CN110288128A - 一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型，属于电网运行与控制技术领域。其特点是包括以下步骤：①获取热电机组系统的运行参数；②建立总成本目标函数；③建立电热协调控制模型；④求得经济调节因子；⑤由经济调节因子确定功率参数。本发明采用的基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型，综合考虑了热电机组系统中的各种功率平衡需求和运行约束，能够更有效和可靠的进行系统的协调控制，为热电机组系统的稳定协调运行提供技术依据和实用方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种储热热电机组功率控制模型，特别涉及一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型，属于电网运行与控制技术领域。
背景技术
近年来我国风电装机装机容量和并网规模不断增大，其中“三北”(东北、华北、西北)地区出现了严重的弃风现象。从国家能源局发布的最新信息来看，2017年我国弃风现象主要集中在在东北、西北、华北地区，其中较为严重的省份是甘肃、新疆、吉林和内蒙古，弃风率高达43％、38％、30％、21％。发生该现象的一个主要原因就是热电机组在冬季供暖期因供暖需求进而引发系统调峰能力急剧下降。“三北”地区由于气候原因，电源以热电联产机组为主，调峰能力不足，为响应供暖期热负荷需求，热电机组采用“以热定电”机制，最小发电出力提高，系统调峰能力不足矛盾加剧。
因此以电力系统安全稳定为基础，分析电热耦合特性，科学解耦，合理优化调度，提升系统调峰能力，实现节能减排与新能源消纳，是急需解决的问题。“三北”地区由于气候原因，电源以热电联产机组为主，调峰能力不足，为响应供暖期热负荷需求，热电机组采用“以热定电”机制，最小发电出力提高，系统调峰能力不足矛盾加剧。因此以电力系统安全稳定为基础，分析电热耦合特性，科学解耦，合理优化调度，提升系统调峰能力，实现节能减排与新能源消纳，是急需解决的问题。
从目前来看，实现热电解耦，可以通过增设电锅炉、储热装置解除“以热定电”机制的约束；而对于电能与热能的综合电网调度，可采用滚动调度提高电网调峰能力；研究控制抽汽量的手段以改变机组调峰容量，深度挖掘机组调峰能力，以煤耗等为指标，合理分配电热负荷，优化系统分配。
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型综合考虑了热电机组系统中的各种功率平衡需求和运行约束，能够更有效和可靠的进行系统的协调控制，为热电机组系统的稳定协调运行提供技术依据和实用方法。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型综合考虑了热电机组系统中的各种功率平衡需求和运行约束，能够更有效和可靠的进行系统的协调控制，为热电机组系统的稳定协调运行提供技术依据和实用方法。本发明这种储热热电机组功率控制模型的基本思想是：基于经济协调因子，建立热电机组的协调控制机制；综合考虑各种功率平衡需求，建立满足系统运行约束的经济协调因子控制模型；基于上述控制模型，来提高供电系统的可靠性和实用性。
本发明给出的技术方案是：
一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型，在带储热热电机组系统中，根据其电热特性,系统的运行条件,热负荷要求，二氧化硫、氮氧化物排放要求，风电消纳要求量,采用经济调节因子，对发电功率及热功率参数进行调整，从而实现系统的协调控制，保证系统高效经济环保稳定运行。其特点是包括以下步骤：
步骤1)获取热电机组系统的运行参数；
步骤2)建立总成本目标函数；
(1)建立热电机组煤耗成本函数、风电运维成本函数、煤炭脱硫脱硝成本函数；
(2)三者求和得到总成本目标函数；
步骤3)建立电热协调控制模型
(1)建立上层协调控制模型，该模型即机组自身约束条件(系统功率平衡约束，机组出力约束，储热装置容量及储放功率约束)；
(2)建立下层协调控制，该模型即地方性条件约束(供热负荷要求约束，地区风电消纳要求约束，二氧化硫、氮氧化物排放约束)；
步骤4)求得经济调节因子；
(1)经上层协调控制求得初步经济调节因子；
(2)将初步经调因子进行下层协调控制得到最终经济调节因子；
步骤5)由经济调节因子确定功率参数；
储热热电机组是指增设储热装置以减轻电热冲突矛盾约束的热电机组。
热电机组系统的运行参数是指机组最大、小发电发热功率，煤耗系数，电热功率弹性系数等计算和控制所需要的参数。
总成本目标函数＝热电机组煤耗成本+风电运维成本+煤炭脱硫脱硝成本
minf＝C1+C2+C3
其中C1为热电机组煤耗成本，C2为风电运维成本，C3为煤炭脱硫脱硝成本。
电热协调控制模型首先需要满足上层协调控制机组自身约束条件即步骤3)中(1)
系统功率平衡
Pe it、Pw it分别表示热电和风电的机组i在t时刻发电功率，Pt为t时刻电负荷。
机组出力及爬坡约束
Pimin、Pimax、rdi、rui分别表示机组i最大、最小出力及最大向下、向上爬坡率。
储热容量约束
是t时刻的储热容量，别为储热装置最小、最大储热容量。
储、放热功率约束
分别为储热装置的最大储、放热功率。
电热协调控制模型首先需要满足下层协调控制地方性条件约束即步骤3)中(2)；热功率平衡约束：
Pht分别为t时刻机组供热功率、储热装置的供热功率、热负荷值。
风电上网量要求：
Pre w为风电上网量要求。
硫硝排放限制：
AS、AN、分别为硫硝排放量及排放限制量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型，除了能够提高该系统运行的可靠性和经济性外，还能一定程度上解决环保问题与新能源消纳问题。传统的控制方法，仅是单纯考虑经济性，不能顺应现在更高的要求。本发明通过协调控制和经济协调因子，即能够打破热电联产机组的热电耦合约束，又能降低二氧化硫及氮氧化物等污染物的排放，同时兼顾风电的并网消纳量。
2.本方法易于实施。本方法是在原有热电机组控制环节基础上，建立协调控制机制和逻辑，经济协调因子的计算简洁有效，最大化的利用原有控制系统的参数和数据，从控制上易于实施。
3.本方法便于商业化开发。随着带储热热电机组应用的增多，该系统的控制策略的开发必然具有较大需求，本发明具有较好的商业开发前景，同时上下两层协调控制模型能更好的适应不同地区不同指标要求，更具有实用性。
附图说明
图1是带储热热电机组系统示意图。
图2是基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型协指令流程图示意图。
图3是加装储热后抽汽式机组电热特性图。
具体实施方式
下面结合附图图1、图2、图3和仿真实验对本发明的技术方案做进一步详细说明。
一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型包括以下步骤：
步骤1)获取热电机组系统的运行参数；
步骤2)建立总成本目标函数；
(1)建立热电机组煤耗成本函数、风电运维成本函数、煤炭脱硫脱硝成本函数；
(2)三者求和得到总成本目标函数；
步骤3)建立电热协调控制模型
(1)建立上层协调控制模型，该模型即机组自身约束条件(系统功率平衡约束，机组出力约束，储热装置容量及储放功率约束)；
(2)建立下层协调控制，该模型即地方性条件约束(供热负荷要求约束，地区风电消纳要求约束，二氧化硫、氮氧化物排放约束)；
步骤4)求得经济调节因子；
(1)经上层协调控制求得初步经济调节因子；
(2)将初步经调因子进行下层协调控制得到最终经济调节因子；
步骤5)由经济调节因子确定功率参数；
储热热电机组是指增设储热装置以减轻电热冲突矛盾约束的热电机组。
热电机组系统的运行参数是指机组最大、小发电发热功率，煤耗系数，电热功率弹性系数等计算和控制所需要的参数。
总成本目标函数＝热电机组煤耗成本+风电运维成本+煤炭脱硫脱硝成本
minf＝C1+C2+C3
其中C1为热电机组煤耗成本，C2为风电运维成本，C3为煤炭脱硫脱硝成本。
电热协调控制模型首先需要满足上层协调控制机组自身约束条件即步骤3)中(1)
系统功率平衡
Pe it、Pw it分别表示热电和风电的机组i在t时刻发电功率，Pt为t时刻电负荷。
机组出力及爬坡约束
Pimin、Pimax、rdi、rui分别表示机组i最大、最小出力及最大向下、向上爬坡率。
储热容量约束
是t时刻的储热容量，别为储热装置最小、最大储热容量。
储、放热功率约束：
分别为储热装置的最大储、放热功率。
电热协调控制模型首先需要满足下层协调控制地方性条件约束即步骤3)中(2)；热功率平衡约束：
Pht分别为t时刻机组供热功率、储热装置的供热功率、热负荷值。
风电上网量要求：
Pre w为风电上网量要求。
硫硝排放限制：
AS、AN、AS re、AN re分别为硫硝排放量及排放限制量。
图1是带储热热电机组系统示意图，系统构成主要包括：风力发电系统、热电机组、储热装置、负荷等。
为解决热电机组由于“热电耦合”而造成的调峰能力不足的问题，考虑对机组配置储热装置。储热装置可以将系统中产生的热能存储以来，在需要的时候再释放出来，使得热负荷在时间上进行平移，提高机组运行的灵活性。
在电力系统中，电网调度对各能源进行分配，使得它们满足网内电负荷和热负荷的需求。新能源电源出力具有间歇性和不确定性，需要火电厂作为备用电源，但是若火电机组上网电量增大，相应的新能源电源的上网电量就不得不减少。由于电能无法存储，所以新能源弃电的现象时有存在。当热电机组配置储热装置后，在负荷高峰且新能源小发时段，机组提高电出力；在负荷低谷且新能源大发时段，为给新能源提供较大的消纳空间，热电机组尽可能压出力；由储热装置来平衡热负荷缺额。储热装置的配置使得热电机组对热功率进行分配，无需时刻与热负荷保持平衡。
储热时，高温水从罐子的上部流入罐内，与此同时，相同体积的低温水从罐子的底部排出，斜温层随着低温水的不断排出而缓慢下降，直到低温水全部排出罐外，此时罐中全部是高温水，即储热罐蓄满；同理，储热罐放热时，低温水从罐子底部注入，同时，相同体积的高温水从罐子顶部排出，斜温层随着高温水的不断排出而缓慢上升，直至高温水全部排出罐外，此时罐中全是低温水，即储热装置完全放热。为了控制储热装置中斜温层的高度，一般会根据装置中冷热水的混合程度控制水的流速，使斜温层保持一定的高度。
热电机组加入储热装置，在电网调峰时段或新能源弃电时段，高温水逐渐流入水罐，而低温水慢慢流出罐子，即将电能转换为热能，存储在罐子中。在电网负荷的高峰期，高温水流出水罐至热网以补充热力缺额，此时机组由于供热而需要的抽汽量即可减少，机组的发电功率可以提高。
图2是基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型协指令流程图示意图；
步骤1)获取热电机组系统的运行参数；
步骤2)建立总成本目标函数；
(1)建立热电机组煤耗成本函数、风电运维成本函数、煤炭脱硫脱硝成函数；
(2)三者求和得到总成本目标函数；
步骤3)建立电热协调控制模型
(1)上层协调控制即机组自身约束条件(系统功率平衡约束，机组出力约束，储热装置容量及储放功率约束)；
(2)下层协调控制即地方性条件约束(供热负荷要求约束，地区风电消纳要求约束，二氧化硫、氮氧化物排放约束)；
步骤4)求得经济调节因子；
(1)经上层协调控制求得初步经济调节因子；
(2)将初步经调因子进行下层协调控制得到最终经济调节因子；
步骤5)由经济调节因子确定功率参数；
图3是加装储热后抽汽式机组电热特性图；通过储热装置和热电机组的协调配合，能有效提高热电联产机组的调节能力，其联合电-热运行特性如图3所示。在配置储热后，其最小供热功率向下平移。故而，配置储热后抽汽式机组的整体运行区间如图中AJKLMN所围区间，大于加装前ABCD区域。热电机组等效出力可行域的扩大表征为三个方面：一是等效最大供热能力的增加；二是相同供热量下，等效最低发电功率的下降，相比电锅炉供热，储热系统进行供热时自身并不消耗电力，因此等效最低发电出力降低幅度不如电锅炉；三是相同供热量下，等效最高发电功率的增加，储热系统在相同等效供热量下，可短时替代部分热力供应，使热电机组减少供热抽汽量，并提升发电出力。可见，储热装置能增加热电机组的正备用容量，有利于应对风电的波动性。
为验证该模型有效性，进行仿真实验验证其可行性。假设某区域内包含10台常规火电机组、2台抽汽式热电联产机组、1个风电场。风电场共有300台单机容量为1500kW的风力发电机，总容量为450MW。储热装置的最大储、放热功率为100MW；最大储热容量为1000MW。调度周期为1d，24个时段。分别采用统供热方式、含储热的热电联产机组供热方式进行仿真对比，并利用改进的遗传算法来求解。可以认为经过300次的迭代后达到最优解。前者调度成本略低于后者，但弃风量远高于后者，综合煤耗成本及污染物治理成本综合考虑，含储热的热电机组更具有经济性与环保性，一定程度上验证了该模型可行效性。
Claims (6)
1.一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制模型，在带储热热电机组，根据其电热特性,系统的运行条件,热负荷要求，二氧化硫、氮氧化物排放要求，风电消纳要求量，以总成本最小为目标，求得经济调节因子，对发电功率及热功率参数进行调整，从而实现系统的协调控制，保证系统高效经济环保稳定运行；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)获取热电机组系统的运行参数；
步骤2)建立总成本目标函数；
(1)建立热电机组煤耗成本函数、风电运维成本函数、煤炭脱硫脱硝成本函数；
(2)三者求和得到总成本目标函数；
步骤3)建立电热协调控制模型；
(1)建立上层协调控制模型，该模型即机组自身约束条件；
(2)建立下层协调控制模型，该模型即地方性条件约束；
步骤4)求得经济调节因子；
(1)经上层协调控制求得初步经济调节因子；
(2)将初步经调因子进行下层协调控制得到最终经济调节因子；
步骤5)由经济调节因子确定功率参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制方法，其特征在于：储热热电机组是指增设储热装置以减轻电热冲突矛盾约束的热电机组。
3.根据权利要求1所述的一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制方法，其特征在于：热电机组系统的运行参数是指机组最大、小发电发热功率，煤耗系数，电热功率弹性系数等计算和控制所需要的参数。
4.根据权利要求1所述的一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制方法其特征在于：总成本目标函数＝热电机组煤耗成本+风电运维成本+煤炭脱硫脱硝成本；
minf＝C1+C2+C3
其中C1为热电机组煤耗成本，C2为风电运维成本，C3为煤炭脱硫脱硝成本。
5.根据权利要求1所述的一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制方法，其特征在于：电热协调控制模型首先需要满足上层协调控制机组自身约束条件即步骤3)中第(1)步，系统功率平衡；
Pe it、Pw it分别表示热电和风电的机组i在t时刻发电功率，Pt为t时刻电负荷；
机组出力及爬坡约束：
Pimin、Pimax、rdi、rui分别表示机组i最大、最小出力及最大向下、向上爬坡率；
储热容量约束：
是t时刻的储热容量，别为储热装置最小、最大储热容量；
储、放热功率约束：
分别为储热装置的最大储、放热功率。
6.根据权利要求1所述的一种基于经济调节因子的储热热电机组功率控制方法，其特征在于：电热协调控制模型首先需要满足下层协调控制地方性条件约束即步骤3)中第(2)步；热功率平衡约束：
Pht分别为t时刻机组供热功率、储热装置的供热功率、热负荷值；
风电上网量要求：
Pre w为风电上网量要求；
硫硝排放限制：
AS≤AS re
AN≤AN re
AS、AN、AS re、AN re分别为硫硝排放量及排放限制量。
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|---|---|---|---|---|
| CN111600298A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-08-28 | 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 | 适用于多区域清洁能源协同的日前经济调度方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014110878A1 (zh) * | 2013-01-16 | 2014-07-24 | 国电南瑞科技股份有限公司 | 风火协调调度模式下日前调度计划优化辅助分析方法 |
| CN108964128A (zh) * | 2018-08-07 | 2018-12-07 | 燕山大学 | 基于电锅炉与储热装置协调供热的低碳经济调度求解方法 |
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2019
- 2019-05-31 CN CN201910466190.9A patent/CN110288128A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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