CN110912204B - 一种适用于热电耦合太阳能联产的惯性功率协调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于热电耦合太阳能联产的惯性功率协调控制系统，包括有如下阶段：(1)建立太阳能热发电子系统模型；(2)建立燃气轮机子系统模型；(3)建立余热锅炉及汽轮机数学模型；(4)对太阳能热电联产系统热电转换数学关系分析；(5)加入惯性功率补偿环节；(6)应用灰狼算法进行时间常数的优化，提升系统性能，本发明适用于多种设备并网发电的综合能源系统，能改善由于响应速度问题导致系统性能下降的问题。

Description

一种适用于热电耦合太阳能联产的惯性功率协调控制系统

技术领域

本发明涉及适用于类似热电耦合太阳能联产系统，特别涉及一种适用于热电耦合太阳能联产的惯性功率协调控制系统。

背景技术

化石能源作为当今社会各行各业主要的原动力，对社会的发展起着至关重要的作用。在电力行业，煤、石油、天然气等化石能源消耗速度不断加快，但由于其有限性，存储量逐渐降低，无法满足日益增长的供应需要，不符合科学发展观要求；同时，煤、石油、天然气等化石能源的过度消耗产生超出环境自身净化所消耗的二氧化碳，导致温室效应，煤、石油的不充分燃烧还生成有毒性污染气体(如二氧化氮、一氧化碳等)，威胁全球生态。由此人们寻找化石能源的替代能源。可再生新能源如风能、水力、潮汐能、核能等有着可再生、环境友好等诸多优点，利用可再生能源发电，很大程度减少了化石能源的使用量，缓解了能源枯竭及环境污染问题。但新能源并网也给人们带来新的挑战。新能源如风能具有随机性、间歇性、不可预测性等不确定特点，借助新能源的能量发电并入主网，将引起主网潮流波动，影响电网电能质量，甚至引发电网故障，导致电网解列，无法保证电网的安全稳定运行。同时，综合能源系统整合区域内电能、热能等多种能源，实现多种异质能源子系统的协调规划，在满足系统多元化用能需求的同时进行能量的梯级利用，实现能源利用率的有效提升。而系统供应端热电联产、需求侧热电转换的热电耦合方式改变了系统中特定的热电负荷比，对系统的调节控制提出了更高的要求。

相较于风能发电、光伏发电的不可控性，太阳能热发电作为一种新型的可控型发电方式而得到广泛的研究及应用推广。在电力系统研究中，一般新能源具有间歇性、不确定性等特点，研究时通常作为扰动并入电网中，只对传统发电设备进行控制，以便确保电网的稳定运行，而太阳能热发电作为一种可控的发电方式，可以与传统发电设备共同作为调控装置，实现电网的调度、调频等，维持电网的稳定，太阳能联产系统应运而生。太阳能热发电系统，作为一种新兴的可控型新能源利用形式，为电网的调控带来极大的便利，同时，与传统化石能源供电系统组成联产系统。太阳能联产系统结合太阳能热发电系统和燃气轮机联产系统的优势，一方面，减轻由于太阳能间歇性带来的波动；另一方面，减少了化石燃料的使用，提高了系统的调度灵活性，提升了系统运行效率。

太阳能联产系统由燃气轮机和太阳能聚光集热部分为系统运行提供能量支持。太阳能热发电系统吸收太阳能转化为传热流体的热能，进而产生高温高压蒸汽推动汽轮机做功，产生电能；相较于传统发电设备通过燃烧化石燃料发电，高温气体膨胀做功，变化过程迅速而言，太阳能热发电系统包括太阳辐射能的收集汇聚、光热转换传递过程，过程复杂且耗时长，在调节过程中动态响应慢，因而在太阳能联产系统中，同一指令调控下，太阳能热发电子系统与传统发电子系统的动态响应速度存在差异，导致系统响应性能较差。当供需出现功率差值时，现有热-电能源系统功率控制多按不同设备额定容量比进行功率分配，虽一定程度缩短系统恢复平衡的调节时间，但忽视了系统的动态变化过程，出现快速反应的燃气轮机能及时调整补足功率缺额，而太阳能光热发电却不能及时跟随功率变化，导致系统处于不断的波动中，的情况，延长了系统的调节时间，降低了系统运行稳定性。

发明内容

本发明针对的研究对象是太阳能热电联产系统如说明书附图中图1所示，太阳能热电联产系统是由太阳能热发电子系统和燃气轮机发电子系统以及余热锅炉汽轮机组成，为生产生活提供电能和热能。本发明所要解决的技术问题是，考虑到太阳能热发电系统由于集热、传热及热交换的环节，具有大惯性特征，导致系统响应的延迟，从而在与燃气轮机系统组成的热电耦合太阳能联产系统中出现不同发电设备响应速度差异性问题。本发明提供一种能够改善太阳能联产系统供电设备响应差异性的惯性功率协调控制策略，利用燃气轮机系统的快速响应优势补偿太阳能热发电不能及时跟随负荷需求变化的差额功率，并利用惯性环节的缓冲特性避免系统出现大幅超调，达到提升系统动态性能的目的。

本发明所采用的技术方案是：一种能适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制系统，包括有如下阶段：

一、建立太阳能热发电子系统模型。假定系统运行过程中，温度、压强等参数控制在稳定范围内，考虑传热过程延时的影响，简化太阳能热发电子系统传递函数模型如下所示。

其中，K_g为调速器增益，T_g为调速器时间常数，T_r为再热器时间常数，K_r为再热器增益；

G_CSP(s)为太阳能热发电子系统的传递函数，系统的输入为太阳能热发电子系统的控制调节量，输出为系统产生的热量。

二、建立燃气轮机子系统模型。假定燃气轮机联合循环系统温度、压力控制系统维持稳定，保证温度、压力在正常工作范围，简化燃气轮机系统传递函数模型如下所示。

其中，T_cd为压缩机容积时间常数；T_f为燃烧室时间常数；T_v为燃气轮机惯性常数；

G_GT(s)为燃气轮机子系统的传递函数模型，燃气轮机子系统的输入为其控制调节量，输出为燃气轮机子系统产生的热量。

三、建立余热锅炉及汽轮机数学模型。余热锅炉中进行的热交换过程，废气中的热能被水吸收产生水蒸气。废气温度高、压力大且流速快、热熔小；而水流速相对较低，热容较大。忽略余热锅炉中温度、压力因素，只考虑能量传递过程，对余热锅炉传递函数模型进行简化如下所示。

其中，T_t为余热锅炉惯性常数，K_t为余热锅炉增益，β₂为抽汽调节阀开度，T_p汽轮机惯性常数，K_p为汽轮机增益；

G_ST(s)为余热锅炉及汽轮机子系统的传递函数模型，系统的输入为太阳能热发电子系统和燃气轮机子系统产生的热量，输出为产生的电能。

四、对太阳能热电联产系统热电转换数学关系分析；在能量守恒热电耦合等式ΔQ＝kΔP(k为转换效率)基础上，考虑到热电转化过程存在的热传递的长时滞、大惯性特性，建立热电耦合关系：

其中：R₁＝1/(UA_air)；C＝C_a+C_m

式中，ΔP(s)、ΔQ(s)为用于电采暖的电能及所转换的热能；UA_air为循环到环境的空气的热损失系数；C_a表示室内空气热容；C_m表示建筑质量热容；τ表示时滞时间；η表示电采暖的热效率。W为导热流体流量，根据热传递的时滞、惯性特点，W一般为0.5～3kg/s。

五、加入惯性功率补偿环节，将太阳能热发电系统输出功率与参考值的差值通过惯性环节补偿到燃气轮机的参考功率中，对运行过程中的太阳能热发电系统和燃气轮机发电系统功率进行了重新分配，能量关系为：

ΔQ_p＝Q_{p_ref}-Q_p

其中，Q_p、Q_g为太阳能热发电、燃气轮机输出功率；Q_{p_ref}、Q_{g_ref}为太阳能光热发电、燃气轮机应输出的功率；ΔQ_p、ΔQ_g为太阳能热发电、燃气轮机调节量；T为惯性补偿时间常数。

六、应用灰狼算法进行时间常数的优化，提升系统性能。包含以下步骤：

步骤1：首先设定狼群的数量以及迭代参数，确定时间常数取值范围；

步骤2：调用太阳能联产系统的参数，以便进行目标函数的计算；

步骤3：判断狼群中变量取值是否满足时间常数取值范围，满足条件，则进行目标函数的计算；否则，重新初始化狼群；

步骤4：计算目标函数值。选取系统动态性能衡量指标作为适应度函数。一般来说，H₂范数表示系统运行过程的动态性能，H_∞范数表示系统对于扰动的抵抗能力，因此选用H₂范数和H_∞范数的加权作为适应度值，以提高系统鲁棒性。

依据H₂/H_∞控制优化目标设计控制器性能指标：

F＝γ₁J_∞(u,ω)+γ₂J₂(u,ω)

其中，u为控制量，ω为干扰，J_∞(u,ω)为系统H_∞指标函数，反映系统对于扰动的抵抗能力；J₂(u,ω)为系统H₂指标函数，反映系统运行过程的动态性能；γ₁、γ₂分别表示H_∞性能、H₂性能指数所占比例，F表示灰狼优化算法适应度值，用来选择最优参数。

步骤5：选取目标函数值最优的狼位置进行狼群的更新，并进入下次循环，直到满足最大迭代次数；

步骤6：确定最优取值T。

有益效果

本发明的一种适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制策略，具有如下特点：

1、在热电耦合太阳能联产系统中，为解决太阳能热发电与燃气轮机联产发电响应速度差异性问题，提升太阳能联产系统动态调整过程，缩短调节时间，减少系统超调量，增强系统鲁棒稳定性，提出一种适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制策略。

2、本发明首先对控制系统进行研究，建立系统整体模型，然后针对不同设备响应速度差异性和热电输出耦合性进行分析，采用特性适合的惯性环节进行功率的重新分配，以缓解太阳能热发电系统慢响应、大时延对系统调整的影响，并利用惯性环节的缓冲特性避免系统产生大幅超调，提升了系统响应性能。

3、本发明适用于多种设备并网发电的综合能源系统，能改善由于响应速度问题导致系统性能下降的问题。

附图说明

图1是太阳能联产系统结构示意图；

图2是灰狼算法流程图；

图3是在恒定负荷下系统响应图；

图4是在负荷突变的情况下系统响应图；

图5是在扰动场景下系统响应图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制方法做出详细说明。

本发明为一种适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制策略，为应对太阳能联产系统供电设备动态响应不同步导致系统负荷供需不匹配的问题，提出惯性功率补偿方法，将太阳能热发电所欠缺的功率通过惯性环节附加到燃气轮机的指令上，对运行过程中的太阳能热发电系统和燃气轮机发电系统功率进行了重新分配，利用燃气轮机的快速响应特性减少负荷缺额，从而加快系统响应速度，改善系统动态调节过程；同时利用惯性环节的缓冲效果抑制过补偿，在满足系统负荷供需平衡的同时，实现系统动态调节过程中的稳定性。

一、建立太阳能热发电子系统模型。假定系统运行过程中，温度、压强等参数控制在稳定范围内，考虑传热过程延时的影响，简化太阳能热发电子系统传递函数模型如下所示。

其中，K_g为调速器增益，T_g为调速器时间常数，T_r为再热器时间常数，K_r为再热器增益；

G_CSP(s)为太阳能热发电子系统的传递函数，系统的输入为太阳能热发电子系统的控制调节量，输出为系统产生的热量。

二、建立燃气轮机子系统模型。假定燃气轮机联合循环系统温度、压力控制系统维持稳定，保证温度、压力在正常工作范围，简化燃气轮机系统传递函数模型如下所示。

其中，T_cd为压缩机容积时间常数；T_f为燃烧室时间常数；T_v为燃气轮机惯性常数；

G_GT(s)为燃气轮机子系统的传递函数模型，燃气轮机子系统的输入为其控制调节量，输出为燃气轮机子系统产生的热量。

三、建立余热锅炉及汽轮机数学模型。余热锅炉中进行的热交换过程，废气中的热能被水吸收产生水蒸气。废气温度高、压力大且流速快、热熔小；而水流速相对较低，热容较大。忽略余热锅炉中温度、压力因素，只考虑能量传递过程，对余热锅炉传递函数模型进行简化如下所示。

其中，T_t为余热锅炉惯性常数，K_t为余热锅炉增益，β₂为抽汽调节阀开度，T_p汽轮机惯性常数，K_p为汽轮机增益；

G_ST(s)为余热锅炉及汽轮机子系统的传递函数模型，系统的输入为太阳能热发电子系统和燃气轮机子系统产生的热量，输出为产生的电能。

四、对太阳能热电联产系统热电转换数学关系分析；在能量守恒热电耦合等式ΔQ＝kΔP(k为转换效率)基础上，考虑到热电转化过程存在的热传递的长时滞、大惯性特性，建立热电耦合关系：

其中：R₁＝1/(UA_air)；C＝C_a+C_m

式中，ΔP(s)、ΔQ(s)为用于电采暖的电能及所转换的热能；UA_air为循环到环境的空气的热损失系数；C_a表示室内空气热容；C_m表示建筑质量热容；τ表示时滞时间；η表示电采暖的热效率。W为导热流体流量，根据热传递的时滞、惯性特点，W一般为0.5～3kg/s。

五、加入惯性功率补偿环节，将太阳能热发电系统输出功率与参考值的差值通过惯性环节补偿到燃气轮机的参考功率中，对运行过程中的太阳能热发电系统和燃气轮机发电系统功率进行了重新分配，能量关系为：

ΔQ_p＝Q_{p_ref}-Q_p

其中，Q_p、Q_g为太阳能热发电、燃气轮机输出功率；Q_{p_ref}、Q_{g_ref}为太阳能光热发电、燃气轮机应输出的功率；ΔQ_p、ΔQ_g为太阳能热发电、燃气轮机调节量；T为惯性补偿时间常数。

六、应用灰狼算法进行时间常数的优化，提升系统性能。包含以下步骤：

步骤1：首先设定狼群的数量以及迭代参数，确定时间常数取值范围；

步骤2：调用太阳能联产系统的参数，以便进行目标函数的计算；

步骤3：判断狼群中变量取值是否满足时间常数取值范围，满足条件，则进行目标函数的计算；否则，重新初始化狼群；

步骤4：计算目标函数值。选取系统动态性能衡量指标作为适应度函数。一般来说，H₂范数表示系统运行过程的动态性能，H_∞范数表示系统对于扰动的抵抗能力，因此选用H₂范数和H_∞范数的加权作为适应度值，以提高系统鲁棒性。

依据H₂/H_∞控制优化目标设计控制器性能指标：

F＝γ₁J_∞(u,ω)+γ₂J₂(u,ω)

其中，u为控制量，ω为干扰，J_∞(u,ω)为系统H_∞指标函数，反映系统对于扰动的抵抗能力；J₂(u,ω)为系统H₂指标函数，反映系统运行过程的动态性能；γ₁、γ₂分别表示H_∞性能、H₂性能指数所占比例，F表示灰狼优化算法适应度值，用来选择最优参数。

步骤5：选取目标函数值最优的狼位置进行狼群的更新，并进入下次循环，直到满足最大迭代次数；

步骤6：确定最优取值T。

为验证本发明中一种适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制策略的有效性，对由太阳能热发电系统和燃气轮机联产系统组成的联合系统进行控制并分析效果。

设定太阳能热发电系统容量为50MW，燃气轮机联产系统容量为50MW，对比在恒定负荷、负荷突变及存在扰动场景下，系统在无补偿、增益补偿及所提惯性补偿下的动态调节过程，在恒定负荷下系统响应图3所示；在负荷突变的情况下系统响应如图4所示；在扰动场景下，系统响应如图5所示。

图3、图4和图5中横坐标为仿真时间，纵坐标为输出功率标幺值。本发明方法明显优于，提升了系统动态性能。

Claims (2)

1.一种适用于热电耦合太阳能联产的惯性功率协调控制系统，其特征在于，包括有如下阶段：

一、建立太阳能热发电子系统传递函数模型，即：

其中，K_g为调速器增益，T_g为调速器时间常数，T_r为再热器时间常数，K_r为再热器增益；

二、建立燃气轮机子系统传递函数模型，即：

其中，T_cd为压缩机容积时间常数；T_f为燃烧室时间常数；T_v为燃气轮机惯性常数；

三、建立余热锅炉及汽轮机传递函数模型，即：

其中，T_t为余热锅炉惯性常数，K_t为余热锅炉增益，β₂为抽汽调节阀开度，T_p汽轮机惯性常数，K_p为汽轮机增益；

四、对太阳能热电联产系统热电转换数学关系分析，在建立热电耦合关系：

其中：R₁＝1/(UA_air)；C＝C_a+C_m；

式中，ΔP(s)、 ΔQ(s)为用于电采暖的电能及所转换的热能；UA_air为循环到环境的空气的热损失系数；C_a表示室内空气热容；C_m表示建筑质量热容；τ表示时滞时间；η表示电采暖的热效率；W为导热流体流量，根据热传递的时滞、惯性特点，W为0.5～3kg/s；

五、加入惯性功率补偿环节，将太阳能热发电子系统输出功率与参考值的差值通过惯性环节补偿到燃气轮机的参考功率中，对运行过程中的太阳能热发电子系统和燃气轮机子系统功率进行了重新分配，能量关系为：

ΔQ_p＝Q_{p_ref}-Q_p

其中，Q_p、Q_g为太阳能热发电、燃气轮机输出功率；Q_{p_ref}、Q_{g_ref}为太阳能光热发电、燃气轮机应输出的功率；ΔQ_p、ΔQ_g为太阳能热发电、燃气轮机调节量；T为惯性补偿时间常数；

六、应用灰狼算法进行时间常数的优化，提升系统性能。

2.根据权利要求1所述的一种适用于热电耦合太阳能联产系统的惯性功率协调控制系统，其特征在于，阶段六包括如下步骤：

步骤1：首先设定狼群的数量以及迭代参数，确定时间常数取值范围；

步骤2：调用太阳能联产系统的参数，以便进行目标函数的计算；

步骤3：判断狼群中变量取值是否满足时间常数取值范围，满足条件，则进行目标函数的计算；否则，重新初始化狼群；

步骤4：计算目标函数值，选取系统动态性能衡量指标作为适应度函数；H₂范数表示系统运行过程的动态性能，H_∞范数表示系统对于扰动的抵抗能力，因此选用H₂范数和H_∞范数的加权作为适应度值，以提高系统鲁棒性；

依据H₂/H_∞控制优化目标设计控制器性能指标：

F＝γ₁J_∞(u,ω)+γ₂J₂(u,ω)

其中，u为控制量，ω为干扰，J_∞(u,ω)为系统H_∞指标函数，反映系统对于扰动的抵抗能力；J₂(u,ω)为系统H₂指标函数，反映系统运行过程的动态性能；γ₁、γ₂分别表示H_∞性能、H₂性能指数所占比例，F表示灰狼优化算法适应度值，用来选择最优参数；

步骤5：选取目标函数值最优的狼位置进行狼群的更新，并进入下次循环，直到满足最大迭代次数；

步骤6：确定最优取值T。

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