CN115833233A - 一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法 - Google Patents

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王强钢
杨龙杰
周桂平
林天皓
邹尧
罗桓桓
池源
王荣茂
吕旭明
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State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Chongqing University
State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及火电机组深度调峰技术领域，尤其涉及一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，包括以下步骤：S1、根据火电机组深度调峰时的运行状态和数据，分析适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性；S2、推导火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式；S3、根据爬坡约束通用表达式，构建可深度调峰火电机组的灵活性备用约束；S4、根据S3得到的灵活性备用约束以及S2得到的爬坡约束的通用表达式，推导火电机组在不同情况下所能提供的最大灵活性备用，构建可深度调峰火电机组的灵活性备用模型；S5、通过S4建立的灵活性备用模型对火电机组进行深度调峰。本方法能够准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性。

Description

一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法
技术领域
本发明涉及火电机组深度调峰技术领域，尤其涉及一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法。
背景技术
可再生能源将在我国发电能源中占据更大的比例，我国北方地区风、光等资源丰富，水电、燃机等灵活可调电源占比少，可再生能源高比例接入的灵活性需求目前主要通过调峰辅助服务市场。
火电机组的运行状态包括常规调峰和深度调峰。一般的机组只具备常规调峰的能力，但是为了给可再生能源让出力，有的大机组就要求具备深度调峰的能力，需要以低于常规调峰正常运行时的最小值的出力去运行。利用火电机组灵活性改造、深度调峰等措施适应可再生能源出力变化。
当火电机组进行深度调峰时，随着机组负荷降低，锅炉燃烧、水动力等工况逐渐变差，容易引起锅炉灭火、水循环停滞或倒流等事故，此时，为了保证机组的稳定运行，机组出力不宜随意波动。但是，传统的火电机组灵活性备用模型未考虑机组在深度调峰时的这些运行特性，所建立的火电机组灵活性备用模型无法准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性，不适用于可进行深度调峰的火电机组，因此，需对火电机组的传统建模方法及模型进行改进，以提高计及深度调峰的火电机组灵活性备用建模准确性。并且，现阶段在电力系统有关火电机组建模的问题中，一般未察觉到火电机组在深度调峰时的爬坡特性，所建立的火电机组灵活性备用模型无法准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性。
因此，怎样才能确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性，帮助调度人员修正日前计划，有效应对各种不确定性因素，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，能够准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性，帮助调度人员修正日前计划，有效应对各种不确定性因素。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，包括以下步骤：
S1、根据火电机组深度调峰时的运行状态和数据，分析适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性；
S2、根据适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性，推导火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式；
S3、根据S2推导出的爬坡约束的通用表达式，分析火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用的特性，并构建可深度调峰火电机组的灵活性备用约束；
S4、根据S3得到的灵活性备用约束以及S2得到的爬坡约束的通用表达式，推导火电机组在不同情况下所能提供的最大灵活性备用，构建可深度调峰火电机组的灵活性备用模型；
S5、通过S4建立的灵活性备用模型对火电机组进行深度调峰。
优选地，S2中，适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性包括：
用ΔT≥30min时
Figure SMS_1
可行域形成的凸集的边界约束来表示ΔT≥30min时的
Figure SMS_2
可行域，并基于ΔT≥30min的
Figure SMS_3
可行域推导火电机组的爬坡约束；其中，
Figure SMS_4
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率，ΔT为调度时间尺度。
优选地，S2中，火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式为：
Figure SMS_5
式中，
Figure SMS_6
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率；
Figure SMS_7
为第n台火电机组在t-1时刻可以输出的有功功率；R1,n为第n台火电机组在RPR的爬坡率；ΔT为调度时间尺度；αn,t为t时刻第n台火电机组的启停状态，启动为1，关闭为0；αn,t-1为t-1时刻第n台火电机组的启停状态；
Figure SMS_8
为RPR期间第n台火电机组的最小输出功率；R2,n为第n台火电机组在DPRO1w/o的爬坡率；R3,n为第n台火电机组在DPRO2w/o的爬坡率；
Figure SMS_9
为DPRO1w/o期间第n台火电机组的最小输出功率；
Figure SMS_10
为DPRO2w/o期间第n台火电机组的最小输出功率；
Figure SMS_11
为第n台火电机组的最大输出功率。
名词说明：
RPR，即火电机组的常规调峰状态；
DPRO1w/o，即火电机组投油深度调峰(DPROw/o)的第一阶段；
DPRO2w/o，即火电机组投油深度调峰(DPROw/o)的第二阶段。
优选地，S3中，分析火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用的特性后，基于火电机组的爬坡率、有功功率输出范围、以及相邻的上一个ΔT提供的灵活性备用，构建可深度调峰火电机组在每个调度周期的灵活性备用约束。
优选地，S3中，可深度调峰火电机组在每个调度周期的灵活性备用约束为：
Figure SMS_12
式中，
Figure SMS_13
为第n个火电机组在第t周期提供的向上的弹性储备；
Figure SMS_14
为第n个火电机组在第t-1周期提供的向上的弹性储备；
Figure SMS_15
为第n个TPU在第t期提供的向下的弹性储备；
Figure SMS_16
为第n个TPU在第t-1期提供的向下的弹性储备。
名词说明：
第t周期，即t时刻开始的调度时间尺度的调度周期。
第t-1期，即t-1时刻开始的调度时间尺度的调度周期。
优选地，S4中，所述火电机组在不同情况下能提供的最大灵活性备用包括，调度时间尺度内固定运行状态时能提供的最大灵活性备用，以及调度时间尺度内变化运行状态时能提供的最大灵活性备用。
优选地，S4中，建立的可深度调峰火电机组的灵活性备用模型为：
Figure SMS_17
Figure SMS_18
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本方法首先根据火电机组深度调峰时的运行状态和数据，提出了一种适用于日前调度的可深度调峰火电机组阶梯式爬坡约束；然后，根据这种火电机组阶梯式爬坡特性，推导出爬坡约束的通用表达式；再根据火电机组爬坡约束通用表达式，提出可深度调峰火电机组的灵活性备用约束；最后建立出可深度调峰火电机组的灵活性备用模型，并通过灵活性备用模型对火电机组进行深度调峰。
通过本方法，能够准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性，帮助调度人员修正日前计划，有效应对各种不确定性因素。
2、与传统的灵活性备用约束相比，本发明提出的火电机组灵活性备用约束既考虑了爬坡率机组处于不同运行状态时的变化，也考虑了相邻时刻灵活性备用对当前时刻灵活性备用的影响，可以避免由于高估火电机组提供灵活性储备能力而带来的问题。
3、本方法充分考虑了火电机组深度调峰期间随着负荷率降低而降低的爬坡能力和当前灵活性备用对相邻时刻灵活性备用的影响，能够更准确的反映可深度调峰火电机组的运行特性，帮助调度人员修正日前计划，有效应对各种不确定性因素。
4、对于给定的火电机组，其在t时刻可以输出的有功功率主要受上一时刻t-1时刻的功率和调度时间尺度ΔT的影响；对于不同的ΔT，
Figure SMS_19
可行域的差距很大，其中，
Figure SMS_20
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率；日前调度的ΔT一般为30min及以上，可基于ΔT≥30min的推导火电机组的爬坡约束；ΔT≥30min时
Figure SMS_21
可行域可直接用凸集的边界约束来表示。通过上述对可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性的分析，可以准确、便捷的推导出火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例的流程图；
图2为实施例中的可深度调峰火电机组调峰过程示意图；
图3为实施例中的可深度调峰火电机组负载率与爬坡率之间的关系示意图；
图4为实施例中的不同时间间隔对应的有功可行域示意图；
图5为实施例中调度周期内火电机组在常规调峰期间的有功功率示例图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
实施例：
如图1所示，本实施例中公开了一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，包括以下步骤：
S1、根据火电机组深度调峰时的运行状态和数据，分析适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性。
火电机组的运行状态包括常规调峰(RPR)和深度调峰(DPR)。其中深度调峰(DPR)又可分为不投油深度调峰(DPROw/o)和投油深度调峰(DPROw)。根据单位负荷与斜坡率的关系，投油深度调峰DPROw/o又可分为第一阶段(DPRO1w/o)和第二阶段(DPRO2w/o)。火电机组的调峰过程如图2所示。
目前，火电机组在投油深度调峰期间的运行非常不稳定，并容易发生锅炉熄火、水循环停滞或回流等事故。因此，实际运行中火电机组不会处于投油深度调峰阶段。因此本发明忽略火电机组在DPROw运行状态的情况。根据X市热工院提供的某汽轮机运行试验测试报告，不同运行状态下火电机组的爬坡率存在差异。负荷与爬坡率之间的关系如图3所示。测试报告中关于不同负荷状态下火电机组最大爬坡率变化趋势的结论适用于任意火电机组。但是，具体火电机组在不同负荷状态下可以提供的最大爬坡率会因各种因素而有所不同。
S2、根据适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性，推导火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式。其中，适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性包括：用ΔT≥30min时
Figure SMS_22
可行域形成的凸集的边界约束来表示ΔT≥30min时的
Figure SMS_23
可行域，并基于ΔT≥30min的
Figure SMS_24
可行域推导火电机组的爬坡约束；其中，
Figure SMS_25
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率，ΔT为调度时间尺度。
对于给定的火电机组，其在t时刻可以输出的有功功率主要受上一时刻(t-1时刻)功率和调度时间尺度ΔT的影响。对于不同的ΔT，第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率
Figure SMS_26
可行域如图4所示。需要注意的是，工作在深度调峰状态的火电机组可以直接停机，但是火电机组在启动时不能直接进入深度调峰状态。从图4中可以看出，对于不同的ΔT，
Figure SMS_27
可行域的差距很大。由于日前调度的ΔT一般为30min及以上，本方法基于图4中ΔT≥30min的
Figure SMS_28
可行域推导火电机组的爬坡约束。
此外，在不考虑火电机组启停的情况下，从图4中可以看出，当ΔT为大于或等于30min时，
Figure SMS_29
的可行域是一个凸集，而ΔT<30min时为非凸集。因此，ΔT≥30min时
Figure SMS_30
的可行域可以直接用凸集的边界约束来表示。基于图4中
Figure SMS_31
可行域的基础上考虑火电机组的启停，在ΔT≥30min时，适用于日前调度(ΔT≥30min)的阶梯式爬坡约束表达式如公式(1)所示，
Figure SMS_32
的可行域与公式(1)中ΔT≥30min时不同时间尺度的情况相对应。
Figure SMS_33
式中，
Figure SMS_34
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率；
Figure SMS_35
为第n台火电机组在t-1时刻可以输出的有功功率；R1,n为第n台火电机组在RPR的爬坡率；ΔT为调度时间尺度；αn,t为t时刻第n台火电机组的启停状态，启动为1，关闭为0；
Figure SMS_36
为t-1时刻第n台火电机组的启停状态；
Figure SMS_37
为RPR期间第n台火电机组的最小输出功率；R2,n为第n台火电机组在DPRO1w/o的爬坡率；R3,n为第n台火电机组在DPRO2w/o的爬坡率；
Figure SMS_38
为DPRO1w/o期间第n台火电机组的最小输出功率；
Figure SMS_39
为DPRO2w/o期间第n台火电机组的最小输出功率；
Figure SMS_40
为第n台火电机组的最大输出功率。
S3、根据S2推导出的爬坡约束的通用表达式，分析火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用的特性，并构建可深度调峰火电机组的灵活性备用约束。
具体实施时，分析火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用的特性后，基于火电机组的爬坡率、有功功率输出范围、以及相邻的上一个ΔT提供的灵活性备用，构建可深度调峰火电机组在每个调度周期的灵活性备用约束。
由于在深度调峰期间，火电机组的爬坡能力会随着负荷的降低而降低，因此准确计算火电机组可以为每个时段提供的备用非常重要。t时刻第n台处于常规调峰状态(RPR)火电机组的输出功率如图5所示。图5中，A0,B0和C0分别表示火电机组在t-1、t和t+1时刻的输出功率；
Figure SMS_41
和
Figure SMS_42
分别表示第n台火电机组在t-1、t和t+1时刻需要提供的最小灵活性备用功率(即最小旋转备用功率)；线段A0B3、A2B4、B4C3及B1C4的斜率表示火电机组的最大爬坡率。
当不考虑火电机组在t-1时刻的灵活性备用时，ΔT内火电机组输出功率增加最大的情况是从点A0到点B3。然而，由于火电机组需要在t-1时提供最小的向下灵活储备
Figure SMS_43
实际火电机组在ΔT中可以增加的最大输出功率是从A0点到B4点。即火电机组在t时刻可以提供的向上灵活性备用最大是
Figure SMS_44
。同理，当火电机组在t时刻提供向上灵活性备用
Figure SMS_45
时，机组在t+1时刻所能提供的最大向下灵活性备用为
Figure SMS_46
。当火电机组在t时刻提供向上灵活性备用
Figure SMS_47
时，机组在t+1时刻可以提供的向下灵活性备用最大为
Figure SMS_48
。很明显，一台火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用不仅受火电机组的爬坡率和有功功率输出范围的影响，还受到上一时期提供的灵活性备用影响。因此，在常规调峰期间，可深度调峰火电机组在每个调度周期的灵活性备用约束为：
Figure SMS_49
式中，
Figure SMS_50
为第n个火电机组在第t周期提供的向上的弹性储备；
Figure SMS_51
为第n个火电机组在第t-1周期提供的向上的弹性储备；
Figure SMS_52
为第n个TPU在第t期提供的向下的弹性储备；
Figure SMS_53
为第n个TPU在第t-1期提供的向下的弹性储备。
名词说明：第t周期，即t时刻开始的调度时间尺度的调度周期。第t-1期，即t-1时刻开始的调度时间尺度的调度周期。
S4、根据S3得到的灵活性备用约束以及S2得到的爬坡约束的通用表达式，推导火电机组在不同情况下所能提供的最大灵活性备用，构建可深度调峰火电机组的灵活性备用模型。
除了处于固定运行状态外，火电机组的运行状态还可以在调度时间尺度内从一种状态变为另一种状态。当运行状态发生变化时，火电机组的爬坡率也会发生变化，从而影响火电机组能够提供的灵活性备用。因此，根据图2、图3、公式(1)、公式(2)，可以推导出火电机组在不同情况下所能提供的最大灵活性备用。因此，可深度调峰火电机组的灵活性备用模型如公式(3)和(4)所示：
Figure SMS_54
Figure SMS_55
从(3)和(4)可以看出，与传统的灵活性备用约束相比，本发明提出的火电机组备用约束既考虑了爬坡率机组处于不同运行状态时的变化，也考虑了相邻时刻灵活性备用对当前时刻灵活性备用的影响，可以避免由于高估火电机组提供灵活性储备能力而带来的问题。
S5、通过S4建立的灵活性备用模型对火电机组进行深度调峰。
本方法首先根据火电机组深度调峰时的运行状态和数据，提出了一种适用于日前调度的可深度调峰火电机组阶梯式爬坡约束；然后，根据这种火电机组阶梯式爬坡特性，推导出爬坡约束的通用表达式；再根据火电机组爬坡约束通用表达式，提出可深度调峰火电机组的灵活性备用约束；最后建立出可深度调峰火电机组的灵活性备用模型，并通过灵活性备用模型对火电机组进行深度调峰。与传统的灵活性备用约束相比，本发明提出的火电机组灵活性备用约束既考虑了爬坡率机组处于不同运行状态时的变化，也考虑了相邻时刻灵活性备用对当前时刻灵活性备用的影响，可以避免由于高估火电机组提供灵活性储备能力而带来的问题。本方法充分考虑了火电机组深度调峰期间随着负荷率降低而降低的爬坡能力和当前灵活性备用对相邻时刻灵活性备用的影响，能够更准确的反映可深度调峰火电机组的运行特性，帮助调度人员修正日前计划，有效应对各种不确定性因素。
综上，通过本方法，能够准确反映出火电机组在深度调峰时的运行特性，帮助调度人员修正日前计划，有效应对各种不确定性因素。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据火电机组深度调峰时的运行状态和数据，分析适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性；
S2、根据适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性，推导火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式；
S3、根据S2推导出的爬坡约束的通用表达式，分析火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用的特性，并构建可深度调峰火电机组的灵活性备用约束；
S4、根据S3得到的灵活性备用约束以及S2得到的爬坡约束的通用表达式，推导火电机组在不同情况下所能提供的最大灵活性备用，构建可深度调峰火电机组的灵活性备用模型；
S5、通过S4建立的灵活性备用模型对火电机组进行深度调峰。
2.如权利要求1所述的基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于：S2中，适用于日前调度的可深度调峰火电机组的阶梯式爬坡特性包括：
用ΔT≥30min时
Figure FDA0003965558810000011
可行域形成的凸集的边界约束来表示ΔT≥30min时的
Figure FDA0003965558810000012
可行域，并基于ΔT≥30min的
Figure FDA0003965558810000013
可行域推导火电机组的爬坡约束；其中，
Figure FDA0003965558810000014
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率，ΔT为调度时间尺度。
3.如权利要求2所述的基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于：S2中，火电机组深度调峰时的爬坡约束的通用表达式为：
Figure FDA0003965558810000021
式中，
Figure FDA0003965558810000022
为第n台火电机组在t时刻可以输出的有功功率；
Figure FDA0003965558810000023
为第n台火电机组在t-1时刻可以输出的有功功率；R1,n为第n台火电机组在RPR的爬坡率；ΔT为调度时间尺度；αn,t为t时刻第n台火电机组的启停状态，启动为1，关闭为0；αn,t-1为t-1时刻第n台火电机组的启停状态；
Figure FDA0003965558810000024
为RPR期间第n台火电机组的最小输出功率；R2,n为第n台火电机组在DPRO1w/o的爬坡率；R3,n为第n台火电机组在DPRO2w/o的爬坡率；
Figure FDA0003965558810000025
为DPRO1w/o期间第n台火电机组的最小输出功率；
Figure FDA0003965558810000026
为DPRO2w/o期间第n台火电机组的最小输出功率；
Figure FDA0003965558810000027
为第n台火电机组的最大输出功率。
4.如权利要求3所述的基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于：S3中，分析火电机组在每个时段可以提供的最大灵活性备用的特性后，基于火电机组的爬坡率、有功功率输出范围、以及相邻的上一个ΔT提供的灵活性备用，构建可深度调峰火电机组在每个调度周期的灵活性备用约束。
5.如权利要求4所述的基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于：S3中，可深度调峰火电机组在每个调度周期的灵活性备用约束为：
Figure FDA0003965558810000031
式中，
Figure FDA0003965558810000032
为第n个火电机组在第t周期提供的向上的弹性储备；
Figure FDA0003965558810000033
为第n个火电机组在第t-1周期提供的向上的弹性储备；
Figure FDA0003965558810000034
为第n个TPU在第t期提供的向下的弹性储备；
Figure FDA0003965558810000035
为第n个TPU在第t-1期提供的向下的弹性储备。
6.如权利要求5所述的基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于：S4中，所述火电机组在不同情况下能提供的最大灵活性备用包括，调度时间尺度内固定运行状态时能提供的最大灵活性备用，以及调度时间尺度内变化运行状态时能提供的最大灵活性备用。
7.如权利要求6所述的基于灵活性备用模型的火电机组深度调峰方法，其特征在于：S4中，建立的可深度调峰火电机组的灵活性备用模型为：
Figure FDA0003965558810000036
Figure FDA0003965558810000041
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