CN113032991B - 一种热电联产机组模型的建模方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电联产机组模型的建模方法及装置，属于电气工程领域，本发明基于传统的爬坡约束模型，加入了由供热蝶阀控制的热力输出变化的影响；同时，考虑了热电联产机组的精细化模型，包括蒸汽蝶阀、高压缸、中压缸、低压缸、油动机和供热蝶阀等，从而得到了精细考虑热电耦合特性的热电联产机组模型；使得在改进模型下，能够同时控制进汽口蒸汽的输入量和供热蝶阀的开度，以快速实现热电联产机组增加或减少电力输出，如此，热电联产机组能够有更快的爬坡本领，更能适应于爬坡压力大的场合，从而，提升了热电联产机组的运行灵活性，有利于系统消纳风电和光伏。

Description

一种热电联产机组模型的建模方法及装置
技术领域
本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种热电联产机组模型的建模方法及装置。
背景技术
在低碳化的背景下，我国风电和光伏的装机容量迅速提升，截止2019 年底均超过200GW，而由于风电和光伏出力的波动性大等因素，我国弃风和弃光问题仍然比较严重。热电联产机组作为一种能同时产生热能和电能的设备，在供热时期起到非常大的作用，但由于其“以热定电”的运行方式，运行灵活性很差。再加上部分省份早高峰电力爬坡压力大的因素，导致了弃风和弃光的现象更加的明显。目前主要采用热电联产机组配以电锅炉和储热装置的方式提升风电和光伏的消纳，但这并未从根本上改善机组的运行灵活性，仍然存在较大的弃风和弃光问题。因此，为了破除热电联产机组“以热定电”的运行方式，提升系统消纳风电和光伏的能力，迫切需要一种精细考虑热电耦合特性的热电联产机组模型来从根本上提升其运行灵活性。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种热电联产机组模型的建模方法及装置，旨在解决热电联产机组爬坡压力大、运行灵活性差导致系统产生大量弃风和弃光的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种热电联产机组模型的建模方法，包括以下步骤：
S1：由进入高压缸的蒸汽量、进入热网进行热交换的蒸汽 比例、高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数、低压缸中的单位蒸汽做功系数，得到热电联产机组的电力输出；
S2：由所述进入高压缸的蒸汽量、所述进入热网进行热交换的蒸汽 比例、热交换的效率，得到热电联产机组的热力输出；
S3：基于所述电力输出和热力输出，以及热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，构建热电联产机组爬坡约束模型。
进一步地，所述电力输出表示为：
Figure BDA0002986261430000021
式中，
Figure BDA0002986261430000022
表示在t时刻第i台热电联产机组的电力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽 比例，η1表示高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数，η2表示低压缸中的单位蒸汽做功系数。
进一步地，所述热力输出表示为：
Figure BDA0002986261430000023
式中，
Figure BDA0002986261430000024
表示在t时刻第i台热电联产机组的热力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽 比例，ηh表示热交换的效率。
进一步地，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure BDA0002986261430000025
Figure BDA0002986261430000026
式中，
Figure BDA0002986261430000027
和
Figure BDA0002986261430000028
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出，
Figure BDA0002986261430000029
和
Figure BDA00029862614300000210
分别表示第i台热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，η2h表示η2除以ηh的结果。
进一步地，在考虑在机组组合时，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure BDA0002986261430000031
Figure BDA0002986261430000032
式中，
Figure BDA0002986261430000033
和
Figure BDA0002986261430000034
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出；
Figure BDA0002986261430000035
表示机组启停的二进制标量，当
Figure BDA0002986261430000036
为1时，第i台热电联产机组处于工作状态，而当
Figure BDA0002986261430000037
为0时，该机组处于停机状态；
Figure BDA0002986261430000038
和
Figure BDA0002986261430000039
分别表示第 i台机组的最大开启电力输出提升速率和最大关机电力输出降低速率，
Figure BDA00029862614300000310
表示第i台机组的最大电力输出，η2h表示η2除以ηh的结果。
按照本发明的另一个方面，提供了一种热电联产机组模型的建模装置，包括：
电力输出模块，用于由进入高压缸的蒸汽量、进入热网进行热交换的蒸汽 比例、高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数、低压缸中的单位蒸汽做功系数，得到热电联产机组的电力输出；
热力输出模块，用于由所述进入高压缸的蒸汽量、所述进入热网进行热交换的蒸汽 比例、热交换的效率，得到热电联产机组的热力输出；
模型构建模块，用于基于所述电力输出和热力输出，以及热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，构建热电联产机组爬坡约束模型。
进一步地，所述电力输出表示为：
Figure BDA00029862614300000311
式中，
Figure BDA00029862614300000312
表示在t时刻第i台热电联产机组的电力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽 比例，η1表示高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数，η2表示低压缸中的单位蒸汽做功系数。
进一步地，所述热力输出表示为：
Figure BDA0002986261430000041
式中，
Figure BDA0002986261430000042
表示在t时刻第i台热电联产机组的热力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽 比例，ηh表示热交换的效率。
进一步地，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure BDA0002986261430000043
Figure BDA0002986261430000044
式中，
Figure BDA0002986261430000045
和
Figure BDA0002986261430000046
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出，
Figure BDA0002986261430000047
和
Figure BDA0002986261430000048
分别表示第i台热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，η2h表示η2除以ηh的结果。
进一步地，在考虑在机组组合时，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure BDA0002986261430000049
Figure BDA00029862614300000410
式中，
Figure BDA00029862614300000411
和
Figure BDA00029862614300000412
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出；
Figure BDA00029862614300000413
表示机组启停的二进制标量，当
Figure BDA00029862614300000414
为1时，第i台热电联产机组处于工作状态，而当
Figure BDA00029862614300000415
为0时，该机组处于停机状态；
Figure BDA00029862614300000416
和
Figure BDA00029862614300000417
分别表示第 i台机组的最大开启电力输出提升速率和最大关机电力输出降低速率，
Figure BDA00029862614300000418
表示第i台机组的最大电力输出，η2h表示η2除以ηh的结果。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明基于传统的爬坡约束模型，加入了由供热蝶阀控制的热力输出变化的影响；同时，考虑了热电联产机组的精细化模型，包括蒸汽蝶阀、高压缸、中压缸、低压缸、油动机和供热蝶阀等，从而得到了精细考虑热电耦合特性的热电联产机组模型；使得在改进模型下，热电联产机组能够有更快的爬坡本领，更能适应于爬坡压力大的场合，由此提升了热电联产机组的运行灵活性，有利于系统消纳风电和光伏。具体地，当热电联产机组被要求增加电力输出时，该机组可增加进汽口蒸汽的输入量，同时减少供热蝶阀的开度以降低热力输出，更快实现增加电力输出。相反，在被要求减少电力输出时，热电联产机组可减少进汽口蒸汽输入量，同时增加热力输出，更快实现减少电力输出。
附图说明
图1是本发明提供的热电联产机组模型的建模方法的流程图；
图2是本发明提供的6节点测试系统电力、热力需求曲线和风电、光伏最大可出力曲线图；
图3是本发明提供的热电联产机组1号电力热力输出曲线对比图；
图4是本发明提供的热电联产机组2号电力热力输出曲线对比图；
图5是本发明提供的系统弃风弃光量对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
热电联产机组通常由高压缸、中压缸、低压缸和蝶阀等部件构成。高温高压的蒸汽一次进入高压缸和中压缸做功产生电力，从中压缸排出的相对来说温度不太高压力不太大的蒸汽一部分进入低压缸做功产生电力，另一部分蒸汽经过供热蝶阀进入热网进行热交换供应热力。
热电联产机组总的电力和热力输出表达式可以表示为：
Figure BDA0002986261430000061
式中：p1表示高压缸和中压缸中总的电力输出，而p2表示低压缸中的电力输出。
传统的爬坡约束模型可以表示为：
Figure BDA0002986261430000062
式中：
Figure BDA0002986261430000063
和
Figure BDA0002986261430000064
分别表示第i台热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，这与传统火电机组最大进汽量变化有关，而Δpc表示在不同时间下的电力输出变化量。
传统的爬坡约束模型仅考虑了进汽口蒸汽变化速率的限制，蒸汽量的改变由高压缸前的蒸汽蝶阀控制。然而，热电联产机组内部的供热蝶阀也可以控制进入低压缸的蒸汽比例，它影响了低压缸乃至整个机组的电力输出量。该供热蝶阀位于中压缸与热网之间。与蒸汽蝶阀一样，供热蝶阀由油动机等设备控制，高压耐火的油作为其动力油，还包括液压伺服马达、连接杆和弹簧等，形成了供热蝶阀液压开启与弹簧关闭的工作模式，因而可以进行远程操控，并且延迟很低。
对传统的热电联产机组来说，受到供热蝶阀、缸壁强度等的限制，其最大热力输出变化量约为每分钟4到5吨高温高压蒸汽，因而供热蝶阀的控制延迟时间可忽略不计。
参阅图1，本发明提供了一种热电联产机组模型的建模方法，包括以下步骤：
S1：由进入高压缸的蒸汽量、进入热网进行热交换的蒸汽 比例、高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数、低压缸中的单位蒸汽做功系数，得到热电联产机组的电力输出；
S2：由所述进入高压缸的蒸汽量、所述进入热网进行热交换的蒸汽 比例、热交换的效率，得到热电联产机组的热力输出；
S3：基于所述电力输出和热力输出，以及热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，构建热电联产机组爬坡约束模型。
具体地，在t时刻，热电联产机组的电力输出和热力输出可以表示为：
Figure BDA0002986261430000071
Figure BDA0002986261430000072
式中：Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽 比例，
Figure BDA0002986261430000073
和
Figure BDA0002986261430000074
分别表示在t时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出，η1表示高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数，而η2表示低压缸中的单位蒸汽做功系数，ηh表示热交换的效率。
由于Gt在额定值的30％至100％浮动，无论热电联产机组运行于背压模式还是滑压模式，η2和ηh都将被认为是固定值。
通过列写在t-1时刻热电联产机组的电力输出和热力输出表达式，并将其与(3)和(4)式进行比较，可得到以下的等式：
Figure BDA0002986261430000075
式中：η2h表示η2除以ηh的结果。
等式(5)说明了热电联产机组在t-1时刻和t时刻电力输出和热力输出的耦合关系，等式右边的前两项代表了受进汽口蒸汽蝶阀控制造成的电力输出改变量，与式(2)中的Δpc意义相同，而等式右边的最后一项表示前后时刻热力输出的变化，由于η2h是一个常数，因而该项只由热力输出变化量决定。
联立等式(2)和(5)，通过消除Δpc，即η1·(Gt-Gt-1)+η2·(Gt-Gt-1)，改进型的热电联产机组爬坡约束模型可表示为：
Figure BDA0002986261430000081
Figure BDA0002986261430000082
比较等式(2)中的传统爬坡约束模型，改进型 的热电联产机组爬坡约束不但考虑了进汽口蒸汽量Gt变化的影响因素，还将由供热蝶阀控制的热力输出变化的影响也加入进来，使得在改进模型下，热电联产机组能够有更快的爬坡本领，更能适应于爬坡压力大的场合。
举例来说，当热电联产机组被要求增加电力输出，那么该机组可增加进汽口蒸汽的输入量，并且同时减少供热蝶阀的开度，降低热力输出，以此来达到更快电力输出增加的目的。相反，在被要求减少电力输出时，热电联产机组可减少进汽口蒸汽输入量，同时增加热力输出，来实现更快减少电力输出的目的。
改进型的热电联产机组爬坡约束模型提高了最大的电力爬坡速率，从根本上提升了热电联产机组运行的灵活性。
进一步考虑在机组组合问题下的模型形式，改进后的热电联产机组爬坡约束模型将符合以下表达式：
Figure BDA0002986261430000083
Figure BDA0002986261430000084
式中：
Figure BDA0002986261430000085
表示机组启停的二进制标量，当
Figure BDA0002986261430000086
为1时，第i台热电联产机组处于工作状态，而当
Figure BDA0002986261430000087
为0时，该机组处于停机状态。
Figure BDA0002986261430000088
和
Figure BDA0002986261430000089
分别表示第i台机组的最大开启电力输出提升速率和最大关机电力输出降低速率，
Figure BDA00029862614300000810
表示第i台机组的最大电力输出。
本发明还提供了一种热电联产机组模型的建模装置，包括：
电力输出模块，用于由进入高压缸的蒸汽量、进入热网进行热交换的蒸汽 比例、高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数、低压缸中的单位蒸汽做功系数，得到热电联产机组的电力输出；
热力输出模块，用于由所述进入高压缸的蒸汽量、所述进入热网进行热交换的蒸汽 比例、热交换的效率，得到热电联产机组的热力输出；
模型构建模块，用于基于所述电力输出和热力输出，以及热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，构建热电联产机组爬坡约束模型。
上述热电联产机组模型的建模装置中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将热电联产机组模型的建模装置按照需要划分为不同的模块，以完成上述装置的全部或部分功能。
实施案例
以IEEE-6节点系统为基础，进行算例分析，比较在热电联产机组爬坡模型改进前后系统消纳风电和光伏的能力。
6节点系统中包含了3台传统火电机组(G1、G2和G3)，两台热电联产机组(CHP1和CHP2)，一个风电场(W1)和一个光伏电场(PV1)。设定该系统的电力需求由节点3和节点6平均分配，系统中供热区域有两个，分别位于在节点3(供热区域1)和节点6(供热区域2)之后。热电联产机组1号单独为区域1供热，而热电联产机组2号单独为区域2供热，并且区域1中还存在着一台120MW的燃煤供热锅炉，区域2中存在一个 50MW的储热装置和一台50MW的电锅炉，他们与热电联产机组配合运行，实现各供热区域的热力平衡。
系统一天24个时段的电力、热力需求以及风电和光伏的最大可出力数据如附图2所示。
该系统电力负荷最明显的特征为早上8时和11时的电力负荷分别为 507MW和825MW，要求系统的最低爬坡速率不低于105MW/h，给系统带来了很大的爬坡压力。
为比较热电联产机组爬坡模型改进前后的效果，采用控制变量法，设置两种仿真的情景。情景一中，采用传统的热电联产机组爬坡模型，即(2) 式；情景二中，采用改进型的热电联产机组爬坡模型，即(6)、(7)式。负荷、风光出力以及其余约束条件在情景一和情景二中均相同。
通过仿真分析得到了热电联产机组1号和2号电力和热力输出曲线，如图3和图4所示，可以明显看出在约8时至11时时间段内，热电联产机组爬坡幅度很大，并且无论是热电联产机组1号还是2号，在应用了改进型的热电联产机组爬坡约束模型下的情景二中，在需要快速爬坡的阶段，热电联产机组均能降低热力输出，以此更快的提升电力输出水平，这是在应用传统爬坡约束模型的情景一中的热电联产机组做不到的。
情景二中热电联产机组1号在早上第8时间段降低了43MW的热力输出同时提升了73MW的电力输出，此电力提升速率是情景一中对应时段电力爬坡速率(33MW)的2.2倍。
情景二中，第8至第10时间段内热电联产机组2号每小时均降低了 15MW的热力输出，同时提升了每小时45MW的电力输出，比情景一中对应时段电力爬坡速率提高了33MW/h。
通过仿真分析，同时得到了系统弃风弃光量的对比，如图5所示。早上2点到6点时间段内，情景一和情景二中的弃风弃光量基本相同，而在早上7点和8点有了明显的区别。情景二中弃风弃光总量为7时25.9MWh、 8时10.7MWh，对比情景一中的情况分别降至1/2(52.2MWh)和1/6 (25.8MWh)，情景二下系统消纳了更多的风电和光伏。
表1为情景一和情景二下系统在一天内的弃风弃光总量。
表1
弃风弃光总量/MWh
情景一 343.87
情景二 262.71
通过表1可以明显看出，在应用精细考虑热电耦合特性的热电联产机组模型后，系统消纳风电和光伏的能力提升了。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热电联产机组模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：由进入高压缸的蒸汽量、进入热网进行热交换的蒸汽比例、高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数、低压缸中的单位蒸汽做功系数，得到热电联产机组的电力输出；所述电力输出表示为：
Figure FDA0003385636410000011
式中，
Figure FDA0003385636410000012
表示在t时刻第i台热电联产机组的电力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽比例，η1表示高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数，η2表示低压缸中的单位蒸汽做功系数；
S2：由所述进入高压缸的蒸汽量、所述进入热网进行热交换的蒸汽比例、热交换的效率，得到热电联产机组的热力输出；所述热力输出表示为：
Figure FDA0003385636410000013
式中，
Figure FDA0003385636410000014
表示在t时刻第i台热电联产机组的热力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽比例，ηh表示热交换的效率；
S3：基于所述电力输出和热力输出，以及热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，构建热电联产机组爬坡约束模型，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure FDA0003385636410000015
Figure FDA0003385636410000016
式中，
Figure FDA0003385636410000017
和
Figure FDA0003385636410000018
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出，
Figure FDA0003385636410000019
和
Figure FDA00033856364100000110
分别表示第i台热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，η2h表示η2除以ηh的结果。
2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在考虑在机组组合时，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure FDA0003385636410000021
Figure FDA0003385636410000022
式中，
Figure FDA0003385636410000023
和
Figure FDA0003385636410000024
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出；
Figure FDA0003385636410000025
表示机组启停的二进制标量，当
Figure FDA0003385636410000026
为1时，第i台热电联产机组处于工作状态，而当
Figure FDA0003385636410000027
为0时，该机组处于停机状态；
Figure FDA0003385636410000028
和
Figure FDA0003385636410000029
分别表示第i台机组的最大开启电力输出提升速率和最大关机电力输出降低速率，
Figure FDA00033856364100000210
表示第i台机组的最大电力输出，η2h表示η2除以ηh的结果。
3.一种热电联产机组模型的建模装置，其特征在于，包括：
电力输出模块，用于由进入高压缸的蒸汽量、进入热网进行热交换的蒸汽比例、高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数、低压缸中的单位蒸汽做功系数，得到热电联产机组的电力输出；所述电力输出表示为：
Figure FDA00033856364100000211
式中，
Figure FDA00033856364100000212
表示在t时刻第i台热电联产机组的电力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽比例，η1表示高压缸和中压缸中总的单位蒸汽做功系数，η2表示低压缸中的单位蒸汽做功系数；
热力输出模块，用于由所述进入高压缸的蒸汽量、所述进入热网进行热交换的蒸汽比例、热交换的效率，得到热电联产机组的热力输出；所述热力输出表示为：
Figure FDA00033856364100000213
式中，
Figure FDA00033856364100000214
表示在t时刻第i台热电联产机组的热力输出，Gt表示为进入高压缸的蒸汽量，αt表示为进入热网进行热交换的蒸汽比例，ηh表示热交换的效率；
模型构建模块，用于基于所述电力输出和热力输出，以及热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，构建热电联产机组爬坡约束模型，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure FDA0003385636410000031
Figure FDA0003385636410000032
式中，
Figure FDA0003385636410000033
和
Figure FDA0003385636410000034
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出，
Figure FDA0003385636410000035
和
Figure FDA0003385636410000036
分别表示第i台热电联产机组的最大电力输出增加速率和减少速率，η2h表示η2除以ηh的结果。
4.如权利要求3所述的建模装置，其特征在于，在考虑在机组组合时，所述热电联产机组爬坡约束模型表示为：
Figure FDA0003385636410000037
Figure FDA0003385636410000038
式中，
Figure FDA0003385636410000039
和
Figure FDA00033856364100000310
分别表示在t-1时刻第i台热电联产机组的电力和热力输出；
Figure FDA00033856364100000311
表示机组启停的二进制标量，当
Figure FDA00033856364100000312
为1时，第i台热电联产机组处于工作状态，而当
Figure FDA00033856364100000313
为0时，该机组处于停机状态；
Figure FDA00033856364100000314
和
Figure FDA00033856364100000315
分别表示第i台机组的最大开启电力输出提升速率和最大关机电力输出降低速率，
Figure FDA00033856364100000316
表示第i台机组的最大电力输出，η2h表示η2除以ηh的结果。
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