CN115459369B - 一种协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于储能技术与电力系统辅助服务领域,尤其涉及一种协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法。
背景技术
为保证电网供电质量的频率要求,电网调度机构对并网运行的火力发电机组实行自动发电控制(Automatic Generation Control, AGC),同时对火电机组的响应速率、响应时间和控制精度等指标提出了控制要求。为缩短火电机组响应时间,提高AGC调节速率及精度,提升调频综合性能指标,许多机组都采用了“火电+储能”进行联合响应的系统配置。利用储能电池系统具有的快速释放和吸收有功功率的优异性能,使得加装储能装置的火电机组的变负荷速率和精度得到明显提升,能够有效提高电网稳定水平,并提升机组AGC性能和参与电力辅助服务市场的竞争力。
“火储联合”目前常规的控制方式为:AGC指令需要燃煤机组增加发电功率时,电储能向发电机或主变出口放电,帮助燃煤机组完成AGC上调功率指令;反之,当AGC指令需要燃煤机组减少发电功率时,发电机组或主变出口向储能系统充电,帮助燃煤机组完成AGC下调功率指令。调度AGC指令下发到发电单元机组时,储能系统同时接收到该AGC指令,由于燃煤发电机组响应功率调节速度较慢,而储能系统响应功率调节速度很快,储能系统接收到AGC指令后快速响应,弥补燃煤机组响应迟缓带来的机组出力与AGC指令间的功率偏差,等燃煤机组出力响应跟上之后,储能系统出力逐渐降低,从而实现功率置换。
但目前“火电+储能”系统中的负荷补偿策略一般为单向补偿,即火电机组DCS系统按照常规控制策略根据AGC指令调整机组出力,不足或多余部分由储能电池系统进行补充或者消纳,以机组实际出力与AGC指令之间的差值作为储能系统的出力,联合调频协调控制系统根据AGC调度出力指令和调频机组出力的差值,控制储能系统出力。在该控制策略下,功率的补偿完全是单方向的,火电机组侧的负荷控制完全不考虑储能系统的能量状态,也就无法主动对储能系统进行储备能量的补偿。特别是当机组经历连续单方向的负荷变动后,其电池能量状态将很可能长时间保持在满充或放空状态,基本上失去了对某一方向指令的辅助响应能力,将极大地影响整个系统的调频性能和AGC指令的响应能力。有研究表明,部分采用单方向功率补偿策略的机组,其储能系统的可用率有可能不足50%。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足,提供一种协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法
这种协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法,控制系统包括火电机组、DCS系统、调度装置、储能控制系统和储能系统;火电机组包括锅炉、汽轮机调门、汽轮机和发电机,锅炉产生的蒸汽通过汽轮机调门进入汽轮机,汽轮机连接发电机;发电机连接储能系统和储能控制系统,储能控制系统连接储能系统,储能系统连接厂用电母线;汽轮发电机组和储能系统的信号整合后连接DCS系统、调度装置和储能控制系统,调度装置连接DCS系统和储能控制系统,DCS系统连接汽轮机调门;这种控制方法包括以下步骤:
S3、完成变负荷过程。
作为优选,步骤S1中:当储能系统内电池的实际电量SOC的状态为
其中,SOC为储能系统内电池的实际电量,SOCmin为预设的储能系统内电量的低限,SOClow为预设的储能系统内电量的低值,SOChigh为预设的储能系统内电量的高值,SOCmax为预设的储能系统内电量的高限。
作为优选,步骤S2中:每当AGC指令升负荷的幅值大于设定值,DCS系统内的CNT记录一次升负荷信号,AGC指令降负荷的幅值大于设定值,则记录一次降负荷信号;从第一次CNT接收到升负荷信号起的秒内,如果升负荷信号计数达到5以上,则判定AGC指令处于连续升负荷状态,如果/>秒内AGC指令的动作幅值的绝对值大于储能系统最大充放电功率、CNT接收到3次以上降负荷信号或/>秒内升负荷信号计数小于等于5,则升负荷信号的计数清零;连续降负荷状态的判断方法同理;
作为优选,步骤S2具体为:当储能系统处于正常充放电区,或储能系统处于优先充电区或优先放电区且AGC指令为连续变负荷状态时,储能系统按照传统的单向补偿策略对火电机组出力不足的部分进行补偿,储能系统的功率,其中/>为储能功率补偿系数,由储能系统能量状态与负荷反馈与指令偏差计算得出,/>;
当储能系统处于优先充电区,且AGC指令不处于连续变负荷过程,火电机组的负荷指令 提升机组补偿储能出力/>,在满足AGC指令/>的同时对储能系统进行充电,储能控制系统控制储能系统由放电模式进入待机,延时N秒后切换为充电模式,直至储能系统的电池能量状态恢复到储能额定容量/>的50%;
当储能系统处于优先放电区,且AGC指令不处于连续变负荷过程,火电机组的负荷指令 降低机组补偿储能出力/>,即补偿为负,吸纳储能系统的过剩能量;储能控制系统控制储能系统由充电模式进入待机,延时N秒后切换为放电模式,直至储能系统的电池能量状态恢复到储能额定容量/>的50%。
其中,P A 为AGC指令,P G 为机组实际出力,P L 为机组限速后的负荷指令,为主汽压力实际值,/>为主汽压力设定值,/>为汽机调门开度,/>为机组变负荷速率,/>为储能系统的最大功率,/>为储能系统的功率,/>为机组补偿储能出力,/>为机组补偿出率的补偿系数;/>分别为主汽压力偏差、变负荷幅度、机组变负荷速率及汽机调门开度的修正系数函数,预设于DCS系统中,和/>均为参数。
作为优选,步骤S2中:经过调整后的火电机组功率指令高于火电机组功率调节的底限,低于火电机组功率调节的高限。
本发明的有益效果是:
1)本发明提出一种协调储能电池容量状态与火电机组功率的控制方法,将能量补偿策略设计为双向补偿,实现机组负荷与储能系统出力的联合控制,火电机组根据储能系统的能量状态适当调整机组出力,补充储能系统的能量,使得储能系统的可用率进一步提升,能够在更大的时间跨度范围内确保系统的整体AGC响应性能,提升储能系统的有效调节范围。
2)在储能电池容量状态适中时,本发明的储能控制系统对火电机组输出的功率进行补偿调整,辅助提升机组的响应能力;当储能系统的电池处于充满或放空状态时,则合理调整火电机组出力,使得储能系统的电池能量状态恢复至正常,实现火电机组对储能系统能量状态的主动调节,保证AGC的调节精度和后续响应性能。
附图说明
图1为传统储能辅助机组的负荷控制流程图;
图2为传统“火电+储能”出力控制系统结构示意图;
图3为储能系统与火电机组功率双向补偿控制流程图;
图4为机组AGC连续变负荷状态判断逻辑示意图;
图5为火电机组AGC指令修正及处理逻辑图;
图6为本发明控制方法下某1030MW超临界机组的AGC运行曲线图(其中曲线a为AGC指令,曲线b为机组实际负荷,曲线c为储能系统7补偿后的总出力,曲线d为储能系统7内的能量状态,曲线e为AGC运动状态,曲线f为机组出力补偿储能系统信号);
图7为本发明与传统控制方法下的储能系统能量状态曲线对比图(其中曲线a为AGC指令,曲线b为本发明方法下储能系统7的能量状态,曲线c为传统储能控制方法下储能系统7的能量状态);
图8为本发明与传统控制方法下机组与储能总出力的运行曲线(其中曲线a为传统储能控制方法下系统的总出力,曲线b为本发明方法下系统的总出力,曲线c为AGC指令)。
附图标记说明:汽轮机调门1、汽轮机2、发电机3、DCS系统4、调度装置5、储能控制系统6、储能系统7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出,对于本技术领域的普通人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
如图2所示的传统的“火电+储能”出力控制系统,包括:火电机组、DCS系统4、调度装置5、储能控制系统6和储能系统7;火电机组包括锅炉、汽轮机调门1、汽轮机2和发电机3,锅炉产生的蒸汽通过汽轮机调门1进入汽轮机2,汽轮机2连接发电机3;发电机3连接储能系统7和储能控制系统6,储能控制系统6连接储能系统7,储能系统7连接厂用电母线;汽轮发电机组和储能系统7的信号整合后连接DCS系统4、调度装置5和储能控制系统6,调度装置5连接DCS系统4和储能控制系统6。
储能控制系统6主要根据预先设定的控制策略,结合火电机组的实时出力、AGC指令及储能系统7状态信息,实时生成储能系统7的有功控制指令,调节储能系统7的出力,辅助火电机组响应AGC指令。
本发明进一步地在传统的“火电+储能”出力控制系统的基础上,根据接收到的AGC指令进行处理并判断机组的变负荷状态,DCS系统4连接汽轮机调门1,对火电机组的出力进行控制,根据储能系统7的能量状态信号进行机组出力的修正,补偿储能系统7的能量消耗。
储能系统与火电机组功率双向补偿控制流程如图3所示,主要包括以下步骤:
其中,SOC为储能系统7内电池的实际电量,SOCmin为预设的储能系统7内电量的低限,SOClow为预设的储能系统7内电量的低值,SOChigh为预设的储能系统7内电量的高值,SOCmax为预设的储能系统7内电量的高限。
S2、DCS系统4和储能控制系统6根据AGC指令的状态和储能系统7的荷电状态分别控制汽轮机调门1和储能系统7,进行火电机组和储能系统7的双向补偿,同时确保火电机组和储能系统7的联合出力与AGC指令/>相符;
如图4所示,每当AGC指令升负荷的幅值大于设定值,DCS系统4内的CNT记录一次升负荷信号,AGC指令降负荷的幅值大于设定值,则记录一次降负荷信号;从第一次CNT接收到升负荷信号起的300秒内,如果升负荷信号计数达到5以上,则判定AGC指令处于连续升负荷状态,如果300秒内AGC指令的动作幅值的绝对值大于储能系统最大充放电功率、CNT接收到3次以上降负荷信号或300秒内升负荷信号计数小于等于5,则升负荷信号的计数清零;连续降负荷状态的判断方法同理;
如图5所示,DCS系统4将接收到的AGC指令和火电机组出力修正指令整合后进行限幅与限速处理,生成机组负荷指令与主汽压力设定值,再将其与机组实时功率与实时压力比较,调节锅炉燃料量、送风量与给水流量,以此改变锅炉的出力,以满足汽轮机的做功需求;同时,DCS系统4对汽轮机2调速汽门开度进行控制,改变汽轮机2出力,进而调整机组的发电功率。DCS系统4通过协调锅炉与汽轮机2间的能量供需平衡,实时调整机组出力,实现对AGC指令的响应。
储能控制系统6则根据机组实际出力、AGC指令及储能系统7的能量状态进行储能系统7出力的调整,和火电机组配合以满足整个系统对AGC指令的响应需求,采用双向的能量补偿策略,在储能系统7电池能量状态过高或过低时,通过调整机组出力补偿其所消耗的能量,提升储能控制系统6的可用性和能量补偿的持续性,以进一步提升系统对AGC指令的响应能力。
某1030MW超临界火电机组,配置有30MW/30MWh的储能系统7,辅助机组对AGC指令的响应。储能能量状态的高值SOChigh及低值SOClow分别为24MWh及6MWh。
当储能系统7处于正常充放电区,或储能系统7处于优先充电区或优先放电区且AGC指令为连续变负荷状态时,储能系统7采用如图1所示的传统能量补偿策略对火电机组出力不足的部分进行补偿,储能系统7补偿出力/>,其中/>为储能功率补偿系数,由储能系统能量状态与负荷反馈与指令偏差通过自定义约束条件寻优计算得出,/>;/>为储能系统7补偿出力可达到的最大值,即储能系统的最大功率/>。
当储能系统7处于优先充电区,且AGC指令不处于连续变负荷过程,火电机组的负荷指令提升机组补偿储能出力/>,在满足AGC指令/>的同时对储能系统7进行充电,储能控制系统6控制储能系统7由放电模式进入待机,延时N秒后切换为充电模式,直至储能系统7的电池能量状态恢复到储能额定容量/>的50%;
当储能系统7处于优先放电区,且AGC指令不处于连续变负荷过程,火电机组的负荷指令 降低机组补偿储能出力/>,即补偿为负,吸纳储能系统7的过剩能量;储能控制系统6控制储能系统7由充电模式进入待机,延时N秒后切换为放电模式,直至储能系统7的电池能量状态恢复到储能额定容量/>的50%。
其中, P A 为AGC指令,P G 为机组实际出力,P L 为机组限速后的负荷指令,TP sel 为主汽压力实际值,TP set 为主汽压力设定值,V p 为汽机调门开度,R为机组变负荷速率,P M 为储能系统的最大功率,P B 为储能系统的功率设定值,P C 为机组补偿储能出力为机组补偿出率的补偿系数;f 1 (ΔTP)、f 2 (ΔP)、f 3 (V p )、f 4 (R)分别为主汽压力偏差、变负荷幅度、机组变负荷速率及汽机调门开度的修正系数函数,预设于DCS系统4中,和/>均为参数。
经过调整后的火电机组功率指令高于火电机组功率调节的底限,低于火电机组功率调节的高限。
S3、完成变负荷过程。
以某日该机组响应AGC指令,机组侧对储能系统能量补偿的过程的实际数据为例,通过仿真说明本方法的控制策略。
如图6所示,曲线a为AGC指令,曲线b为机组实际负荷,曲线c为储能系统7补偿后的总出力,曲线d为储能系统7内的能量状态,曲线e为AGC运动状态,曲线f为机组出力补偿储能系统信号。在T1时刻,由于机组经历了连续加负荷的运行工况,储能系统为响应AGC指令已经耗尽了其能量储备,其能量状态到达了低限。但由于机组依然处于连续变负荷过程中,为确保AGC响应精度,机组未对储能系统77进行能量补偿。当到达T2时刻,逻辑判断机组变负荷过程结束,立即进行机组对储能系统7的能量补充,对此对机组出力进行调整,使机组出力稍高于AGC指令。期间,由于AGC指令的变化,多次判断出现变负荷工况,在此工况下停止对机组出力的修正。在T3时刻,储能系统7的能量状态达到既定目标,机组对于储能系统7的能量补偿过程结束,系统继续以原控制策略进行控制。在此过程中,机组与储能系统7的联合出力如曲线c所示,除了储能系统7由于能量状态至低限而退出调节的时间段外,基本上保持总出力与AGC指令相吻合。
本发明方法在无连续变负荷的状态下对储能系统7消耗的能量进行补偿,恢复储能系统7的能量状态,能够扩大储能系统7的调节时间长度,进而保证整个系统对AGC指令的响应能力。
图7显示了传统储能控制方法与本发明的双向补偿策略在相同的AGC指令及机组响应的情况下一天之内的储能系统7能量状态曲线的对比,其中,曲线a为AGC指令,曲线b为本发明方法下储能系统7的能量状态,曲线c为传统储能控制方法下储能系统7的能量状态。
图8为在高负荷段时,两种方法机组与储能系统7的总出力曲线,其中曲线a为传统储能控制方法下系统的总出力,曲线b为本发明方法下系统的总出力,曲线c为AGC指令。
由图7中的曲线c可见,当机组在经历早高峰连续加负荷时段后,传统控制方法下储能系统7的能量储备被很快耗尽,本日内机组负荷较高,导致储能系统7的能量状态长期处于低位,且在图8所示的高负荷工况下多次出现无法响应升负荷的AGC指令的情况。而本方法能够及时补充储能系统7的能量消耗,保证储能系统7的能量状态处于合理范围,储能系统7在各个负荷段均具有良好的调节能力。在本仿真中,采用传统控制方法有25%的AGC指令无法响应,而采用本发明方法时仅有4%的AGC指令无法响应,主要集中在储能容量耗尽后的连续变负荷过程中。
Claims (5)
1.一种协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S2、DCS系统(4)和储能控制系统(6)根据AGC指令的状态和储能系统(7)的荷电状态分别控制汽轮机调门(1)和储能系统(7),进行火电机组和储能系统(7)的双向补偿,同时确保火电机组和储能系统(7)的联合出力与AGC指令相符;具体为,
当储能系统(7)处于正常充放电区,或储能系统(7)处于优先充电区或优先放电区且AGC指令为连续变负荷状态时,储能系统(7)按照传统的单向补偿策略对火电机组出力不足的部分进行补偿,储能系统(7)的功率,其中为储能功率补偿系数,由储能系统能量状态与负荷反馈与指令偏差计算得出,;
当储能系统(7)处于优先充电区,且AGC指令不处于连续变负荷过程,火电机组的负荷指令提升机组补偿储能出力,在满足AGC指令的同时对储能系统(7)进行充电,储能控制系统(6)控制储能系统(7)由放电模式进入待机,延时N秒后切换为充电模式,直至储能系统(7)的电池能量状态恢复到储能额定容量的50%;
当储能系统(7)处于优先放电区,且AGC指令不处于连续变负荷过程,火电机组的负荷指令降低机组补偿储能出力,即补偿为负,吸纳储能系统(7)的过剩能量;储能控制系统(6)控制储能系统(7)由充电模式进入待机,延时N秒后切换为放电模式,直至储能系统(7)的电池能量状态恢复到储能额定容量的50%;
S3、完成变负荷过程。
2.根据权利要求1所述的协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法,其特征在于,步骤S1中:当储能系统(7)内电池的实际电量SOC的状态为
SOClow<SOC<SOChigh时,储能系统(7)处于正常充放电区;
SOChigh<SOC<SOCmax时,储能系统(7)处于优先放电区;
SOCmin<SOC<SOClow时,储能系统(7)处于优先充电区;
其中,SOC为储能系统(7)内电池的实际电量,SOCmin为预设的储能系统(7)内电量的低限,SOClow为预设的储能系统(7)内电量的低值,SOChigh为预设的储能系统(7)内电量的高值,SOCmax为预设的储能系统(7)内电量的高限。
3.根据权利要求2所述的协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法,其特征在于,步骤S2中:每当AGC指令升负荷的幅值大于设定值,DCS系统(4)内的CNT记录一次升负荷信号,AGC指令降负荷的幅值大于设定值,则记录一次降负荷信号;从第一次CNT接收到升负荷信号起的秒内,如果升负荷信号计数达到5以上,则判定AGC指令处于连续升负荷状态,如果秒内AGC指令的动作幅值的绝对值大于储能系统最大充放电功率、CNT接收到3次以上降负荷信号或秒内升负荷信号计数小于等于5,则升负荷信号的计数清零;连续降负荷状态的判断方法同理;
5.根据权利要求3所述的协调火电机组功率指令与储能电量状态的控制方法,其特征在于,步骤S2中:经过调整后的火电机组功率指令高于火电机组功率调节的底限,低于火电机组功率调节的高限。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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