CN113809781A - 超级电容储能辅助火电单元机组agc调频的控制系统及方法 - Google Patents

超级电容储能辅助火电单元机组agc调频的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统及方法，该系统包括电网调度、远动终端装置、单元机组DCS系统、单元发电机组、电容储能辅控系统和超级电容组件；其中，电容储能辅控系统与超级电容组件组成超级电容储能系统；本发明通过在发电侧接入响应速度快、精度高、能迅速改变调节方向的超级电容储能系统，辅以与单元主机DCS全过程交互的超级电容储能辅助控制策略，改善机组负荷调节性能，缓解锅炉的调节压力，同时减轻机组磨损、降低煤耗、节能减排，提高综合效益。

Description

超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统及方法
技术领域
本发明属于火电机组调频优化控制技术领域，具体涉及一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制)调频的控制系统及方法。
背景技术
当前为解决能源紧张和环境污染的问题，风能、太阳能等可再生清洁能源得到了迅速发展。随着大量不确定性、波动性电源的接入，电网调频容量需求增加，对燃煤火电机组提出了AGC-R模式(简称“R模式”)的运行要求。
在R模式下，电网向机组发出的AGC指令变化的频率大幅增加，这对燃煤机组的调频响应性能提出了更高的要求。然而，燃煤火电机组自身的局限性限制了其负荷调节性能的改善与提高，这是因为燃煤机组从燃料源头开始直到电力输出，包含了大量的物理、化学过程，每一过程均存在相应的热惯性。通常，锅炉系统的热惯性时间在分钟级别，然而，在R模式下，这一时间量级内电网足以向机组发出多个负荷指令，可能出现的不利情况是，当锅炉的响应尚未满足第一个指令时，下一刻已经需要对新发出的第二个指令作出响应了。
一方面，上述问题制约了整个系统对AGC指令的响应能力，造成调节反向、偏差、延迟等问题，调频质量和灵活性不能满足电力系统对电能质量的要求，直接影响电厂AGC补偿收益，更不利于电网的频率稳定。
另一方面，锅炉热惯性与调频指令时间量级不匹配，再加上烟气侧与蒸汽侧的热惯性也很难保证时时匹配，极易造成受热面吸热与冷却能力错位，引发高温受热面的超温情况，严重时会导致爆管停炉事故。
因此，在R模式下保证锅炉系统运行调整的稳定性、改善机组AGC性能，对于增加电厂AGC辅助收益、提升电网的安全运行具有重要的意义。
电储能响应调频指令速度快、精度高、能迅速改变调节方向，可以作为辅助机组AGC调频的有效手段。电储能技术能够从根本上改善机组负荷调节性能、大大缓解锅炉的调节压力，同时减轻机组磨损、降低煤耗、节能减排，提高综合效益。
发明内容
鉴于现有技术存在的以上问题，本发明提供了一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统及方法，通过在发电侧接入响应速度快、精度高、能迅速改变调节方向的超级电容储能系统，辅以与单元主机DCS全过程交互的超级电容储能辅助控制策略，改善机组负荷调节性能，缓解锅炉的调节压力，同时减轻机组磨损、降低煤耗、节能减排，提高综合效益。
本发明采用以下技术方案来实现：
一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统，包括电网调度1、远动终端装置2、单元机组DCS系统3、单元发电机组4、电容储能辅控系统5和超级电容组件6；其中，电容储能辅控系统5与超级电容组件6组成超级电容储能系统；
电网调度1通过远动终端装置2，向单元机组DCS系统3发送AGC指令，同时也通过远动终端装置2向电容储能辅控系统5发送同样的AGC指令；单元机组DCS系统3接收到AGC调频指令后，经过限速、限幅处理，形成常规负荷指令，并结合从电容储能辅控系统5传输得到的超级电容组件6的超级电容出力，指导单元发电机组4进行负荷响应；单元发电机组4通过调动锅炉、汽机相关设备进行负荷响应得到单元机组出力后，将单元机组出力反馈至单元机组DCS系统3，并返送至远动终端装置2；电容储能辅控系统5接收到AGC指令后，根据超级电容组件6的实时电量、电气安全实际情况，并结合AGC指令与从单元机组DCS系统3传输得到的单元机组出力，计算出超级电容负荷指令，送至超级电容组件6，指导超级电容组件6对AGC指令作出响应；超级电容组件6充放电响应得到超级电容出力后，将超级电容出力反馈至电容储能辅控系统5，并返送至远动终端装置2；远动终端装置2将从单元机组DCS系统3得到的单元机组出力和从电容储能辅控系统5得到的超级电容出力进行加和，形成机组实际负荷，并反馈给电网调度1，供电网侧对机组的调频响应情况进行监测和考核。整个过程的信号传输是双向的。
一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制方法，该方法基于上述一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统，所述控制方法包括如下步骤：
S1.限制超级电容储能系统仅在单元机组DCS系统协调模式、AGC投入的情况下参与AGC调频；
S2.在超级电容储能系统开始出力的同时，强制单元机组DCS系统中的汽机主控设定值跟踪机组实际负荷即单元机组出力与超级电容出力的加和；在超级电容储能系统开始减小出力的同时，恢复汽机主控设定值为常规负荷指令，进行PID偏差调节；
S3.形成超级电容负荷指令
稳定负荷(即常规负荷指令减去单元机组出力形成的负荷偏差的绝对值小于0.2％额定负荷，持续1min)时，以常规负荷指令作为稳定负荷超级电容负荷指令；
AGC调频时，调频前期，由于锅炉系统的滞后，全部负荷偏差都须调动超级电容组件6放电来填补，电网调度下发AGC指令，经远动终端装置2传输至电容储能辅控系统5，限幅、限速后形成带有坡度的负荷指令MWD；特殊地，在电容储能辅控系统5接收到AGC指令的同时，对负荷指令MWD附加第一个同向的负荷指令前馈FF_MWD1，调动超级电容组件6增加额外的超级电容出力，使得机组实际负荷提前冲出AGC调频考核死区，缩短响应时间；机组实际负荷冲出AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD1，直至为零；当机组实际负荷即将进入新的AGC调频考核死区时，电容储能辅控系统5再次对负荷指令MWD附加第二个同向的负荷指令前馈FF_MWD2，同样调动超级电容组件6增加额外超级电容出力，使得机组实际负荷提前进入新的AGC调频考核死区，缩短响应时长，间接提升响应速率；机组实际负荷进入新的AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD2，直至为零；AGC调频时，调频后期，锅炉系统出力逐渐增加，由负荷偏差为导向的超级电容负荷指令逐渐减小，直至为零。AGC调频前期在负荷指令上附加负荷指令前馈形成的指令以及调频后期逐渐减小形成的指令作为AGC调频超级电容负荷指令；
稳定负荷超级电容指令和AGC调频超级电容负荷指令相结合作为最终的超级电容负荷指令；
S4.在电容储能辅控系统5中形成的超级电容负荷指令与机组实际负荷相减，得到超级电容负荷偏差，该偏差作为电容储能辅控系统5指导超级电容组件6充放电的依据；设置函数f(x)＝x，其中x为超级电容负荷偏差，f(x)为超级电容出力，以此确定超级电容组件6的充放电电量；
S5.机组实际负荷在电容储能系统的辅助下，进入新的AGC调频考核死区之后，在死区内稳定30s，认为单元机组已完成此次AGC调频响应，则通过电容储能辅控系统限速减小超级电容组件的出力，直至超级电容出力为零，完成本次超级电容储能系统的AGC调频响应；
S6.超级电容储能系统在负荷响应过程中，若超级电容组件6充电时剩余电量>95％或放电时剩余电量<5％，则立即通过电容储能辅控系统5控制其出力限速减小，直至超级电容出力为零，完成本次超级电容储能系统的AGC调频响应；
S7.稳定负荷时，单元发电机组4根据超级电容组件6现存电量主动增加或减小出力，对超级电容组件6进行预充电或预放电，为不可预测的升、降负荷调度提供可调裕度；超级电容组件6电量小于30％时，主动给常规负荷指令附加一个不大于0.5％的、经过限速的常规负荷指令前馈，增加单元发电机组4出力，对超级电容组件6进行充电，超级电容组件6充电至70％电量后，对常规负荷指令前馈进行限速减小直至为零；若在预充电或预放电过程中，单元机组DCS系统3接收到AGC指令，则立即停止预充电或预放电，限速减小常规负荷指令前馈进行直至为零。
本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.本发明设计了超级电容储能系统辅助火电机组AGC调频控制系统及整体控制策略，为超级电容储能系统接入火电机组进行AGC调频提供了有效的控制方案。
2.本发明设计了在电容储能辅控系统从远动终端装置接收AGC指令同时，对限幅、限速后的负荷指令MWD附加一个负荷指令前馈FF_MWD1的控制策略，可辅机机组提前跨出AGC调频考核死区，显著改善AGC调频考核指标K1；
3.本发明设计了在机组负荷即将进入新的AGC调频考核死区时，对限幅、限速后的负荷指令MWD附加一个负荷指令前馈FF_MWD2的控制策略，可辅助机组提前进入新的AGC调频考核死区，显著改善AGC调频考核指标K2；
4.本发明以超级电容负荷指令与单元机组出力形成的超级电容负荷偏差作为指导超级电容组件动作的依据，利用超级电容组件响应速度快、精度高、能迅速改变调节方向的特点，能够显著减小机组整体的负荷偏差，改善AGC调频考核指标K3；
5.本发明可从根本上改善火电机组的锅炉系统滞后对AGC调频带来的弊端，缓解锅炉系统AGC调频压力；
6.本发明可显著减少火电机组(超)高压调门响应AGC调频的调节次数和调节行程，延长设备寿命，降低发电成本。
附图说明
图1为一种超级电容储能系统辅助火电单元机组AGC调频的控制系统示意图；
图2为某区域电网火电机组AGC考核指标简析图；
图3为一种超级电容储能系统辅助某1000MW超超临界火电机组进行AGC调频的过程示意图(超级电容组件电量充足情况)。
图4为一种超级电容储能系统辅助某1000MW超超临界火电机组进行AGC调频的过程示意图(超级电容组件电量不足情况)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统，包括电网调度1、远动终端装置2、单元机组DCS系统3、单元发电机组4、电容储能辅控系统5和超级电容组件6；其中，电容储能辅控系统5与超级电容组件6组成超级电容储能系统。
总结各区域电网典型的AGC调频考核指标，主要为三个方面：指标K1为响应时间，指标K2为响应速度，指标K3为响应精度。如图2所示，指标K1，与T0时刻机组接收AGC指令后机组实际负荷越出AGC调频考核死区的时间T1-T0有关，T1-T0约小越好；指标K2，与机组AGC指令大小、机组实际负荷越出AGC调频考核死区至进入新的AGC调频考核死区的时间T2-T1有关，AGC指令一定的情况下，T2-T1越小越好；指标K3，与机组实际负荷进入新的AGC调频考核死区后，机组实际负荷与AGC指令偏差的积分有关，积分值越小越好。
实施例1：
某1000MW超超临界火电单元机组配备12MW·8min(即96MW·min)超级电容组件及电容储能辅控系统，辅助AGC调频。该区域电网火电机组AGC调频考核指标中AGC调频考核死区为0.1％额定负荷，即本机组AGC调频考核死区为±1MW，如图3中粗虚线所示。
图3中虚点线所示为仅对AGC指令经过限幅、限速处理形成的常规负荷指令，也可认为是不配置超级电容储能系统情况下理想的单元机组出力。
另，如图3所示，T0时刻，单元机组DCS系统和电容储能辅控系统同时接收到电网调度通过远动终端装置发来的10MW升负荷AGC指令。
按照以下步骤完成超级电容储能系统辅助AGC调频的控制：
S1.限制超级电容储能系统仅在单元机组DCS系统协调模式、AGC投入的情况下参与AGC调频；
S2.在超级电容储能系统开始出力的同时，强制单元机组DCS系统3中的汽机主控设定值跟踪机组实际负荷即单元机组出力与超级电容出力的加和；在超级电容储能系统开始减小出力的同时，恢复汽机主控设定值为常规负荷指令(如图3中细虚线所示)，进行PID偏差调节；
S3.形成超级电容负荷指令
接收到AGC指令(如图3中粗实线所示)时，由于锅炉系统的滞后，全部负荷缺口都须调动超级电容组件6放电来填补。接收到AGC指令的同时，超级电容辅控系统5经过限幅、限速将AGC指令处理为变负荷速率15MW/min的超级电容负荷指令，呈斜坡增长趋势，并同时附加第一个2MW的负荷指令前馈FF_MWD1；机组实际负荷冲出AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD1，直至为零；当机组实际负荷即将进入新的AGC调频考核死区时，电容储能辅控系统5再次对负荷指令MWD附加第二个2MW的负荷指令前馈FF_MWD2，；机组实际负荷进入新的AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD2，直至为零。AGC调频后期，锅炉系统出力逐渐增加，由负荷偏差为导向的超级电容负荷指令逐渐减小，直至为零。上述过程中调频前期在负荷指令上附加负荷指令前馈形成的指令以及调频后期逐渐减小形成的指令作为AGC调频超级电容负荷指令，如图3中细实线所示；
S4.用S3中形成的的超级电容负荷指令与机组实际负荷相减，得到超级电容负荷偏差，该偏差作为电容储能辅控系统5指导超级电容组件6充放电的依据；设置函数f(x)＝x，其中x为超级电容负荷偏差，f(x)为超级电容出力，以此确定超级电容组件的充放电电量；
在超级电容组件6出力过程中，机组实际负荷如图3曲线所示。AGC调频响应初始阶段，在负荷指令前馈FF_MWD1的影响下，机组实际负荷瞬间冲出AGC调频考核死区，响应时间为T1-T0，相较于不配置超级电容储能系统情况下理想的单元机组出力形成的响应时间T2-T0，显著提升了AGC调频考核指标K1；AGC调频响应中间阶段，借助超级电容响应精度高的特性，保持负荷偏差绝对值小于1MW，改善了AGC考核指标K3；AGC调频响应末尾阶段，在负荷指令前馈FF_MWD2的影响下,机组实际负荷提前进入新的AGC调频考核死区，相较于不配置超级电容储能系统情况下理想的单元机组出力进入新的AGC调频考核死区时刻T4，明显提前，对AGC考核指标K2有改善。
S5.T3时刻，机组实际负荷在超级电容储能系统的辅助下，进入新的AGC调频考核死区，并在死区内稳定30s，此次AGC调频结束。
实施例2：
本实施例中的单元发电机组的规格及超级电容储能系统的配置与实施例1相同，且AGC调频量也与实施例1相同，为10MW升负荷。具体实施过程中，步骤S1与S2相同，不同之处如图4，在于：
S3.形成超级电容负荷指令
T0时刻，接收到AGC指令(如图4中粗实线所示)时，由于锅炉系统的滞后，全部负荷缺口都须调动超级电容组件6放电来填补。接收到AGC指令的同时，超级电容辅控系统5经过限幅、限速将AGC指令处理为变负荷速率15MW/min的超级电容负荷指令，呈斜坡增长趋势，并同时附加第一个2MW的负荷指令前馈FF_MWD1；机组实际负荷冲出AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD1，直至为零；T3时刻，超级电容组件电量小于5％额定电量，即4.8MW·min，电容储能辅控系统开始限速减小超级电容负荷指令，直至为零。上述过程中调频前期在负荷指令上附加负荷指令前馈形成的指令以及超级电容组件6电量不足时逐渐减小形成的指令作为AGC调频超级电容负荷指令，如图4中细实线所示；
S4.用S3中形成的的超级电容负荷指令与机组实际负荷相减，得到超级电容负荷偏差，该偏差作为电容储能辅控系统5指导超级电容组件6充放电的依据；设置函数f(x)＝x，其中x为超级电容负荷偏差，f(x)为超级电容出力，以此确定超级电容组件的充放电电量；
在超级电容组件6出力过程中，机组实际负荷如图4曲线所示。AGC调频响应初始阶段，在负荷指令前馈FF_MWD1的影响下，机组实际负荷瞬间冲出AGC调频考核死区，响应时间为T1-T0，相较于不配置超级电容储能系统情况下理想的单元机组出力形成的响应时间T2-T0，显著提升了AGC调频考核指标K1；AGC调频响应中间阶段，借助超级电容响应精度高的特性，保持负荷偏差绝对值小于1MW，改善了AGC考核指标K3；
T3时刻，超级电容组件6电量不足，单元机组DCS系统中汽机主控的负荷指令恢复为常规负荷指令，调动超高压调门响应AGC调频，补充超级电容组件6缓慢退出造成的负荷缺口，使得机组实际负荷按照常规负荷指令继续稳步增长；
到T4时刻，超级电容储能系统完全退出，由单元发电机组4全权接管负荷响应，至此，超级电容储能系统完成此次AGC调频；
S5.T5时刻，机组实际负荷进入新的AGC调频考核死区，并在死区稳定30s，此次AGC调频结束。

Claims (3)

1.一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统，其特征在于：包括电网调度(1)、远动终端装置(2)、单元机组DCS系统(3)、单元发电机组(4)、电容储能辅控系统(5)和超级电容组件(6)；其中，电容储能辅控系统(5)与超级电容组件(6)组成超级电容储能系统；
电网调度(1)通过远动终端装置(2)，向单元机组DCS系统(3)发送AGC指令，同时也通过远动终端装置(2)向电容储能辅控系统5)发送同样的AGC指令；单元机组DCS系统(3)接收到AGC调频指令后，经过限速、限幅处理，形成常规负荷指令，并结合从电容储能辅控系统(5)传输得到的超级电容组件(6)的超级电容出力，指导单元发电机组(4)进行负荷响应；单元发电机组(4)通过调动锅炉、汽机相关设备进行负荷响应得到单元机组出力后，将单元机组出力反馈至单元机组DCS系统(3)，并返送至远动终端装置(2)；电容储能辅控系统(5)接收到AGC指令后，根据超级电容组件(6)的实时电量、电气安全实际情况，并结合AGC指令与从单元机组DCS系统(3)传输得到的单元机组出力，计算出超级电容负荷指令，送至超级电容组件(6)，指导超级电容组件(6)对AGC指令作出响应；超级电容组件(6)充放电响应得到超级电容出力后，将超级电容出力反馈至电容储能辅控系统(5)，并返送至远动终端装置(2)；远动终端装置(2)将从单元机组DCS系统(3)得到的单元机组出力和从电容储能辅控系统(5)得到的超级电容出力进行加和，形成机组实际负荷，并反馈给电网调度(1)，供电网侧对机组的调频响应情况进行监测和考核。
2.权利要求1所述的一种超级电容储能辅助火电单元机组AGC调频的控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.限制超级电容储能系统仅在单元机组DCS系统协调模式、AGC投入的情况下参与AGC调频；
S2.在超级电容储能系统开始出力的同时，强制单元机组DCS系统中的汽机主控设定值跟踪机组实际负荷即单元机组出力与超级电容出力的加和；在超级电容储能系统开始减小出力的同时，恢复汽机主控设定值为常规负荷指令，进行PID偏差调节；
S3.形成超级电容负荷指令
稳定负荷时，以常规负荷指令作为稳定负荷超级电容负荷指令；
AGC调频时，调频前期，由于锅炉系统的滞后，全部负荷偏差都须调动超级电容组件(6)放电来填补，电网调度下发AGC指令，经远动终端装置(2)传输至电容储能辅控系统(5)，限幅、限速后形成带有坡度的负荷指令MWD；在电容储能辅控系统(5)接收到AGC指令的同时，对负荷指令MWD附加第一个同向的负荷指令前馈FF_MWD1，调动超级电容组件(6)增加额外的超级电容出力，使得机组实际负荷提前冲出AGC调频考核死区，缩短响应时间；机组实际负荷冲出AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD1，直至为零；当机组实际负荷即将进入新的AGC调频考核死区时，电容储能辅控系统(5)再次对负荷指令MWD附加第二个同向的负荷指令前馈FF_MWD2，同样调动超级电容组件(6)增加额外超级电容出力，使得机组实际负荷提前进入新的AGC调频考核死区，缩短响应时长，间接提升响应速率；机组实际负荷进入新的AGC调频考核死区后，限速减小负荷指令前馈FF_MWD2，直至为零。AGC调频时，调频后期，锅炉系统出力逐渐增加，由负荷偏差为导向的超级电容负荷指令逐渐减小，直至为零；AGC调频前期在负荷指令上附加负荷指令前馈形成的指令以及调频后期逐渐减小形成的指令作为AGC调频超级电容负荷指令；
稳定负荷超级电容指令和AGC调频超级电容负荷指令相结合作为最终的超级电容负荷指令；
S4.在电容储能辅控系统(5)中形成的超级电容负荷指令与机组实际负荷相减，得到超级电容负荷偏差，该偏差作为电容储能辅控系统(5)指导超级电容组件(6)充放电的依据；设置函数f(x)＝x，其中x为超级电容负荷偏差，f(x)为超级电容出力，以此确定超级电容组件(6)的充放电电量；
S5.机组实际负荷在电容储能系统的辅助下，进入新的AGC调频考核死区之后，在死区内稳定30s，认为单元机组已完成此次AGC调频响应，则通过电容储能辅控系统限速减小超级电容组件的出力，直至超级电容出力为零，完成本次超级电容储能系统的AGC调频响应；
S6.超级电容储能系统在负荷响应过程中，若超级电容组件(6)充电时剩余电量>95％或放电时剩余电量<5％，则立即通过电容储能辅控系统(5)控制其出力限速减小，直至超级电容出力为零，完成本次超级电容储能系统的AGC调频响应；
S7.稳定负荷时，单元发电机组(4)根据超级电容组件(6)现存电量主动增加或减小出力，对超级电容组件(6)进行预充电或预放电，为不可预测的升、降负荷调度提供可调裕度；超级电容组件(6)电量小于30％时，主动给常规负荷指令附加一个不大于0.5％的、经过限速的常规负荷指令前馈，增加单元发电机组(4)出力，对超级电容组件(6)进行充电，超级电容组件(6)充电至70％电量后，对常规负荷指令前馈进行限速减小直至为零；若在预充电或预放电过程中，单元机组DCS系统(3)接收到AGC指令，则立即停止预充电或预放电，限速减小常规负荷指令前馈进行直至为零。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：S3中所述的稳定负荷时指的是常规负荷指令减去单元机组出力形成的负荷偏差的绝对值小于0.2％额定负荷，持续1min。
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