CN108988358B

CN108988358B - 采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法

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Publication number: CN108988358B
Application number: CN201810758307.6A
Authority: CN
Inventors: 田雨林
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2038-07-11
Also published as: CN108988358A

Abstract

一种采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，用于解决用电负荷复杂多变和风电等不稳定发电电源规模化并网导致电网一次调频能力不足的问题。所述方法包括以下步骤：a.一次调频指令计算；b.设计一次调频滤波逻辑，对计算出的一次调频指令进行滤波；c.根据滤波后的一次调频指令对电加热器进行循环调度。本发明在采暖电锅炉参与电网一次调频的控制过程中加入了一次调频指令滤波逻辑和循环调度逻辑，不仅可避免电锅炉加热器开关频繁动作，而且实现了各个加热器的平均使用，从而延长了设备的使用寿命。本发明可大幅提高电网一次调频能力，确保电网稳定运行。

Description

采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法

技术领域

本发明涉及一种利用大功率供暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，属于控制技术领域。

背景技术

电能难以大规模存储，电网需要随时调度网内电源的发电负荷使其跟随用电负荷变化，以保证电能供需平衡。频率是反映电网能量供需平衡的指标：电网频率升高，表示电能供大于求，需要减少发电负荷；电网频率降低，表示电能供小于求，需要增加发电负荷。电网调节发电负荷的过程主要分为一次调频和二次调频，一次调频即电网频率发生变化时并网发电机组自动按照一定的比例改变发电负荷，特点是调节速度快调节时间短，相当于前馈控制；二次调频也被称为AGC(自动发电控制)，即电网调度中心精确计算供电、用电负荷总量，依据供需平衡进一步调整各发电机组发电负荷，特点是调节速度慢调节时间长，相当于反馈控制。一次调频和AGC整体形成前馈-反馈复合控制系统维持电网频率稳定。

电网要求大容量并网发电机组必须投入一次调频功能。我国以火电为主，火电机组承担电网主要的一次调频的任务。火电机组一次调频主要指标包括：一次调频死区，为±0.0333Hz，当电网频率超出50±0.0333Hz的范围时，机组一次调频必须动作；调频不等率，即电网频率超出调频死区时，机组发电负荷变化量与电网频率变化量之间的对应比例，定义为机组全范围发电负荷变化量对应的电网频率变化量的百分比，为4％～5％；最大一次调频幅度，即机组参与一次调频的最大负荷变化幅度，为机组额定负荷的6％～10％。火电机组依靠调整汽轮机进汽调阀开度调整汽轮机进汽量进而调整发电负荷，因此响应一次调频指令的时间较长，一般响应延迟时间达到2～3秒、调节时间超过10秒，这是火电机组一次调频的主要缺陷之一；此外一次调频还会导致汽轮机前蒸汽压力变化，需要锅炉侧调整燃料量加以弥补，造成燃烧扰动降低机组运行稳定性、经济性和环保性。

随着经济结构转型，用电侧负荷变化呈现出越来越强的随机性；同时由于以风电为代表的可再生能源发电电源规模化并网，其发电负荷的不确定性进一步加剧了电网扰动。用电发电侧的双随机扰动导致电网频率波动加剧，发电电源侧一次调频能力不足的矛盾日益突出。

在风电/光伏发电装机容量比例高、冬季供热期长的蒙东、黑龙江、吉林、辽宁地区，以及雾霾严重的华北地区，许多火电厂、供热站开始建设安装大功率电锅炉用于供热。虽然从热力学的角度分析电锅炉供热综合能源利用效率很低，但其具有启停迅速、清洁环保、运行方式灵活等优点，在一段时间内整体经济效益和社会效益优势明显。

大功率采暖电锅炉通过供热热网对外供热，而热网中的换热器、管道、散热器等设备具有很大的热惯性。简单地说，供热侧输入的供热负荷波动不会立即传导至热用户侧，导致热用户侧的热负荷立即变化；从另外一个角度说，大惯性对象具有很强的滤波作用，当输入信号的变化周期小于一定值时，滤波作用能够平抑这种波动使其不会反映在输出端。平均供热半径1公里的热网等效滤波时间超过30分钟，而电网频率波动超出一次调频死区的时间一般在几十秒至几分钟之间，这样时间尺度内的供热负荷波动经过热网滤波后不会对热用户造成可察觉到影响。此外，电网频率是以50Hz为基准双向变化的，因此一次调频也是双向动作的，不会导致电锅炉功率长时间地偏大或偏小。这些特性为大功率采暖电锅炉参与电网一次调频提供了可能。

用电侧的设备参与电网一次调频是一种新型的技术方案。电网频率降低时用电设备自动降低用电负荷、电网频率升高时用电设备自动增加用电负荷维持电网频率稳定，调节方向同发电负荷侧恰好相反。相对于火电机组一次调频调节速度慢的缺点，用电侧设备调整用电负荷的速度非常快，响应延迟和调节时间合计可小于1秒，能够以很快的速率响应一次调频指令，对电网稳定运行特别是重大故障的处理十分有利。因此，寻求一种采暖电锅炉参与电网一次调频的可行控制方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，以提高电网一次调频能力，确保电网稳定运行。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，所述方法包括以下步骤：

a.一次调频指令计算:

①确定一次调频死区Δf_min为±0.0333Hz；

②计算最大一次调频幅度P_Fmax：

其中，P_B-每个电加热器的功率，N_B-大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量向下取偶数；

③计算一次调频不等率为4％时达到最大一次调频幅度时对应的频差Δf_max：

其中，N-大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量；M-小功率采暖电锅炉包含的加热器的数量；

④计算一次调频指令：

用实际电网频率减去常数50，得到频差信号；将频差信号作为预先设定的多点折线函数的输入值(自变量)，则多点折线函数的输出值(因变量)即为一次调频指令；

b.设计一次调频滤波逻辑，对计算出的一次调频指令进行滤波：

滤波过程是：一次调频指令减去经过反馈回来的滤波后的一次调频指令，得到的偏差信号经过死区处理后再进入积分模块，积分模块输出为滤波后的一次调频指令。其中，一次调频滤波死区环节的输入输出特性为：

其中：r_o-一次调频滤波死区环节输出信号数值，任意量纲；r_i-一次调频滤波死区环节输入信号数值，任意量纲；r_DZ-滤波死区值，任意量纲；

c.根据滤波后的一次调频指令对电加热器进行循环调度：

①统计出每一个允许参与一次调频的电加热器，编号后加入调度序列，同时计算允许参与一次调频的电加热器总数，据此设置序列指针的变化范围；

②调度器检测滤波后一次调频指令和参与一次调频的电加热器总功率的偏差，如果偏差超出正负一个电加热器功率则进入步骤③，否则进入步骤④；

③调度程序对当前序列指针指向的电加热器的状态进行判断并执行操作，如果偏差为正且加热器处于关状态则开此加热器，如果偏差为负且加热器处于开状态则关此加热器，否则不执行操作，然后对执行过操作的电加热器编号加注一次调频动作标志，再修改序列指针使其指向下一个电加热器的编号；

④依据带有一次调频动作标志的电加热器的开关状态计算参与一次调频的电加热器的总功率，计算方式为：定义开状态为1，关状态为-1，对各个开关状态进行求和然后乘以单个电加热器功率；

⑤检查电网频率是否恢复至一次调频死区范围内，如果是则清除所有一次调频动作标志，然后转移到步骤①循环执行，否则直接转移到步骤①。

上述采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，所述一次调频指令滤波死区值设置为：

上述采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，所述一次调频死区Δf_min取值为Δf_min＝±0.0333Hz。

本发明在采暖电锅炉参与电网一次调频的控制过程中加入了一次调频指令滤波逻辑和循环调度逻辑，不仅可避免电锅炉加热器开关频繁动作，而且实现了各个加热器的平均使用，从而延长了设备的使用寿命。该方法可大幅提高电网一次调频能力，确保电网稳定运行。

下面结合附图对本发明作进一步详述。

附图说明

图1是电锅炉电气结构示意图；

图2是一次调频指令滤波逻辑示意图；

图3是电加热器的循环调度逻辑流程示意图。

图中或文中各符号为：Δf_min为一次调频死区，P_Fmax为最大一次调频幅度，P_Z为大功率采暖电锅炉总功率，P_B为每个电加热器的功率，N_B为大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量向下取偶数，Δf_max为达到最大一次调频幅度时对应的频差，N为大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量，M为小功率采暖电锅炉包含的加热器的数量，r_o为一次调频滤波逻辑输出信号数值，r_i为一次调频滤波逻辑输入信号数值，r_DZ为滤波死区值，K1A为第1号小功率电锅炉的第1个电加热器的三相电气开关，R1A为第1号小功率电锅炉的第1个电加热器的三相电阻器，K1B为第1号小功率电锅炉的第2个电加热器的三相电气开关，R1B为第1号小功率电锅炉的第2个电加热器的三相电阻器，K1C为第1号小功率电锅炉的第3个电加热器的三相电气开关，R1C为第1号小功率电锅炉的第3个电加热器的三相电阻器，K10A为第10号小功率电锅炉的第1个电加热器的三相电气开关，R10A为第10号小功率电锅炉的第1个电加热器的三相电阻器，K10B为第10号小功率电锅炉的第2个电加热器的三相电气开关，R10B为第10号小功率电锅炉的第2个电加热器的三相电阻器。

具体实施方式

本发明针对用电负荷复杂多变和风电等不稳定发电电源规模化并网导致电网一次调频能力不足的问题，提出了一种大功率采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法。当电网频率变化幅度(升高或降低)超过一次调频死区时，自动按一定比例改变(增加或减少)用电锅炉的功率，达到维持电网频率稳定的目的。由于供热热网具有很大的惯性，一次调频动作时间在30分钟以内不会对热用户造成任何影响。另外由于一次调频是双向动作的，不会造成供热负荷长时间偏高或偏低。本发明的控制逻辑包含一次调频指令计算、一次调频指令滤波、电加热器循环调度逻辑几部分。可在一次调频指令计算逻辑中设置一次调频死区、一次调频不等率及最大一次调频幅度三项参数。可通过一次调频指令滤波、电加热器循环调度逻辑实现均衡使用电锅炉中各个电加热器轮流参与一次调频，达到延长设备使用寿命的目的。大功率用电设备参与电网一次调频是一个新的思路，具有调节速度快、实施成本低的优点。

本发明依据的技术原理

大功率采暖电锅炉是通过多台小功率电锅炉并联提高总容量的，并且每个小功率电锅炉又由多个电加热器并联构成，每一个电加热器的电气回路由一个电气开关和一个加热电阻器串联构成。所以在电气结构上，大功率采暖电锅炉为多个电加热器并联构成，如图1所示。图1中，K1A表示第1号小功率电锅炉的第1个电加热器的三相电气开关，以此类推；R1A表示第1号小功率电锅炉的第1个电加热器的三相电阻器，以此类推；U、V、W表示三相交流电。

采暖电锅炉总功率的为：

P_z＝P_BNM (1)

其中：P_Z-大功率采暖电锅炉总功率，MW；P_B-每个电加热器的功率，MW；N-大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量，台；M-小功率采暖电锅炉包含的加热器的数量，个。

目前供热系统采用调节热网循环水流量和热网循环水出水温度两种方式调节供热负荷，为了保证供热均匀性避免个别热用户侧出现循环不畅的情况，需要优先保证热网循环水流量。因此供热初期供热负荷很小时，也需要50％以上的小功率电锅炉投入运行，而每一台小功率电锅炉只投入一个或几个电加热器。供热负荷增加时，优先增加小功率电锅炉的投入台数。

大功率采暖电锅炉参与一次调频的控制方法如下所述。

首先计算一次调频指令。

一次调频死区可参考火电机组一次调频死区确定，为±0.0333Hz，即电网频率超出50±0.0333Hz的范围时，一次调频才动作。

Δf_min＝±0.0333 (2)

其中：Δf_min-一次调频死区，Hz。

一次调频幅度需要考虑小功率电锅炉投入运行的台数。按照现有电锅炉运行方式，至少有50％的小功率电锅炉投入运行，每个小功率电锅炉中至少有一组加热器可参与一次调频率。电锅炉能够保证的最大一次调频幅度的计算公式为：

其中：P_Fmax-大功率电锅炉参与电网一次调频的最大幅度，MW。N_B-大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量向下取偶数，例如N为10则N_B为10，N为11则N_B也为10，台。

一次调频不等率可参考火电机组设置为4％。这意味着理论上电网频差为±4％即±2Hz时，电锅炉功率变化幅度要达到额定功率即±P_Z。事实上由于受到一次调频幅度的限制，电网频差还没有达到±2Hz时电锅炉一次调频功率已经达到一次调频幅度上限。一次调频最大功率点对应的电网频率为：

其中：Δf_max-一次调频最大功率点对应的电网频差，Hz。

依据式2、3、6，可由电网频差计算一次调频指令。由于每个电加热器只能以投入/切除的方式参与电网一次调频，因此大功率供暖电锅炉参与电网一次调频时功率变化过程并不是连续的，最小功率间隔为每个电加热器的功率P_B。即电网频率连续变化时，供暖电锅炉的功率是断续变化的。

其次设计一次调频滤波逻辑。

当电网频率超出一次调频死区并且在某个频率点附近小幅波动时，有可能造成某个电加热器频繁启停，容易导致电气开关和电阻器故障。因此设计一次调频指令滤波逻辑，结构如图2所示。图2中，SMU为求和模块；INTE为积分模块；DZ为死区模块，输入输出特性表达式为式7。

其中：r_o-输出信号数值，任意量纲；r_i-输入信号数值，任意量纲；r_DZ-滤波死区值，任意量纲。

一次调频指令滤波死区值设置为：

最后设计电加热器循环调度逻辑。

处于运行状态的每一台小功率电锅炉的每一个加热器，都可以由运行人员在一次调频未动作期间设置是否允许参与一次调频。在一次调频未动作时，允许参与一次调频的处于开状态的电加热器和处于关状态的电加热器的数量均不小于N_B/2个。

为了避免一次调频动作时总是某个或某几个电加热器动作造成电加热器使用率不均匀的情况，设计了循环调度逻辑。循环调度逻辑的基本原则是循环依次使用各个电加热器。工作流程分5步如图3所示。(1)统计出每一个允许参与一次调频的电加热器，编号后加入调度序列，同时计算允许参与一次调频的电加热器总数，据此设置序列指针的变化范围；(2)调度器检测滤波后一次调频指令和参与一次调频的电加热器总功率的偏差，如果偏差超出正负一个电加热器功率的话触发调度程序，否则执行下一步；(3)调度程序对当前序列指针指向的电加热器的状态进行判断并执行操作，如果偏差为正且加热器处于关状态则开此加热器，如果偏差为负且加热器处于开状态则关此加热器，否则不执行操作，然后对执行过操作的电加热器编号加注一次调频动作标志，再修改序列指针使其指向下一个电加热器的编号；(4)依据是否带有一次调频动作标志的电加热器的开关状态计算参与一次调频的电加热器的总功率，计算方式为：定义开状态为1，关状态为-1，对各个开关状态进行求和然后乘以单个电加热器功率；(5)检查电网频率是否恢复至一次调频死区范围内，如果是则清除所有一次调频动作标志，然后转移到第一步循环执行。

以上所有逻辑的执行周期设置在100毫秒以内。实际造成一次调频动作迟延小于1秒。

下面举例说明本发明的技术方案。某热电厂建设180MW大功率电锅炉，由20台9MW小功率电锅炉并联构成，每台小功率电锅炉包含6组1.5MW的电加热器。发明技术方案分3步实施。

(1)一次调频指令计算

依据式2计算一次调频死区，为：

Δf_min＝±0.0333，(Hz) (9)

依据式3计算最大一次调频幅度，为：

依据式6计算达到最大一次调频幅度时对应的频差，为：

一次调频指令的计算过程是：用实际电网频率减去常数50，得到频差信号；频差信号经过多点折线函数，计算得到一次调频指令。多点折线函数的设置方式见表1。

表1多点折线函数的设置

序号	1	2	3	4	5	6
							输入	-10	-0.2	-0.0333	0.0333	0.2	10
输出	-15	-15	0	0	15	15

(2)一次调频指令滤波

参考图2设计一次调频指令滤波逻辑。滤波过程是：一次调频指令减去经过滤波后的一次调频指令，得到的偏差信号经过死区处理后再进入积分模块。当一次调频指令变化值小于正负滤波死区值时，滤波后一次调频指令不会变化。参考式8，滤波死区值为：

(3)电加热器循环调度

参考图3所示流程，设计电加热器循环调度逻辑。步骤为：(1)统计出每一个允许参与一次调频的电加热器，编号后加入调度序列，同时计算允许参与一次调频的电加热器总数，据此设置序列指针的变化范围；(2)调度器检测滤波后一次调频指令和参与一次调频的电加热器总功率的偏差，如果偏差超出正负一个电加热器功率后触发调度程序，否则执行下一步；(3)调度程序对当前序列指针指向的电加热器的状态进行判断并执行操作，如果偏差为正且加热器处于关状态则开此加热器，如果偏差为负且加热器处于开状态则关此加热器，否则不执行操作，然后对执行过操作的电加热器编号加注一次调频动作标志，再修改序列指针使其指向下一个电加热器的编号；(4)依据是否带有一次调频动作标志的电加热器的开关状态计算参与一次调频的电加热器的总功率，计算方式为：定义开状态为1，关状态为-1，对各个开关状态进行求和然后乘以单个电加热器功率；(5)检查电网频率是否恢复至一次调频死区范围内，如果是则清除所有一次调频动作标志，然后转移到第一步循环执行。

本发明实施步骤

(1)实施条件确认

发明适用于大功率的采暖电锅炉，电锅炉至少由4个小功率的采暖电锅炉并联组成，每个小功率的采暖电锅炉电气回路至少由3组可独立开关的电加热器构成，其中至少有2组电加热器的电气开关可以自动控制。原电锅炉控制器硬件采用PLC(可编程控制器)、嵌入式微计算机或工控计算机等，可以通过编程的方式实现自动控制的设备。

需要增加电网频率信号测点，并将此信号接入控制器。

(2)控制程序编写

在原电锅炉控制程序的基础上，参考发明技术方案，通过增加程序的方式实现以下逻辑功能：一次调频指令计算、一次调频指令滤波、加热器循环调度。

(3)模拟调试

程序设计完成后，将各个电加热器开关切到手动位置，模拟电网频率信号各种变化，观察电网频率变化时控制器输出的各个电加热器开关信号的变化是否符合预期要求，检查、调试、修改程序错误。

(4)实际投入

模拟调试完成后，接入实际电网频率信号，将各个电加热器开关切到自动位置，投入实际运行。

本发明的优点

(1)控制效果好。大功率电锅炉参与电网一次调频是一个是解决当前电网调频能力不足的新方法。同当前电网一次调频的主力火电机组相比，其在控制快速性方面具有巨大的优势，在电网频率快速大幅变化时，一次调频可在1秒之内完全动作。同时最大一次调频幅度可以达到额定功率的5～10％。

(2)通过增加一次调频指令滤波逻辑可以避免电网频率超出一次调频死区后在某个频点小幅波动造成电锅炉加热器开关频繁动作，通过增加循环调度逻辑可以避免一次调频时只有某个或某几个电锅炉加热器开关频繁动作，可以实现平均使用各个电锅炉加热器的目的。参与一次调频不会过度降低设备寿命。

(3)由于供热热网具有很大的热惯性，采暖电锅炉短时间内的功率变化不会对热用户造成可察觉的影响。

Claims

1.一种采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

a. 一次调频指令计算:

①确定一次调频死区Δf _min；

②计算最大一次调频幅度P _Fmax：

其中，P _B-每个电加热器的功率，N _B-大功率采暖电锅炉包含的小功率电锅炉的数量向下取偶数；

③计算一次调频不等率为4%时达到最大一次调频幅度时对应的频差Δf _max：

④计算一次调频指令：

用实际电网频率减去常数50，得到频差信号；将频差信号作为预先设定的多点折线函数的输入值、即作为自变量，则多点折线函数的输出值为因变量，即为一次调频指令；

b. 设计一次调频滤波逻辑，对计算出的一次调频指令进行滤波：

滤波过程是：一次调频指令减去反馈回来的经过滤波后的一次调频指令，得到的偏差信号经过死区处理后再进入积分模块，积分模块输出为滤波后的一次调频指令；其中，一次调频滤波死区环节的输入输出特性为：

其中：r _o-一次调频滤波死区环节输出信号数值，任意量纲；r _i-一次调频滤波死区环节输入信号数值，任意量纲；r _DZ-滤波死区值，任意量纲；

c. 根据滤波后的一次调频指令对电加热器进行循环调度：

⑴.统计出每一个允许参与一次调频的电加热器，编号后加入调度序列，同时计算允许参与一次调频的电加热器总数，据此设置序列指针的变化范围；

⑵.调度器检测滤波后一次调频指令和参与一次调频的电加热器总功率的偏差，如果偏差超出正负一个电加热器功率则进入步骤⑶，否则进入步骤⑷；

⑶.调度程序对当前序列指针指向的电加热器的状态进行判断并执行操作，如果偏差为正且加热器处于关状态则开此加热器，如果偏差为负且加热器处于开状态则关此加热器，否则不执行操作，然后对执行过操作的电加热器编号加注一次调频动作标志，再修改序列指针使其指向下一个电加热器的编号；

⑷.依据带有一次调频动作标志的电加热器的开关状态计算参与一次调频的电加热器的总功率，计算方式为：定义开状态为1，关状态为-1，对各个开关状态进行求和然后乘以单个电加热器功率；

⑸.检查电网频率是否恢复至一次调频死区范围内，如果是则清除所有一次调频动作标志，然后转移到步骤⑴循环执行，否则直接转移到步骤⑴。

2.根据权利要求1所述的一种采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，其特征是，所述一次调频指令滤波死区值设置为：

。

3.根据权利要求1或2所述的一种采暖电锅炉参与电网一次调频的控制方法，其特征是，所述一次调频死区Δf _min取值为

。