设施的负荷功率可以进行快速调节响应和无级调节的特点，创新性地将电极锅炉或蓄能设施功率控制与发电厂AGC和电网调频控制进行联动，通过电极锅炉或蓄能设施的快速增减负荷，实现机组响应电网的AGC和调频对机组负荷的变动要求。

本发明解决前述技术问题所采用的技术方案是：一种电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，包括：

调频控制模块，包括电网电力调度中心和电厂集中控制系统，其连接到供电控制模块和功率控制柜以控制二者，所述功率控制柜包括电极锅炉功率控制柜和/或蓄能设施功率控制柜；

供电控制模块，其输入端连接到电厂输出，输出端连接到电极锅炉或蓄能设施的功率控制柜，用于将电厂输出的电能进行转换后输送给功率控制柜，或控制蓄能设施通过变压器和开关向发电机出口线路放电；

功率控制柜包括电极锅炉功率控制柜和/或蓄能设施功率控制柜，用于直接连接或经过变压后控制电极锅炉的功率或蓄能设施的蓄电功率或放电功率；

电极锅炉，用于将输入的电能转换成热能；

蓄能设施，用于蓄电或放电；

优选的是，所述供电控制模块包括：

第一变压器，用于将输入的电压变压后经过第一开关输送给功率控制柜；或

第一开关不经过第一变压直接给功率控制柜供电。

优选的是，所述电厂输出电压通过升压变压器（1）升压到220kV~500kV后输出到电网，其特征在于，所述供电控制模块包括：

第二变压器，用于将输入的电压变压后经过第二开关输送给功率控制柜；

优选的是，所述供电控制模块包括：

第三变压器，用于将输入的电压变压后经过第三开关输送给功率控制柜；或

第三开关，厂电压不经过变压器变压直接给功率控制柜供电。

优选的是，所述供电控制模块包括：

第四变压器，用于控制蓄能设施的放电电压变压后经过第四开关给发电机出口线路供电；或

第四开关，蓄能设施的放电不经过变压器变压直接给发电机出口线路供电。

优选的是，所述热量输出模块，其一端接收电极锅炉一次换热器的输出热量，另一端将热量输出到供热管网或电厂热力系统。

优选的是，所述调频控制模块用于执行至少一种下述调频操作：发电机组一次调频控制、发电机组二次调频控制、发电机组DEH调节和自动发电控制（AGC）。

优选的是，所述的调频控制模块中的一次调频、二次调频、自动发电控制（AGC）、控制指令可以直接作用在电极锅炉功率控制柜或蓄能设施的充放电功率控制柜上。

优选的是，所述的调频控制模块中控制指令直接作用在电极锅炉或蓄能设施的功率控制柜上，通过电极锅炉的功率的快速增加和减少，或通过蓄能设施的快速充电放电，实现机组发电机出口负荷保持不变的情况下，整个发电厂的上网电量跟随电网调频控制信号做出快速响应和负荷变化。

优选的是，所述的电极锅炉的功率的快速增加和减少，可以通过电极锅炉本身的功率控制柜调节功率实现，也可以通过调节供给电极锅炉的供电电压实现。

优选的是，所述的蓄能设施的充放电功率的快速变化，可以通过蓄能设施的功率控制柜调节实现。

优选的是，所述的电极锅炉的功率的快速增加和减少，最快的响应时间可以达毫秒级别，一般的响应时间在30S到1分钟，电极锅炉的功率调整范围从0%负荷到100%负荷。

优选的是，所述的电极锅炉的类型可以是浸入式的，也可以是喷射式的，或者是浸入式和喷射式结合的类型。

优选的是，所述的蓄能设施可以是物理储能、电化学储能、电磁储能、氢储能和相变储能中的至少一种，但这些蓄能设施最终的能源的输入和输出是以电能的形式参与调频。

优选的是，所述的物理储能可以是飞轮储能、压缩空气储能、液态空气储能、重力储能中的至少一种；所述的电化学储能可以是锂离子电池，铅酸、铅碳、镍氢、镍镉、钠硫、钒液硫、镁、镍锌、锌空气蓄电池中的一种或几种。

优选的是，所述的电极锅炉的供电电压范围为380V到110kV。

优选的是，所述的电极锅炉的功率范围为3MW到100MW。

优选的是，所述的电极锅炉可以是电极热水锅炉或电极蒸汽锅炉中的一种。

优选的是，所述的电极锅炉及热量输出模块在冬季供热季与集中供热管网连接，对外供热或供蒸汽。

优选的是，所述的电极锅炉及热量输出模块对于热电厂在非供热季和对于纯凝机组均采用将输出的热水或蒸汽根据参数打入电厂热力系统中。

优选的是，所述的发电厂每台机组的调频功率调节范围在±1%~±6%MCR，机组设置为按额定功率满发，通过设置±1%~±6%MCR对应的功率范围的电极锅炉或蓄能设施功率与机组联动进行调频响应，此时，机组AGC响应调频控制是依靠电极锅炉功率的增加或减少或蓄能设施的充放电功率变化实现。

优选的是，所述的发电厂每台机组的调频功率调节范围在±1%~±6%MCR，对于要求发电厂快速降负荷的电网调频指令，通过投入电极锅炉并增加其电功率实现向下的负荷调节指令，或通过投入蓄能设施并增加其蓄电功率实现向下的负荷调节指令。

对于要求发电厂快速增加负荷的指令，通过AGC联合蓄能设施功率控制柜控制蓄能设施放电实现发电厂的发电负荷增加；或通过减小电极锅炉的耗电功率实现增加发电负荷调节的指令；或通过AGC联合DEH增加调节气门开度、切除某级高压加热器、切除某级低压加热器或凝结水节流等机组本身的一次调频升负荷手段中的至少一种来实现。

优选的是，所述的发电厂每一台机组都可以联动一台或多台电极锅炉或蓄能设施响应电网调频；

优选的是，所述的发电厂内的多台机组也可以通过供电线路切换共用一台或多台电极锅炉或蓄能设施响应电网调频；

本发明的有益效果是：

1）本发明利用电极锅炉或蓄能设施快速响应和无级调节的特点，通过电极锅炉耗电功率的快速增减或蓄能设施的快速充放电满足电网对发电厂调频的考核要求；

2）本发明摒弃了常规机组为满足电网调频要求，通过DEH系统控制造成的汽机调门频繁动作或大量锅炉快速负荷调整、磨煤机出力变化等机组扰动，增加了机组运行安全性，延长了机组寿命；

3）本发明利用电极锅炉负荷变动的最快响应时间可达到4ms，可以极大的增加机组调频的响应速率，使得火电机组适应未来更多不稳定风电光伏的电网结构。

附图说明

图1 为按照本发明的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统的一优选实施例示意图。

图2 为按照本发明的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统的另一优选实施例示意图。

图3 为按照本发明的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统的又一优选实施例示意图。

图4 为按照本发明的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统的再一优选实施例示意图。

图示说明：

1.升压变压器；2.第二变压器；2-1.第二开关；3.第一变压器；3-1.第一开关；4.第三变压器；4-1.第三开关；5.电极锅炉；6.电极锅炉功率控制柜；7.电极锅炉一次换热器； 8.第四变压器；8-1.第四开关；9.蓄能设施功率控制柜；10.蓄能设施。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例对本发明作更为详细的描述，实施例只对本发明具有示例性作用，而不具有任何限制性的作用；任何本领域技术人员在本发明的基础上作出的非实质性修改，都应属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2所示，一种电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，包括：

调频控制模块，包括电网电力调度中心和电厂集中控制系统，其连接到供电控制模块和功率控制柜以控制二者，所述功率控制柜包括电极锅炉功率控制柜6和/或蓄能设施功率控制柜9；

供电控制模块，其输入端连接到电厂输出，输出端连接到电极锅炉5或蓄能设施10的功率控制柜，用于将电厂输出的电能进行转换后输送给功率控制柜，或控制蓄能设施通过变压器和开关向发电机出口线路放电；

功率控制柜，用于直接连接或经过变压后控制电极锅炉的功率或蓄能设施的蓄电功率或放电功率；

电极锅炉，用于将输入的电能转换成热能；

蓄能设施，用于蓄电或放电；

本实施例中，所述供电控制模块包括：

第一变压器3，用于将输入的电压变压后经过第一开关3-1输送给功率控制柜6或9；或

第一开关3-1不经过第一变压3直接给功率控制柜6或9供电。

本实施例中，所述电厂输出电压通过升压变压器1升压到220kV~500kV后输出到电网，其特征在于，所述供电控制模块包括：

第二变压器2，用于将输入的电压变压后经过第二开关2-1输送给功率控制柜6或9；

本实施例中，所述供电控制模块包括：

第三变压器4，用于将输入的电压变压后经过第三开关4-1输送给功率控制柜6或9；或

第三开关4-1，厂电压不经过变压器变压直接给功率控制柜6或9供电。

本实施例中，所述供电控制模块包括：

第四变压器8，用于控制蓄能设施的放电电压变压后经过第四开关8-1给发电机出口线路供电；或

第四开关8-1，蓄能设施的放电不经过变压器变压直接给发电机出口线路供电。

本实施例中，所述热量输出模块，其一端接收电极锅炉一次换热器7的输出热量，另一端将热量输出到供热管网或电厂热力系统。

本实施例中，所述调频控制模块用于执行至少一种下述调频操作：发电机组一次调频控制、发电机组二次调频控制、发电机组DEH调节和自动发电控制（AGC）。

本实施例中，所述的调频控制模块中的一次调频、二次调频、自动发电控制（AGC）、控制指令可以直接作用在电极锅炉功率控制柜6或蓄能设施的充放电功率控制柜9上：

本实施例中，所述的调频控制模块中控制指令直接作用在电极锅炉或蓄能设施的功率控制柜上，通过电极锅炉的功率的快速增加和减少，或通过蓄能设施的快速充电放电，实现机组发电机出口负荷保持不变的情况下，整个发电厂的上网电量跟随电网调频控制信号做出快速响应和负荷变化；

本实施例中，所述的电极锅炉的功率的快速增加和减少，可以通过电极锅炉功率控制柜6调节功率实现，也可以通过调节供给电极锅炉的供电电压实现；

本实施例中，所述的蓄能设施的充放电功率的快速变化，可以通过蓄能设施功率控制柜9调节实现；

本实施例中，所述的电极锅炉的功率的快速增加和减少，最快的响应时间可以达毫秒级别，一般的响应时间在30S到1分钟，电极锅炉的功率调整范围从0%负荷到100%负荷；

本实施例中，所述的电极锅炉的类型可以是浸入式的，也可以是喷射式的，或者是浸入式和喷射式结合的类型；

本实施例中，所述的蓄能设施可以是物理储能、电化学储能、电磁储能、氢储能和相变储能中的至少一种，但这些蓄能设施最终的能源的输入和输出是以电能的形式参与调频；

本实施例中，所述的物理储能可以是飞轮储能、压缩空气储能、液态空气储能、重力储能中的至少一种；所述的电化学储能可以是锂离子电池，铅酸、铅碳、镍氢、镍镉、钠硫、钒液硫、镁、镍锌、锌空气蓄电池中的一种或几种；

本实施例中，所述的电极锅炉的供电电压范围为380V到110kV;

本实施例中，所述的电极锅炉的功率范围为3MW到100MW;

本实施例中，所述的电极锅炉可以是电极热水锅炉或电极蒸汽锅炉中的一种;

本实施例中，所述的电极锅炉及热量输出模块在冬季供热季与集中供热管网连接，对外供热或供蒸汽；

本实施例中，所述的电极锅炉及热量输出模块对于热电厂在非供热季和对于纯凝机组均采用将输出的热水或蒸汽根据参数打入电厂热力系统中；

本实施例中，所述的发电厂每台机组的调频功率调节范围在±1%~±6%MCR，机组设置为按额定功率满发，通过设置±1%~±6%MCR对应的功率范围的电极锅炉或蓄能设施功率与机组联动进行调频响应，此时，机组AGC响应调频控制是依靠电极锅炉功率的增加或减少或蓄能设施的充放电功率变化实现。

本实施例中，所述的发电厂每台机组的调频功率调节范围在±1%~±6%MCR，对于要求发电厂快速降负荷的电网调频指令，通过投入电极锅炉并增加其电功率实现向下的负荷调节指令，或通过投入蓄能设施并增加其蓄电功率实现向下的负荷调节指令；

对于要求发电厂快速增加负荷的指令，通过AGC联合蓄能设施功率控制柜（9）控制蓄能设施放电实现发电厂的发电负荷增加；或通过减小电极锅炉的耗电功率实现增加发电负荷调节的指令；或通过AGC联合DEH增加调节气门开度、切除某级高压加热器、切除某级低压加热器或凝结水节流等机组本身的一次调频升负荷手段中的至少一种来实现。

本实施例中，所述的发电厂每一台机组都可以联动一台或多台电极锅炉或蓄能设施响应电网调频；

本实施例中，所述的发电厂内的多台机组也可以通过供电线路切换共用一台或多台电极锅炉或蓄能设施响应电网调频；

本发明的有益效果是：

1）本发明利用电极锅炉或蓄能设施快速响应和无级调节的特点，通过电极锅炉耗电功率的快速增减或蓄能设施的快速充放电满足电网对发电厂调频的考核要求；

2）本发明摒弃了常规机组为满足电网调频要求，通过DEH系统控制造成的汽机调门频繁动作或大量锅炉快速负荷调整、磨煤机出力变化等机组扰动，增加了机组运行安全性，延长了机组寿命；

3）本发明利用电极锅炉负荷变动的最快响应时间可达到4ms，可以极大的增加机组调频的响应速率，使得火电机组适应未来更多不稳定风电光伏的电网结构。

实施例2

如图3所示，本实施例与实施例1所述的电极锅炉或蓄能设施调频系统机构大体相同，所不同的是，其中电极锅炉或蓄能设施的供电在机组升压站后220kV~500kV接线，然后经过降压器降压到380V~110kV给电极锅炉供电或给蓄能设施充电。

实施例3

如图4所示，本实施例与实施例1所述的电极锅炉或蓄能设施调频系统机构大体相同，所不同的是，其中电极锅炉或蓄能设施的供电在厂用电线路上接线，如果厂用电线路电压与电极锅炉或蓄能设施供电要求电压一致，则可直接通过电气开关接线，如果电压不同经过变压器调压到380V~110kV给电极锅炉或蓄能设施供电。

实施例4

本实施例电极锅炉或蓄能设施的供电方式可以采用上述三个实施例的任意一种供电方式，与上述三个实施例主要的不同之处是电极锅炉加热出来的热水直接打入集中供热管网，如果电极锅炉加热出来的是蒸汽，则直接对外供蒸汽；

实施例5

本实施例电极锅炉或蓄能设施的供电方式可以采用实施例1、2、3的任意一种供电方式，与上述三个实施例主要的不同之处是电极锅炉加热出来的热水根据其参数直接打入电厂热力系统的适当位置，如果电极锅炉加热出来的是蒸汽，则根据蒸汽参数将此蒸汽打入电厂热力系统的适当位置；

尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，包括：

调频控制模块，包括电网电力调度中心和电厂集中控制系统，其连接到供电控制模块和功率控制柜以控制二者，所述功率控制柜包括电极锅炉功率控制柜（6）和/或蓄能设施功率控制柜（9）；

供电控制模块，其输入端连接到电厂输出，输出端连接到电极锅炉（5）或蓄能设施（10）的功率控制柜，用于将电厂输出的电能进行转换后输送给功率控制柜，或控制蓄能设施通过变压器和开关向发电机出口线路放电；

功率控制柜包括电极锅炉功率控制柜（6）和/或蓄能设施功率控制柜（9）用于直接连接或经过变压后控制电极锅炉（5）的功率或蓄能设施（10）的蓄电功率或放电功率；

电极锅炉，用于将输入的电能转换成热能；

蓄能设施，用于蓄电或放电。

2.根据权利要求1所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于，所述供电控制模块包括：

第一变压器（3），用于将输入的电压变压后经过第一开关（3-1）输送给功率控制柜；或

第一开关（3-1）不经过第一变压（3））直接给功率控制柜供电。

3.根据权利要求1所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，电厂输出电压通过升压变压器（1）升压到220kV~500kV后输出到电网，其特征在于，所述供电控制模块包括：

第二变压器（2），用于将输入的电压变压后经过第二开关（2-1）输送给功率控制柜。

4.根据权利要求1所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于，所述供电控制模块包括：

第三变压器（4），用于将输入的电压变压后经过第三开关（4-1）输送给功率控制柜；或

第三开关（4-1），厂电压不经过变压器变压直接给功率控制柜供电。

5.根据权利要求1中任一项所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于，所述供电控制模块包括：

第四变压器（8），用于控制蓄能设施的放电电压变压后经过第四开关（8-1）给发电机出口线路供电；或

第四开关（8-1），蓄能设施的放电不经过变压器变压直接给发电机出口线路供电。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于还包括：

热量输出模块，其一端接收电极锅炉一次换热器（7）的输出热量，另一端将热量输出到供热管网或电厂热力系统。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于还包括：

所述调频控制模块用于执行至少一种下述调频操作：发电机组一次调频控制、发电机组二次调频控制、发电机组DEH调节和自动发电控制（AGC）。

8.根据权利要求1所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于，所述的调频控制模块中的一次调频、二次调频、自动发电控制（AGC）、控制指令可以直接作用在电极锅炉功率控制柜（6）或蓄能设施功率控制柜（9）上。

9.根据权利要求1所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于，所述的调频控制模块中控制指令直接作用在电极锅炉（5）或蓄能设施（10）的功率控制柜上，通过电极锅炉（5）的功率的快速增加和减少，或通过蓄能设施（10）的快速充电放电，实现机组发电机出口负荷保持不变的情况下，整个发电厂的上网电量跟随电网调频控制信号做出快速响应和负荷变化。

10.根据权利要求9所述的电极锅炉联合蓄能设施进行电网调频的系统，其特征在于，所述的电极锅炉（5）的功率的快速增加和减少，可以通过电极锅炉功率控制柜（6）调节功率实现，也可以通过调节供给电极锅炉（5）的供电电压实现。