CN113489025B - 一种用于辅助火电机组agc调频超级电容装置的控制方法 - Google Patents

一种用于辅助火电机组agc调频超级电容装置的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法。本发明针对超级电容器应用于辅助火电机组AGC调频的工程问题，提出了一种易于在工程中实现的超级电容装置的控制方法，首先确定超级电容器的中间工作电压Umid，辅助火电机组AGC调频超级电容的控制方法由两部分组成，分别用来控制DC‑DC换流器和DC‑AC换流器，DC‑DC换流器的控制目标为保持直流母线电压为Ubus为恒定值，DC‑AC换流器的控制方法为通过调节直流母线电流Ibus来响应调频指令，该方法可充分利用超级电容器的储能容量，减少过渡过程，提升调节过程的稳定性，有较大的应用价值。

Description

一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法。
背景技术
目前，国内外电力系统中，采用电化学储能辅助调频技术中，主流方案采用的是锂电池，特别是磷酸铁锂电池。经过最近几年工程运行实践检验，发现锂电池储能系统存在的主要问题是寿命不足和安全性不高，因此，有必要研究适合电力系统调频需要的长寿命、高安全性的新型储能技术。
超级电容器是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种新型高性能储能器件，具有循环寿命长、功率密度大、大电流放电能力强、充电迅速、工作温度范围宽、安全可靠、清洁环保等突出的优点。随着具有多孔碳和氧化还原活性材料的复合电极材料的应用，超级电容器经过双电层电容器、赝电容的发展，正在向非对称型电容的方向发展，其表现出在较高的充放电倍率下循环n×105次仍具有稳定的放电容量的优良特性，可有效弥补传统电容器和电池之间的空缺，非常适用于响应机组的AGC指令。
当应用于辅助火电机组AGC调频工程项目中，超级电容器的控制方法不同于锂电池，超级电容装置控制的核心是储能变换器，即双向DC-DC的并联控制技术。
发明内容
本发明的目的在于针对超级电容器不同于锂电池的储能特性，即其储能能量和电容均受控于电压，提供了一种用于辅助火电机组AGC调频的超级电容器装置的控制方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，包括以下步骤：
1)首先，确定超级电容器的中间工作电压Umid；
2)辅助火电机组AGC调频超级电容的控制方法，由两部分组成，分别用来控制DC-DC换流器和DC-AC换流器，DC-DC换流器的控制目标为保持直流母线电压为Ubus为恒定值；
3)DC-AC换流器的控制方法为通过调节直流母线电流Ibus来响应调频指令。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，中间工作电压Umid使得超级电容器从中间工作电压充电到最大工作电压Umax存储的能量等于从中间工作电压放电到最小工作电压Umin所释放的能量。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，超级电容器响应调频指令前维持在中间工作电压，当超级电容器完成一次调频指令的响应过程，其工作电压立即恢复到中间工作电压。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，初设
Figure BDA0003165308970000021
对超级电容器进行充放电试验，分别使其电压从Umid(0)上升和下降到Umax、Umin，计算期间的充放电能量为Ein(1)和Eout(1)，令
Figure BDA0003165308970000022
然后再次对超级电容器进行充放电试验，分别使其电压从Umid1)上升和下降到Umax、Umin，计算期间的充放电能量为Ein(2)和Eout(2)，然后令
Figure BDA0003165308970000023
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，令两个相同的超级电容器分别充电到Umax和Umin，然后第一超级电容器的正极和负极分别与第二超级电容器的正极和负极经过电阻R并接，电阻R的阻值使得超级电容器以mA级的电流进行充放电，当持续一段时间后，两个超级电容器的电压相等时，这个电压作为Umid的取值。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，超级电容器先通过DC-DC换流器接入直流母线，直流母线再通过DC-AC换流器接入厂用电系统；
直流母线电压Ubus等于电容器的中间工作电压Umid。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，为保持直流母线电压Ubus恒定，当超级电容器的端电压uc＞Ubus时，DC-DC换流器的控制信号占空比D应满足
Figure BDA0003165308970000031
当uc≤Ubus时，占空比应满足
Figure BDA0003165308970000032
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，直流母线电流Ibus为直流母线上所连接的DC-DC换流器直流电流之和。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，DC-DC换流器通过增量电导算法控制超级电容器的电流的大小实现最大功率输出，最大功率等于
Figure BDA0003165308970000033
其中Rc为超级电容器的内阻。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，直流母线电流Ibus采用PD控制器来响应调频指令，并且Ibus＝Kp(PAGC-P)-KdΔω，其中Kp为比例控制系数，PAGC为AGC调频指令，P为机组当前向电网发出的功率，Kd为微分控制系数，Δω为发电机角速度变化量，并且
Figure BDA0003165308970000034
其中Δδ为发电机功角变化量。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明根据超级电容器储能能量和电容均受控于电压的特性，即
Figure BDA0003165308970000041
C＝C0+KU0，确定了超级电容器的中间工作电压，可保证超级电容装置在响应向上和向下的调频指令时，能够存储相同的能量。当用于辅助火电机组AGC调频时，因为正调频指令和负调频指令的幅值和概率是相等的，从而能够充分发挥超级电容器的储能容量。
2、本发明根据火电机组响应AGC指令惯性大的特点，采用比例微分控制方法，去除积分环节，从而提升系统稳定性，根据发电机的功角变化率来进行微分控制，使得过渡过程的变化趋于平缓。
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1、本发明提出的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，通过保持超级电容器为中间工作电压，可以充分发挥超级电容器的正向和负向调节能力，充分利用超级电容器的储能容量。
2、本发明提出的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，通过采用比例微分控制方法，通过在微分环节中引入发电机的功角变化率来平衡比例环节带来的超调和振荡，达到一致过渡过程的动态偏差的目的，从而提升调节过程的稳定性。
附图说明
图1为本发明的电气系统示意图。
图2为获得超级电容器的中间工作电压的原理图。
图3为本发明实施例的电气系统示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1和图2所示，本发明提出的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，包括以下步骤：
1)确定超级电容器的中间工作电压Umid；
步骤1)中，中间工作电压Umid应使超级电容器从中间工作电压充电到最大工作电压Umax存储的能量等于从中间工作电压放电到最小工作电压Umin所释放的能量。
超级电容器响应调频指令前维持在中间工作电压，当超级电容器完成一次调频指令的响应过程，其工作电压应立即恢复到中间工作电压。
可初设
Figure BDA0003165308970000051
对超级电容器进行充放电试验，分别使其电压从Umid(0)上升和下降到Umax、Umin，计算期间的充放电能量为Ein(1)和Eout(1)，令
Figure BDA0003165308970000052
然后再次对超级电容器进行充放电试验，分别使其电压从Umid(1)上升和下降到Umax、Umin，计算期间的充放电能量为Ein(2)和Eout(2)，然后令
Figure BDA0003165308970000053
也可令两个相同的第一超级电容器和第二超级电容器分别充电到Umax和Umin，然后第一超级电容器的正极和负极分别与第二超级电容器的正极和负极经过电阻R并接，电阻R的阻值使得超级电容器以mA级的电流进行充放电，当持续一段时间后，两个超级电容器的电压相等时，这个电压可作为Umid的取值。
2)控制直流母线电压为Ubus为恒定值；
超级电容器先通过DC-DC换流器接入直流母线，直流母线再通过DC-AC换流器接入厂用电系统。
直流母线电压Ubus等于电容器的中间工作电压Umid。
为保持直流母线电压Ubus恒定，当超级电容器的端电压uc＞Ubus时，DC-DC换流器的控制信号占空比D应满足
Figure BDA0003165308970000061
当uc≤Ubus时，占空比应满足
Figure BDA0003165308970000062
3)控制直流母线电流Ibus来响应调频指令；
直流母线电流Ibus为直流母线上所连接的DC-DC换流器直流电流之和。
DC-DC换流器通过增量电导算法控制超级电容器的电流的大小实现最大功率输出，最大功率等于
Figure BDA0003165308970000063
其中Rc为超级电容器的内阻。
直流母线电流Ibus采用PD控制器来响应调频指令，并且Ibus＝Kp(PAGC-P)-KdΔω，其中Kp为比例控制系数，PAGC为AGC调频指令，P为机组当前向电网发出的功率，Kd为微分控制系数，Δω为发电机角速度变化量，并且
Figure BDA0003165308970000064
其中Δδ为发电机功角变化量。
实施例1
如图3所示，本实施例的技术方案中DC-AC换流器并联多个DC-DC换流器，AC-DC换流器通过控制功率在多个DC-DC换流器之间进行分配来响应机组的调频指令，每个DC-DC换流器接入64个超级电容器串联组成的超级电容器组，DC-DC换流器通过控制脉冲占空比来维持直流母线为恒定值90V。与权利要求书不同之处在于，DC-DC换流器并非直接并联接入直流母线，而是分别接入DC-AC换流器，可以避免DC-DC换流器之间的环流。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)首先，确定超级电容器的中间工作电压Umid；初设
Figure QLYQS_1
对超级电容器进行充放电试验，分别使其电压从Umid(0)上升和下降到Umax、Umin，计算期间的充放电能量为Ein(1)和Eout(1)，令
Figure QLYQS_2
然后再次对超级电容器进行充放电试验，分别使其电压从Umid(1)上升和下降到Umax、Umin，计算期间的充放电能量为Ein(2)和Eout(2)，然后令
Figure QLYQS_3
2)辅助火电机组AGC调频超级电容的控制方法，由两部分组成，分别用来控制DC-DC换流器和DC-AC换流器，DC-DC换流器的控制目标为保持直流母线电压为Ubus为恒定值；超级电容器先通过DC-DC换流器接入直流母线，直流母线再通过DC-AC换流器接入厂用电系统；
直流母线电压Ubus等于电容器的中间工作电压Umid；
3)DC-AC换流器的控制方法为通过调节直流母线电流Ibus来响应调频指令，直流母线电流Ibus采用比例微分控制器并且在微分环节中引入发电机的功角变化率，来响应调频指令。
2.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤1)中，中间工作电压Umid使得超级电容器从中间工作电压充电到最大工作电压Umax存储的能量等于从中间工作电压放电到最小工作电压Umin所释放的能量。
3.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤1)中，超级电容器响应调频指令前维持在中间工作电压，当超级电容器完成一次调频指令的响应过程，其工作电压立即恢复到中间工作电压。
4.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤1)中，令两个相同的超级电容器分别充电到Umax和Umin，然后第一超级电容器的正极和负极分别与第二超级电容器的正极和负极经过电阻R并接，电阻R的阻值使得超级电容器以mA级的电流进行充放电，当持续一段时间后，两个超级电容器的电压相等时，这个电压作为Umid的取值。
5.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤2)中，为保持直流母线电压Ubus恒定，当超级电容器的端电压uc＞Ubus时，DC-DC换流器的控制信号占空比D应满足
Figure QLYQS_4
当uc≤Ubus时，占空比应满足
Figure QLYQS_5
6.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤3)中，直流母线电流Ibus为直流母线上所连接的DC-DC换流器直流电流之和。
7.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤3)中，DC-DC换流器通过增量电导算法控制超级电容器的电流的大小实现最大功率输出，最大功率等于
Figure QLYQS_6
其中Rc为超级电容器的内阻。
8.根据权利要求1所述的一种用于辅助火电机组AGC调频超级电容装置的控制方法，其特征在于，步骤3)中，直流母线电流Ibus采用PD控制器来响应调频指令，并且Ibus＝Kp(PAGC-P)-KdΔω，其中Kp为比例控制系数，PAGC为AGC调频指令，P为机组当前向电网发出的功率，Kd为微分控制系数，Δω为发电机角速度变化量，并且
Figure QLYQS_7
其中Δδ为发电机功角变化量。
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Application publication date: 20211008

Assignee: HUANENG LUOYUAN POWER GENERATION Co.,Ltd.

Assignor: Xi'an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023110000149

Denomination of invention: A Control Method for Assisting AGC Frequency Modulation Supercapacitor Device in Thermal Power Units

Granted publication date: 20230307

License type: Common License

Record date: 20231206

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