CN111258232B - 一种火储联合调频半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种火储联合调频半实物仿真系统，包括系统模型、开发平台、PLC控制器和能量管理监控平台；所述系统模型为火电机组与储能系统联合调频模型，通过接口模块与开发平台实现通信；所述开发平台为AGC调频控制算法的开发平台，通过TCP/IP将AGC调频控制算法下载到PLC控制器中；所述PLC控制器负责执行控制算法，通过TCP/IP与能量管理监控平台实现通信；所述能量管理监控平台实时监控仿真系统的运行，包含控制指令的下发和仿真系统运行数据的实时展示。本申请保留真实的控制器和能量管理监控平台，仅将被控对象以模型的形式实现，相比于数学仿真系统，本申请的半实物仿真系统更接近于真实的系统控制环境。

Description

一种火储联合调频半实物仿真系统

技术领域

本发明属于电力系统二次调频技术领域，涉及一种火储联合调频半实物仿真技术，尤其涉及一种火电机组与储能联合调频构成的半实物仿真系统。

背景技术

在国家环保政策的大力推动下，电力行业正在逐步转型，原来的占主导地位的火电机组装机容量比例逐渐降低，新能源装机容量实现稳步增长，这对与我国的环保低碳化发展具有重要意义。

然而新能源发电的波动性给电网的安全稳定运行带来了挑战，电网调频的需求增加，加大了火电机组的调频压力。由于火电机组中锅炉响应的延迟特性、汽轮机滑压运行的影响等，导致火电机组在自动发电控制(Automation Generator Control，AGC)即二次调频过程中的效果无法达到最优，尤其在折返调节时经常出现反调的情况。而储能系统的快速响应时间、较高的响应精度得到了行业内的普遍认可，将储能系统接入火电机组高厂变侧，不影响火电机组原本的运行，并补偿火电机组无法响应AGC调度指令的部分，大大提高了系统AGC调频能力，除了稳定电网运行，同时增加了电厂的经济收益。因此，研究火储联合调频系统的应用对于发电企业来说具有重要意义。

传统的数学仿真系统，在建模时会根据需求忽略某些特性，存在一定误差，同时也无法实现数据的实时交换和处理。而半实物仿真把回路中的部分用实物代替，更接近与真实的系统环境，在系统运行过程中可以实时调整系统参数，具有高效灵活、仿真可信度高等特点。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种火储联合调频半实物仿真系统，保留真实的控制器和能量管理监控平台，仅将被控对象以模型的形式实现，相比于数学仿真系统，本申请的半实物仿真系统更接近于真实的系统控制环境。

为了实现上述目标，本申请采用如下技术方案：

一种火储联合调频半实物仿真系统，包括系统模型、开发平台、PLC控制器和能量管理监控平台；

所述系统模型为火电机组与储能系统联合调频模型，通过接口模块与开发平台实现通信；

所述开发平台为AGC调频控制算法的开发平台，通过TCP/IP将AGC调频控制算法下载到PLC控制器中；

所述PLC控制器负责执行控制算法，通过TCP/IP与能量管理监控平台实现通信；

所述能量管理监控平台实时监控仿真系统的运行，包含控制指令的下发和仿真系统运行数据的实时展示。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，所述系统模型包括火电机组模型、储能系统模型和电网模型三个子系统，储能系统逆变器交流输出侧接入电厂的高压厂用变压器低压侧，高压厂用变压器额定功率大于储能系统额定功率与厂级负荷之和，高压厂用变压器高压侧与火电机组并网侧共同接入主变压器低压侧，各子系统通过修改设备参数、设置断路器的方式模拟设备故障、电路故障和电网电压的突然升降，以研究子系统之间的相互影响；

所述火电机组模型包括锅炉、汽轮机、发电机、锅炉主控系统、汽轮机主控系统、协调控制系统、数字电液控制系统、励磁系统和测量模块；所述火电机组模型接收能量管理监控平台下发的AGC调度指令值作为机组出力目标值；

所述储能系统模型包括电池组、逆变器、滤波、逆变器控制系统、变压器和测量模块，所述电池组支持锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池四种类型；

所述电网模型包括交流负荷、高压厂用变压器、主变压器、三相传输线路、三相电压源和测量模块。

优选地，所述发电机采用的是三相同步电机电气模型；

所述协调控制系统中，由汽轮机调节器控制输出功率，由锅炉调节器控制汽压；当功率给定值变化时，汽轮机调节器改变调速汽门开度，从而改变进汽量，促使发电机输出功率满足负荷要求；调速汽门开度改变后锅炉出口汽压随即变化，于是通过锅炉调节器改变燃料量；

所述数字电液控制系统包括内回路调节级压力控制、中间回路功率控制和外回路转速一次调频控制，所述三个回路同时作用时构成功-频回路；

当火电机组尚未并网时，数字电液控制系统为单回路反馈控制，只存在转速控制；

当数字电液控制系统处于并网后的负荷控制时，控制方案为串级PID控制，数字电液控制系统的外扰是负荷扰动前馈信号，内扰是蒸汽压力反馈信号，并网运行后不参与调频时用功率回路控制，参与调频时用功-频回路控制；

负荷变化时，功率控制器接受负荷扰动的前馈信号，对机组实发功率进行调整。

优选地，所述储能系统模型采用DC/AC单极拓扑结构，通过两级升压的方式接入火电机组的高厂变侧；

所述逆变器采用电压外环电流内环的双环控制方案。

优选地，所述开发平台为系统模型中的信号进行变量定义，系统模型中对应的信号通过接口模块与开发平台中的变量进行关联，从而实现仿真系统运行数据的实时跟踪；

所述开发平台通过分析从系统模型中获取的火电机组出力信号、储能系统出力信号、储能系统荷电状态(State of Charge，SOC)信号、储能交/直流测电压和电流信号，以及能量管理监控平台下发至PLC控制器的AGC调度信号，以系统收益与调频效果为协同优化目标，确定仿真系统的AGC调频控制算法，所述AGC调频控制算法在仿真系统运行前将被下载到PLC控制器中。

优选地，所述PLC控制器执行AGC调频控制算法，通过算法实时更新储能系统模型的出力指令，用于决定储能系统模型是处于充电、放电或静置状态，同时控制储能系统模型的充放电深度以及SOC上下限。

优选地，所述能量管理监控平台实时监视仿真系统运行数据，并实时下发控制指令控制仿真系统运行；

所述仿真系统运行数据包括火电机组主汽压力、调门开度、电机转速等数据，储能电池充电量、放电量、直流侧电压、电流等数据，以及各子系统并网侧电压、电流、频率和功率，所述仿真系统运行数据的上传通过对PLC控制器的访问实现；

所述控制指令包括AGC调度指令、算法控制参数调整指令，含火电机组出力死区值、储能SOC上下限、储能SOC出力分段比和储能出力指令上下限。

优选地，所述开发平台为Twincat平台。

优选地，所述接口模块为TC ADS Symbol Interface。

优选地，所述PLC控制器与能量管理监控平台之间的数据接口为htdBeckHoff.dll。

本申请所达到的有益效果：

1.本申请通过虚实结合的方式构建了火储联合调频半实物仿真系统，为验证系统控制方案和控制算法提供了条件；

2.本申请可有效模拟控制系统、发电机组、储能系统、电网在发生故障时相互之间的影响；

3.本申请还可对能量管理监控平台的具体功能进行验证；

4.由于采用真实控制器，使得仿真更接近系统真实运行环境，并且仿真时不必重新编写控制算法模型，直接修改算法参数即可，节省了开发时间。

附图说明

图1为本申请一种火储联合调频半实物仿真系统的控制原理图；

图2为本申请一种火储联合调频半实物仿真系统的结构示意图；

图3为本申请实施例中火电机组模型、储能系统模型和电网模型组成示意图；

图4为本申请实施例中火电机组模型结构示意图；

图5为本申请实施例中机协调控制系统结构示意图；

图6为本申请实施例中数字电液控制系统结构示意图；

图7为本申请实施例中储能系统模型结构示意图；

图8本申请实施例中逆变器控制系统原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

本申请的一种火储联合调频半实物仿真系统，其控制原理如图1所示，

机组DCS接收EMS(能量管理监控平台模拟)下发的AGC调度指令，

一方面，将指令下发给机组跟踪，由机组进行控制；

另一方面储能系统能量控制(PLC控制器进行模拟)对上接收AGC调度指令和机组实时出力信号，对下接收储能系统实时出力信号并通过计算实时优化、发出储能系统出力指令；最终储能系统和火电机组系统的合并出力信号将送至电网进行AGC调频效果判定。

如图2所示，本申请一种火储联合调频半实物仿真系统，包括系统模型、开发平台、PLC控制器和能量管理监控平台；

所述系统模型为火电机组与储能系统联合调频模型，通过接口模块与开发平台实现通信；

实施例中，如图3所示，所述系统模型由Simulink平台实现，包括火电机组模型、储能系统模型和电网模型三个子系统，储能系统逆变器交流输出侧接入电厂的高压厂用变压器低压侧，高压厂用变压器额定功率应大于储能系统额定功率与厂级负荷之和。高压厂用变压器高压侧与火电机组并网侧共同接入主变压器低压侧。

各子系统通过修改设备参数、设置断路器的方式模拟设备故障、电路故障和电网电压的突然升降，以研究子系统之间的相互影响；

如图4所示，所述火电机组模型包括锅炉、汽轮机、发电机、锅炉主控系统、汽轮机主控系统、协调控制系统、数字电液控制系统、励磁系统和测量模块；

实施例中，所述发电机采用的是三相同步电机电气模型，相比于传统的传递函数模型，增加了电压电流频率等电气特性的考量，仿真结果可信度更高；

火电机组模型可根据负荷需求选择实现滑压或定压运行，并接收能量管理监控平台下发的AGC调度指令值作为机组出力目标值。

如图5所示，所述协调控制系统中，由汽轮机调节器控制输出功率，由锅炉调节器控制汽压；当功率给定值变化时，汽轮机调节器改变调速汽门开度，从而改变进汽量，促使发电机输出功率满足负荷要求；调速汽门开度改变后锅炉出口汽压随即变化，于是通过锅炉调节器改变燃料量；这种控制方式利用了锅炉的蓄热性能，使得机组能比较快的适应电网负荷的要求。

如图6所示，所述数字电液控制系统包括内回路调节级压力控制、中间回路功率控制和外回路转速一次调频控制，所述三个回路同时作用时构成功-频回路；

当火电机组尚未并网时，数字电液控制系统为单回路反馈控制，只存在转速控制；

当数字电液控制系统处于并网后的负荷控制时，控制方案为串级PID控制，数字电液控制系统的外扰是负荷扰动前馈信号，内扰是蒸汽压力反馈信号，并网运行后不参与调频时用功率回路控制，参与调频时用功-频回路控制；

负荷变化时，功率控制器接受负荷扰动的前馈信号，对机组实发功率进行调整。这种控制方式在克服再热机组的功率滞后现象，提高机组对外界负荷的适应性方面有较大作用。

如图7所示，所述储能系统模型包括电池组、逆变器、滤波、逆变器控制系统、变压器和测量模块，所述电池组支持锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池等多种电池特性，并可根据储能系统所需配置相应的功率和容量，对储能的放电功率进行设定；

实施例中，所述储能系统模型采用DC/AC单极拓扑结构，与传统的DC/DC—DC/AC双极拓扑结构相比，单级拓扑具有结构简单、效率更高等优势；所述储能系统模型通过两级升压的方式接入火电机组的高厂变侧，即接入电厂厂用变下的母线，与火电机组分开独立运行，由于其响应速度块，调节精度高的特点，弥补火电机组无法响应AGC调度指令的部分。

如图8所示，所述逆变器采用电压外环电流内环的双环控制方案，双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，输出电压的谐波含量减小，非线性负载适应能力加强。

实施例中，所述电网模型包括交流负荷、高压厂用变压器、主变压器、三相传输线路、三相电压源和测量模块，可以通过设置线路阻抗、线路长度等参数，在仿真系统运行过程中还可以通过修改系统参数、设置断路器等方式模拟故障工况，对系统稳定性进行分析。同时也可以通过对电压、电流、频率等的观测，分析火储系统对电网的影响。

所述开发平台为AGC调频控制算法的开发平台，通过TCP/IP将AGC调频控制算法下载到PLC控制器中；

实施例中，所述开发平台为系统模型中的信号进行变量定义，系统模型中对应的信号通过接口模块与开发平台中的变量进行关联，从而实现仿真系统运行数据的实时跟踪；

所述开发平台通过分析从系统模型中获取的火电机组出力信号、储能系统出力信号、储能系统SOC信号、储能交/直流测电压和电流信号，以及能量管理监控平台下发至PLC控制器的AGC调度信号，以系统收益与调频效果为协同优化目标，确定仿真系统的AGC调频控制算法，所述AGC调频控制算法在仿真系统运行前将被下载到PLC控制器中。

所述PLC控制器负责执行控制算法，通过TCP/IP与能量管理监控平台实现通信；

实施例中，所述PLC控制器执行AGC调频控制算法，通过算法实时更新储能系统模型的出力指令，用于决定储能系统模型是处于充电、放电或静置状态，同时控制储能系统模型的充放电深度以及SOC上下限。

所述能量管理监控平台实时监控仿真系统的运行，包含控制指令的下发和仿真系统运行数据的实时展示。

实施例中，所述仿真系统运行数据包括火电机组主汽压力、调门开度、电机转速等数据，储能电池充电量、放电量、直流侧电压、电流等数据，以及各子系统并网侧电压、电流、频率和功率，所述仿真系统运行数据的上传通过对PLC控制器的访问实现；

所述控制指令包括AGC调度指令、算法控制参数调整指令，含火电机组出力死区值、储能SOC上下限、储能SOC出力分段比和储能出力指令上下限等。

所述开发平台为Twincat平台。

所述接口模块为TC ADS Symbol Interface。

所述PLC控制器与能量管理监控平台之间的数据接口为htdBeckHoff.dll。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述仿真系统包括系统模型、开发平台、PLC控制器和能量管理监控平台；

所述系统模型为火电机组与储能系统联合调频模型，通过接口模块与开发平台实现通信；

所述系统模型包括火电机组模型、储能系统模型和电网模型三个子系统，储能系统逆变器交流输出侧接入电厂的高压厂用变压器低压侧，高压厂用变压器额定功率大于储能系统额定功率与厂级负荷之和，高压厂用变压器高压侧与火电机组并网侧共同接入主变压器低压侧，各子系统通过修改设备参数、设置断路器的方式模拟设备故障、电路故障和电网电压的突然升降，以研究子系统之间的相互影响；

所述火电机组模型包括锅炉、汽轮机、发电机、锅炉主控系统、汽轮机主控系统、协调控制系统、数字电液控制系统、励磁系统和测量模块；所述火电机组模型接收能量管理监控平台下发的AGC调度指令值作为机组出力目标值；

所述开发平台为AGC调频控制算法的开发平台，通过TCP/IP将AGC调频控制算法下载到PLC控制器中；

所述PLC控制器负责执行控制算法，通过TCP/IP与能量管理监控平台实现通信；

所述能量管理监控平台实时监控仿真系统的运行，包含控制指令的下发和仿真系统运行数据的实时展示。

2.根据权利要求1所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述储能系统模型包括电池组、逆变器、滤波、逆变器控制系统、变压器和测量模块，所述电池组支持锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池四种类型；

所述电网模型包括交流负荷、高压厂用变压器、主变压器、三相传输线路、三相电压源和测量模块。

3.根据权利要求2所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述发电机采用的是三相同步电机电气模型；

所述协调控制系统中，由汽轮机调节器控制输出功率，由锅炉调节器控制汽压；当功率给定值变化时，汽轮机调节器改变调速汽门开度，从而改变进汽量，促使发电机输出功率满足负荷要求；调速汽门开度改变后锅炉出口汽压随即变化，于是通过锅炉调节器改变燃料量；

所述数字电液控制系统包括内回路调节级压力控制、中间回路功率控制和外回路转速一次调频控制，所述三个回路同时作用时构成功-频回路；

当火电机组尚未并网时，数字电液控制系统为单回路反馈控制，只存在转速控制；

当数字电液控制系统处于并网后的负荷控制时，控制方案为串级PID控制，数字电液控制系统的外扰是负荷扰动前馈信号，内扰是蒸汽压力反馈信号，并网运行后不参与调频时用功率回路控制，参与调频时用功-频回路控制；

负荷变化时，功率控制器接受负荷扰动的前馈信号，对机组实发功率进行调整。

4.根据权利要求2所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述储能系统模型采用DC/AC单极拓扑结构，通过两级升压的方式接入火电机组的高厂变侧；

所述逆变器采用电压外环电流内环的双环控制方案。

5.根据权利要求1所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述开发平台为系统模型中的信号进行变量定义，系统模型中对应的信号通过接口模块与开发平台中的变量进行关联，从而实现仿真系统运行数据的实时跟踪；

所述开发平台通过分析从系统模型中获取的火电机组出力信号、储能系统出力信号、储能系统SOC信号、储能交/直流测电压和电流信号，以及能量管理监控平台下发至PLC控制器的AGC调度信号，以系统收益与调频效果为协同优化目标，确定仿真系统的AGC调频控制算法，所述AGC调频控制算法在仿真系统运行前将被下载到PLC控制器中。

6.根据权利要求1所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述PLC控制器执行AGC调频控制算法，通过算法实时更新储能系统模型的出力指令，用于决定储能系统模型是处于充电、放电或静置状态，同时控制储能系统模型的充放电深度以及SOC上下限。

7.根据权利要求1所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述能量管理监控平台实时监视仿真系统运行数据，并实时下发控制指令控制仿真系统运行；

所述仿真系统运行数据包括火电机组主汽压力、调门开度、电机转速等数据，储能电池充电量、放电量、直流侧电压、电流等数据，以及各子系统并网侧电压、电流、频率和功率；

所述仿真系统运行数据的上传通过对PLC控制器的访问实现；

所述控制指令包括AGC调度指令、算法控制参数调整指令，含火电机组出力死区值、储能SOC上下限、储能SOC出力分段比和储能出力指令上下限。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述开发平台为Twincat平台。

9.根据权利要求1-7任一所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述接口模块为TC ADS Symbol Interface。

10.根据权利要求1-7任一所述的一种火储联合调频半实物仿真系统，其特征在于：

所述PLC控制器与能量管理监控平台之间的数据接口为htdBeckHoff.dll。

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