CN114517984B - 一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置及方法，通过考虑电补热设备自身储热罐容量限制，储放热功率，电网电压以及一次热网与其配合满足用户热负荷需求等约束情况，并根据热临界电价与电网峰谷平电价进行比较，以蓄热式电锅炉设备经济收益为目标，控制蓄热式电锅炉的电开断和储热罐的热开断，充分发挥蓄热式电锅炉蓄热的运行特点，在提高电补热设备的经济运行的同时，又响应了电网的峰平谷电价信号，一定程度上减小了电网的峰谷差，本发明的控制方法既符合实际运行情况，又满足供暖需求，对其大规模推广具有一定意义。
Description
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，尤其是一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置及方法。
背景技术
随着“双碳”目标的提出，清洁高效用能已成为我国能源发展的主流。在供暖领域，市政集中供热是主体，需求量巨大，城市换热站作为一次热网和二次热网热量交换的纽带，在提高供热质量和供热效率方面起到重要作用。但是目前我国北方地区市政供热建设发展相较于城镇建设发展相对滞后，一方面热源存在运行效率低，高耗能高污染的问题，另一方面，由于热力管网的复杂性，在传输热量的过程中一二次热力管网热损耗值约10%-20%，很大程度上抑制了市政供热建设的发展。因此，提供清洁、绿色和高效的热源，对于推进市政供热领域发展具有重要意义。
电能作为安全，绿色和高效的二次能源，通过电能替代技术运用到生产生活的各个领域。推进“以电代煤”，促进能源供给清洁化、终端能源消费电气化和清洁能源利用高效化，对实现节能减排，改善空气质量，促进生态文明建设具有重要作用。在城市换热站中引进电补热设备，一方面通过电热转换实现清洁供暖，在热源出现故障时，可以作为后备热源向二次热网供热，提高供暖质量和效率；另一方面，电补热设备与热网共同向用户供热，通过合理利用电网电价，实现电补热设备运行效益最优。但是目前这些仅限于理论研究，未出现实际经济性的城市换热站蓄热式电锅炉的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置及方法，通过热临界电价与电网峰谷平电价进行比较，以蓄热式电锅炉设备经济收益为目标，控制蓄热式电锅炉的电开断和储热罐的热开断，充分发挥蓄热式电锅炉蓄热的运行特点，在提高电补热设备的经济运行的同时，又响应了电网的峰平谷电价信号，一定程度上减小了电网的峰谷差。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置，安装于城市热网上，包括传感器、信号采集模块、测量模块、计算模块和控制器，所述传感器、信号采集模块、测量模块、计算模块和控制器依次连接在一起，传感器用于测量电网信号、热网信号、热负荷需求信号和电补热设备信息，控制器用于控制蓄热式电锅炉、一次热网和二次热网运行，传感器采集各种信号输入至信号采集模块进行处理，测量模块对处理的数据进行测量输入至计算模块，计算模块根据数据进行相应的计算，控制器对根据计算结果对蓄热式电锅炉进行热开断控制，进而实现对城市热网的控制。
而且，所述城市热网包括蓄热式电锅炉、电网、一次热网、二次热网和用户热负荷，其中，电网通过变压器分别连接电锅炉和蓄热装置，一次热网通过换热器转换为二次热网，电锅炉和蓄热装置与二次热网相连接，二次热网输出端连接用户热负荷。
一种换热站蓄热式电锅炉装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤1、根据二次热网热力销售价格和蓄热式电锅炉热电转化率计算热价转化成对应的电价值；
步骤2、根据电网峰谷平电价与步骤1计算得到的热价转化成对应的电价值进行分类；
步骤3、根据步骤2得到的不同分类情况，在满足电蓄热装置运行约束的条件下，对电锅炉进行对应的控制。
而且，所述步骤1中计算热价转化成对应的电价值的具体实现方法为：
其中，为热价转化成对应的电价值；/>为热力销售价格；/>为电热转化效率。
而且，所述步骤2中分类包括4种，分别为、、/>和/>，其中/>为热价转化成对应的电价值，/>为电网峰值电价，/>为电网平值电价，/>为电网谷值电价。
而且，所述步骤3中电蓄热装置运行约束包括：热平衡方程约束、电锅炉运行约束和蓄热装置运行约束；
热平衡方程约束：
其中，为一次热网向二次热网交换的热功率；/>为蓄热式电锅炉设备的补热功率；/>为用户的热负荷需求；/>为采暖热指标；/>为采暖建筑物的建筑面积；为一次热网供热介质密度；/>为一次网供热介质比热容；/>为一次网供热介质流量；/>为一次网供水温度；/>为一次网回水温度；/>为电锅炉直接供热部分消耗的电功率；/>为蓄热式电锅炉电热转换的启停标志；/>为蓄热装置的放热功率；
电锅炉运行约束：
其中，为电锅炉直接供热部分允许消耗的最大电功率；
蓄热装置运行约束：
其中，为/>时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量；/>为蓄热式电锅炉的蓄热装置储热功率；/>为蓄热装置储热部分消耗的电功率；/>为最大储热量；/>为蓄热装置最大储热功率；/>为蓄热装置最大放热功率；
蓄热装置运行约束中还包括电压约束：
为蓄热式电锅炉设备所在电网节点电压；/>为该节点允许承受的最小电压值；/>为该节点允许承受的最大电压值；
得到满足上述约束的电补热的经济效益目标效益函数：
其中，为电锅炉消耗的电功率；/>为单位时间段，/>为电力价格。
而且，所述步骤3中对电锅炉进行对应的控制的具体实现方法为：
⑴、：
其中，为热价转化成对应的电价值，/>为电网峰值电价，/>为电网平值电价，/>为电网谷值电价，蓄热式电锅炉设备运行情况为：电锅炉不供热，储热罐单独供热，所用热量为上一时段电热价变化前的储热罐储存的热量，当/>时，储热罐不供热，为/>时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量；
⑵、：
蓄热式电锅炉设备运行情况为：谷时段，电锅炉供热，当时，储热罐蓄热，当/>时，储热罐将热量储存起来，不再蓄热和放热，电锅炉单独供热；平时段和峰时段，储热罐单独供热，当/>时，不供热，/>为最大储热量；
⑶、：
蓄热式电锅炉设备运行情况为：谷时段和平时段，电锅炉供热，当时，储热罐在电价谷、平时段蓄热，当/>时，储热罐将热量储存起来，不再蓄热和放热，电锅炉单独供热；峰时段，储热罐单独供热，当/>时，不供热；
⑷、：
蓄热式电锅炉设备运行情况为：电锅炉一直供热，通过采集t时刻与t-1时刻的储热罐储热量，根据储热变化量来反映蓄放热状态，并进行相应的调整：储热变化量大于等于零且，储热罐处于蓄热状态，保持蓄热，当/>时，储热罐储热量已达到最大值，开始转换为放热状态；储热变化量小于零且/>，储热罐处于放热状态，保持放热，/>时，储热罐已放热完全，开始转换为蓄热状态。
本发明的优点和积极效果是：
本发明通过考虑电补热设备自身储热罐容量限制，储放热功率，电网电压以及一次热网与其配合满足用户热负荷需求等约束情况，并根据热临界电价与电网峰谷平电价进行比较，以蓄热式电锅炉设备经济收益为目标，控制蓄热式电锅炉的电开断和储热罐的热开断，充分发挥蓄热式电锅炉蓄热的运行特点，在提高电补热设备的经济运行的同时，又响应了电网的峰平谷电价信号，一定程度上减小了电网的峰谷差，本发明的控制方法既符合实际运行情况，又满足供暖需求，对其大规模推广具有一定意义。
附图说明
图1为城市热网结构图；
图2为本发明控制装置结构图；
图3为本发明控制方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置，安装于城市热网上，如图2所示，包括传感器、信号采集模块、测量模块、计算模块和控制器，所述传感器、信号采集模块、测量模块、计算模块和控制器依次连接在一起，传感器采集电网信号，比如所在节点电压，电网的分时电价以及分布时段；热网信号，比如热价，一次网、二次网的介质流量，供回水温度以及管道压力等；电补热设备信息，比如储热罐容量，放热、供热功率以及电热转化效率等和用户的热负荷需求，控制器用于控制蓄热式电锅炉、一次热网和二次热网运行，传感器采集各种信号输入至信号采集模块进行处理，测量模块对处理的数据进行测量输入至计算模块，计算模块根据数据进行相应的计算，控制器对根据计算结果对蓄热式电锅炉进行热开断控制，进而实现对城市热网的控制。通过比较电网峰谷平电价与热临界电价，按照不同的排序种类，在满足与热网配合达到用户热负荷需求、蓄热式电锅炉运行以及电网的约束条件下，控制蓄热式电锅炉的电开断和储热罐的热开断，实现最优的经济工作模式。
如图1所示，城市热网包括蓄热式电锅炉，即电锅炉和蓄热装置、电网、一次热网、二次热网和用户热负荷，其中，电网通过变压器分别连接电锅炉和蓄热装置，一次热网通过换热器转换为二次热网，电锅炉和蓄热装置与二次热网相连接，二次热网输出端连接用户热负荷。
一种换热站蓄热式电锅炉装置的控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1、根据二次热网热力销售价格和蓄热式电锅炉热电转化率计算热价转化成对应的电价值。
其中，为热价转化成对应的电价值，元/kWh；/>为热力销售价格，元/GJ；/>为电热转化效率。
步骤2、根据电网峰谷平电价与步骤1计算得到的热价转化成对应的电价值进行分类：、/>、/>和，其中/>为热价转化成对应的电价值，/>为电网峰值电价，/>为电网平值电价，/>为电网谷值电价。在实际应用中，电网电价和热价大小关系总是对应着4种情况的一种。
步骤3、根据步骤2得到的不同分类情况，在满足电蓄热装置运行约束的条件下，对电锅炉进行对应的控制。
其中，电蓄热装置运行约束包括：热平衡方程约束、电锅炉运行约束和蓄热装置运行约束；
电补热设备与热网配合共同满足用户的热负荷需求，需要满足热平衡方程约束，蓄热式电锅炉作为电补热设备，其释放的热量与一次热网通过换热器交换的热量共同向用户供热，满足用户的热负荷，其热平衡方程约束：
其中，为一次热网向二次热网交换的热功率，kW；/>为蓄热式电锅炉设备的补热功率，kW；/>为用户的热负荷需求，kW；/>为采暖热指标，W/m2；/>为采暖建筑物的建筑面积，m2；/>为一次热网供热介质密度，kg/m3；/>为一次网供热介质比热容，kJ/(kg·℃)；/>为一次网供热介质流量，m3/h；/>为一次网供水温度，℃；/>为一次网回水温度，℃；/>为电锅炉直接供热部分消耗的电功率，kW；/>为蓄热式电锅炉电热转换的启停标志；/>为蓄热装置的放热功率，kW。
进行电蓄热装置控制，必须在满足设备自身约束条件下方可进行，其包括电锅炉运行约束：
其中，为电锅炉直接供热部分允许消耗的最大电功率，kW；
蓄热装置运行约束：
其中，为/>时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量，kWh；/>为蓄热式电锅炉的蓄热装置储热功率，kW；/>为蓄热装置储热部分消耗的电功率，kW；/>为最大储热量，kWh；/>为蓄热装置最大储热功率，kW；/>为蓄热装置最大放热功率，kW；
电补热设备作为电力负荷接入电网，需要满足该点的电压要求，因此所接负荷点的电压约束为：
为蓄热式电锅炉设备所在电网节点电压，kV；/>为该节点允许承受的最小电压值，kV；/>为该节点允许承受的最大电压值，kV；
以一天为运行工作周期，根据电网的峰谷平与热临界电价，以经济性效益为目标，通过控制蓄热式电锅炉的电开断和储热罐的热开断，利用电价与热价的价差，获得电补热的经济效益，其目标效益函数为：
其中，为电锅炉消耗的电功率，kW；/>为单位时间段，h，/>为电力价格。
如图3所示，、/>和/>分别为电网电价，平值电价和谷值电价所处的时间段；S1、S2分别为电锅炉和储热罐的运行状态，其中，S1=0表示电锅炉不供热；S1=1表示电锅炉供热。S2=0表示储热罐不蓄热也不供热，S2=1表示储热罐供热，S2=2表示储热罐蓄热。以控制电锅炉的运行状态为例进行说明，其中，根据电网分时电价和热临界电价对比，生成4个分支，每个分支具体运行策略为：
⑴、：
其中，为热价转化成对应的电价值，/>为电网峰值电价，/>为电网平值电价，/>为电网谷值电价，由于热临界电价总是低于各时段的电网电价，电补热效益L在用电过程中一直为负，蓄热式电锅炉设备运行情况为：电锅炉不供热，储热罐单独供热，所用热量为上一时段电热价变化前的储热罐储存的热量，当/>时，储热罐不供热，/>为/>时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量；
⑵、：
由于热临界电价大于谷时段电价，效益L为正，处于盈利阶段；其余时段电价均大于热临界电价，停止用电，蓄热式电锅炉设备运行情况为：谷时段，电锅炉供热，当时，储热罐蓄热，当/>时，储热罐将热量储存起来，不再蓄热和放热，电锅炉单独供热；平时段和峰时段，储热罐单独供热，当/>时，不供热，/>为最大储热量；
⑶、：
由于热临界电价大于谷时段和平时段电价，效益为正，处于盈利阶段；峰时段电价大于热临界电价，停止用电。因此蓄热式电锅炉设备运行情况为：谷时段和平时段，电锅炉供热，当/>时，储热罐在电价谷、平时段蓄热，当/>时，储热罐将热量储存起来，不再蓄热和放热，电锅炉单独供热；峰时段，储热罐单独供热，当/>时，不供热；
⑷、：
由于热临界电价总是高于各时段的电网电价，电补热效益L在用电过程中一直为正，因此蓄热式电锅炉设备运行情况为：电锅炉一直供热，通过采集t时刻与t-1时刻的储热罐储热量，根据储热变化量来反映蓄放热状态，并进行相应的调整：储热变化量大于等于零且，储热罐处于蓄热状态，保持蓄热，当/>时，储热罐储热量已达到最大值，开始转换为放热状态；储热变化量小于零且/>，储热罐处于放热状态，保持放热，/>时，储热罐已放热完全，开始转换为蓄热状态。从而实现该策略下的储热罐控制的可循环性和实际可操作性。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置的控制方法，控制装置安装于城市热网上，其特征在于：控制装置包括传感器、信号采集模块、测量模块、计算模块和控制器，所述传感器、信号采集模块、测量模块、计算模块和控制器依次连接在一起，传感器用于测量电网信号、热网信号、热负荷需求信号和电补热设备信息，控制器用于控制蓄热式电锅炉、一次热网和二次热网运行，传感器采集各种信号输入至信号采集模块进行处理，测量模块对处理的数据进行测量输入至计算模块，计算模块根据数据进行相应的计算，控制器对根据计算结果对蓄热式电锅炉进行热开断控制，进而实现对城市热网的控制；城市热网包括蓄热式电锅炉、电网、一次热网、二次热网和用户热负荷，其中，电网通过变压器分别连接电锅炉和蓄热装置，一次热网通过换热器转换为二次热网，电锅炉和蓄热装置与二次热网相连接，二次热网输出端连接用户热负荷；
控制方法包括以下步骤：
步骤1、根据二次热网热力销售价格和蓄热式电锅炉热电转化率计算热价转化成对应的电价值；
计算热价转化成对应的电价值的具体实现方法为：
λ热临界电＝λ热·η·0.0036
其中，λ热临界电为热价转化成对应的电价值；λ热为热力销售价格；η为电热转化效率；
步骤2、根据电网峰谷平电价与步骤1计算得到的热价转化成对应的电价值进行分类；
步骤3、根据步骤2得到的不同分类情况，在满足电蓄热装置运行约束的条件下，对电锅炉进行对应的控制；电蓄热装置运行约束包括：热平衡方程约束、电锅炉运行约束和蓄热装置运行约束；
热平衡方程约束：
Q一次热网+Q补热＝Q用户
Q用户＝qhAc×10-3
Q-次热网＝ρ×cp×G×(Tg-Th)
Q补热＝PEB·η·SEB+QST-out·(1-SEB)
其中，Q一次热网为一次热网向二次热网交换的热功率；Q补热为蓄热式电锅炉设备的补热功率；Q用户为用户的热负荷需求；qh为采暖热指标；Ac为采暖建筑物的建筑面积；ρ为一次热网供热介质密度；cp为一次网供热介质比热容；G为一次网供热介质流量；Tg为一次网供水温度；Th为一次网回水温度；PEB为电锅炉直接供热部分消耗的电功率；SEB为蓄热式电锅炉电热转换的启停标志；QST-out为蓄热装置的放热功率；
电锅炉运行约束：
其中，为电锅炉直接供热部分允许消耗的最大电功率；
蓄热装置运行约束：
其中，为t时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量，/>为t-1时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量；QST-in为蓄热式电锅炉的蓄热装置储热功率；PST为蓄热装置储热部分消耗的电功率；/>为最大储热量；/>为蓄热装置最大储热功率；/>为蓄热装置最大放热功率；
蓄热装置运行约束中还包括电压约束：
Uj.min≤Uj≤Uj.max
Uj为蓄热式电锅炉设备所在电网节点电压；Uj.min为该节点允许承受的最小电压值；Uj.min为该节点允许承受的最大电压值；
得到满足上述约束的电补热的经济效益目标效益函数：
max L＝(λ热临界电-λ电)P电Δt
其中，P电为电锅炉消耗的电功率；Δt为单位时间段，λ电为电力价格。
2.根据权利要求1所述的一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤2中分类包括4种，分别为λ峰＞λ平＞λ谷＞λ热临界电、λ峰＞λ平＞λ热临界电＞λ谷、λ峰＞λ热临界电＞λ平＞λ谷和λ热临界电＞λ峰＞λ平＞λ谷其中λ热临界电为热价转化成对应的电价值，λ峰为电网峰值电价，λ平为电网平值电价，λ谷为电网谷值电价。
3.根据权利要求1所述的一种换热站蓄热式电锅炉设备控制装置的控制方法，其特征在于：所述步骤3中对电锅炉进行对应的控制的具体实现方法为：
⑴、λ峰＞λ平＞λ谷＞λ热临界电；
其中，λ热临界电为热价转化成对应的电价值，λ峰为电网峰值电价，λ平为电网平值电价，λ谷为电网谷值电价，蓄热式电锅炉设备运行情况为：电锅炉不供热，储热罐单独供热，所用热量为上一时段电热价变化前的储热罐储存的热量，当时，储热罐不供热，/>为t时刻蓄热式电锅炉储热罐储热量；
(2)、λ峰＞λ平＞λ热临界电＞λ谷：
蓄热式电锅炉设备运行情况为：谷时段，电锅炉供热，当时，储热罐蓄热，当/>时，储热罐将热量储存起来，不再蓄热和放热，电锅炉单独供热；平时段和峰时段，储热罐单独供热，当/>时，不供热，/>为最大储热量；
⑶、λ峰＞λ热临界电＞λ平＞λ谷：
蓄热式电锅炉设备运行情况为：谷时段和平时段，电锅炉供热，当时，储热罐在电价谷、平时段蓄热，当/>时，储热罐将热量储存起来，不再蓄热和放热，电锅炉单独供热；峰时段，储热罐单独供热，当/>时，不供热；
(4)、λ热临界电＞λ峰＞λ平＞λ谷：
蓄热式电锅炉设备运行情况为：电锅炉一直供热，通过采集t时刻与t-1时刻的储热罐储热量，根据储热变化量来反映蓄放热状态，并进行相应的调整：储热变化量大于等于零且储热罐处于蓄热状态，保持蓄热，当/>时，储热罐储热量已达到最大值，开始转换为放热状态；储热变化量小于零且/>储热罐处于放热状态，保持放热，时，储热罐已放热完全，开始转换为蓄热状态。
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