CN116826857A - 一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备 - Google Patents

一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备，涉及储能调频控制技术领域，方法包括：基于飞轮系统储能‑火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型确定火电机组的输出频率、发电功率和飞轮系统的瞬时功率；根据火电机组的输出频率建立系统频率约束；根据火电机组的发电功率建立机组负荷变化速率约束；根据飞轮系统的瞬时功率建立飞轮系统荷电状态约束；基于系统频率约束、机组负荷变化速率约束和飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型；采用多目标优化算法，对火储联合优化控制模型求解以得到火储联合优化输出结果。本发明满足电网调频需要的同时节能降碳。

Description

一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及储能调频控制技术领域，特别是涉及一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备。
背景技术
火电机组负荷率是影响机组运行煤耗的最大外部因素之一。在不同的负荷下，火电机组的热效率不同，越靠近额定负荷、设计工况时，火电机组发电效率越高，燃煤供电碳排放强度越低；负荷越低，效率越低，碳排放量也越多。在相同负荷率下，机组稳定运行比负荷波动更容易降低供电煤耗。受到大规模光伏、风电等清洁能源并入电网的影响，火电机组大多会接收大幅度调峰指令(最低达到额定负荷的20％)，此时供电煤耗高，产生的碳排放也高。如何通过合理手段降低煤耗是火电优化的一个重要方向。火电需要考虑在优化和改造过程中通过减少能量损耗、提高机组效率等方式来降低自身的碳排放量，从而实现低碳发展的目标。
发明内容
本发明的目的是提供一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备，满足电网调频需要的同时节能降碳。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
第一方面，本发明提供一种计及碳排放的火储联合优化控制方法，包括：
建立飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型；
基于所述电网一次调频仿真模型，确定火电机组的输出频率、火电机组的发电功率和飞轮系统的瞬时功率；
根据所述火电机组的输出频率，建立系统频率约束；根据所述火电机组的发电功率，建立机组负荷变化速率约束；根据所述飞轮系统的瞬时功率，建立飞轮系统荷电状态约束；
基于所述系统频率约束、所述机组负荷变化速率约束和所述飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型；
采用多目标优化算法，对所述火储联合优化控制模型求解，以得到火储联合优化输出结果；所述火储联合优化输出结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。
可选地，所述系统频率约束的函数公式为：
其中，fi(t)表示t时刻第i台火电机组的输出频率；表示第i台火电机组的初始输出频率，k1表示预设的常数值。
可选地，所述机组负荷变化速率约束的函数公式为：
其中，表示t时刻第i台火电机组的发电功率，/>表示t-1时刻第i台火电机组的发电功率；UR表示火电机组负荷变化速率的上限；DR表示火电机组负荷变化速率的下限；/>表示第i台火电机组的额定功率，k2表示预设的百分数值。
可选地，所述飞轮系统荷电状态约束的函数公式为：
其中，表示飞轮系统荷电状态下限；/>表示飞轮系统荷电状态上限；CS表示飞轮系统最大荷电量；/>表示飞轮系统初始状态荷电量；/>表示飞轮系统t时刻的瞬时功率。
可选地，所述火储联合优化控制模型包括一次调频性能指标目标函数和碳排放目标函数；
所述一次调频性能指标目标函数的函数公式为：
其中，Z1表示一次调频性能指标的目标值，max()表示求最大值函数，Qpfc表示飞轮系统储能-火电机组混合发电在T时段的一次调频指标的值，αi表示第i台火电机组在供电过程m1秒时出力响应系数，N表示火电机组的数量，表示t时刻第i台火电机组的发电功率，/>表示初始时刻第i台火电机组的发电功率，βi表示第i台火电机组在供电过程m2秒时出力响应系数，γi表示第i台火电机组在供电过程m3秒时出力响应系数，m1、m2和m3均为预设的常数值，T表示调频动作开始至调频动作结束的时间。
可选地，所述碳排放目标函数的函数公式为：
其中，Z2表示碳排放的目标值，min()表示求最小值函数，E表示飞轮系统储能-火电机组混合发电在T时段的二氧化碳排放总量；δi表示第i台火电机组供电过程的二氧化碳排放系数，N表示火电机组的数量，表示t时刻第i台火电机组的发电功率。
可选地，所述电网一次调频仿真模型包括飞轮系统、负荷分配器、火电机组控制器、火电单元机组和调速器；
所述负荷分配器的输出端分别与所述火电机组控制器的输入端和所述飞轮系统的输入端连接，所述火电机组控制器的输出端与所述火电单元机组的输入端连接，所述飞轮系统的输出端和所述火电单元机组的输出端均与所述调速器的输入端连接，所述调速器的输出端与所述负荷分配器的输入端连接。
第二方面，本发明提供一种计及碳排放的火储联合优化控制系统，包括：
模型建立模块，用于建立飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型；
数据获取模块，用于基于所述电网一次调频仿真模型，确定火电机组的输出频率、火电机组的发电功率和飞轮系统的瞬时功率；
约束建立模块，用于根据所述火电机组的输出频率，建立系统频率约束；根据所述火电机组的发电功率，建立机组负荷变化速率约束；根据所述飞轮系统的瞬时功率，建立飞轮系统荷电状态约束；
优化模型构建模块，用于基于所述系统频率约束、所述机组负荷变化速率约束和所述飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型；
模型求解模块，用于采用多目标优化算法，对所述火储联合优化控制模型求解，以得到火储联合优化输出结果；所述火储联合优化输出结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行计及碳排放的火储联合优化控制方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种计及碳排放的火储联合优化控制方法、系统及设备，基于建立的飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型，建立系统频率约束、机组负荷变化速率约束和飞轮系统荷电状态约束，然后以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型。采用多目标优化算法对火储联合优化控制模型求解，得到火储联合优化输出结果，该结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。本发明针对飞轮-火电联合发电系统一次调频进行优化研究，建立多目标优化模型并求解，减轻此时机组的负担，减少机组负荷的频繁小幅度调节，从而实现既完成一次调频任务，满足网侧性能指标要求，同时节能降碳，获得碳收益的优化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明计及碳排放的火储联合优化控制方法的结构示意图；
图2为本发明电网一次调频仿真模型的结构示意图；
图3为本发明计及碳排放的火储联合优化控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明根据火电机组负荷率与效率的对应关系，利用飞轮储能系统的效率高、响应快、充放电次数多、寿命长等特点，基于飞轮-火电联合发电场景，针对响应一次调频指令的负荷分配控制器，建立多目标优化模型并进行求解，以达到在满足调频需求的同时实现最低单位发电碳排放量的目标。即本发明可用于针对飞轮储能-火电机组混合发电系统调频优化，在提高机组调频性能、保证网频稳定的同时，降低机组碳排放量，提高碳排放收益。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种计及碳排放的火储联合优化控制方法，包括：
步骤100，建立飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型。具体地，通过对飞轮系统和火电机组的机理的学习和分析，建立电网一次调频仿真模型，使其能够准确地反映飞轮和火电机组在响应一次调频指令时的响应性能。如图2所示，所述电网一次调频仿真模型包括飞轮系统、负荷分配器、火电机组控制器、火电单元机组和调速器。
所述负荷分配器的输出端分别与所述火电机组控制器的输入端和所述飞轮系统的输入端连接，所述火电机组控制器(对应图2中的控制器)的输出端与所述火电单元机组的输入端连接，所述飞轮系统的输出端和所述火电单元机组(对应图2中的单元机组)的输出端均与所述调速器的输入端连接，所述调速器的输出端与所述负荷分配器的输入端连接。其中，在所述火电单元机组输出过程中，会受到单元机组内部扰动；在所述火电单元机组的输出与所述飞轮系统的输出进行乘积之后，会受到外部负荷扰动。
步骤200，基于所述电网一次调频仿真模型，确定火电机组的输出频率、火电机组的发电功率和飞轮系统的瞬时功率。
飞轮系统储能-火电机组混合发电中主要控制目标为克服网频偏差调节过程中的一系列性能指标，同时综合考虑火电机组速率及上下限、飞轮系统SOC、系统频率约束等问题，针对关键指标进行分析，建立多目标优化模型。
步骤300，根据所述火电机组的输出频率，建立系统频率约束；根据所述火电机组的发电功率，建立机组负荷变化速率约束；根据所述飞轮系统的瞬时功率，建立飞轮系统荷电状态约束。
其中，所述系统频率约束的函数公式为：
其中，fi(t)表示t时刻第i台火电机组的输出频率；表示第i台火电机组的初始输出频率，k1表示预设的常数值，k1＝0.033。
所述机组负荷变化速率约束的函数公式为：
其中，表示t时刻第i台火电机组的发电功率，/>表示t-1时刻第i台火电机组的发电功率；UR表示火电机组负荷变化速率的上限；DR表示火电机组负荷变化速率的下限；/>表示第i台火电机组的额定功率，k2表示预设的百分数值，k2＝30％。
所述飞轮系统荷电状态约束的函数公式为：
其中，表示飞轮系统荷电状态下限；/>表示飞轮系统荷电状态上限；CS表示飞轮系统最大荷电量；/>表示飞轮系统初始状态荷电量；/>表示飞轮系统t时刻的瞬时功率。
步骤400，基于所述系统频率约束、所述机组负荷变化速率约束和所述飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型。
所述火储联合优化控制模型包括一次调频性能指标目标函数和碳排放目标函数；所述一次调频性能指标目标函数的函数公式为：
其中，Z1表示一次调频性能指标的目标值，max()表示求最大值函数，Qpfc表示飞轮系统储能-火电机组混合发电在T时段的一次调频指标的值，αi表示第i台火电机组在供电过程m1秒时出力响应系数，N表示火电机组的数量，表示t时刻第i台火电机组的发电功率，/>表示初始时刻第i台火电机组的发电功率，βi表示第i台火电机组在供电过程m2秒时出力响应系数，γi表示第i台火电机组在供电过程m3秒时出力响应系数，m1、m2和m3均为预设的常数值；在一个具体实施例中，m1＝15、m2＝30和m3＝45，T表示调频动作开始至调频动作结束的时间。
本发明考虑了尽可能多的降低飞轮储能-火电联合系统所产生的碳排放量，假设火电机组使用的煤种固定(即元素碳含量固定)，火电机组发电所产生的碳排放量与供电煤耗成正比关系，如果通过合理手段有效降低供电煤耗，即可实现碳排放量的降低。
所述碳排放目标函数的函数公式为：
其中，Z2表示碳排放的目标值，min()表示求最小值函数，E表示飞轮系统储能-火电机组混合发电在T时段的二氧化碳排放总量；δi表示第i台火电机组供电过程的二氧化碳排放系数，N表示火电机组的数量，表示t时刻第i台火电机组的发电功率。
步骤500，采用多目标优化算法，对所述火储联合优化控制模型求解，以得到火储联合优化输出结果；所述火储联合优化输出结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。
一般来说，在满足约束条件的情况下，需要尽可能多的使用飞轮储能系统进行一次调频控制，以减少火电机组因偏离额定工作点而效率降低造成供电煤耗的增多，导致碳排放量增加的情况。
在一个具体实施例中，火储联合优化输出结果作为火电机组和飞轮储能系统负荷分配控制器的输出，其输出的分配值，一方面作用到火电机组的控制器，即火电机组控制器，控制器依据电网一次调频仿真模型内设置的相关参数，控制单元机组的功率输出，以维持频率稳定，即机组频差为0；另一方面，飞轮系统接收到负荷分配器的分配输出，立刻做出响应，利用飞轮储能系统的快速性、瞬时功率高等特点，短时间内输出较高的功率，使网频迅速恢复，减轻火电机组的调频负担。
与此同时，利用飞轮储能系统机械效率高的特点，建立有关飞轮储能的电网调控策略：在火电机组运行在效率高的工作点时，飞轮系统切换为充电模式，当火电机组效率降低时，飞轮系统使用之前存储的能量输出电能，达到降低火电机组能耗的目的。
综上，本发明设计出飞轮储能-火电机组负荷分配协调优化控制器作用于系统，从而实现飞轮火电混合发电系统的一次调频优化控制效果。通过飞轮-火电协调控制，实现飞轮储能与火电机组输出功率的协调配合，改善系统的频率响应性能的同时，提高火电机组的效率，降低供电煤耗，实现碳排放量的降低。
实施例二
如图3所示，为了实现实施例一中的技术方案，以达到相应的功能和技术效果，本实施例提供了一种计及碳排放的火储联合优化控制系统包括：
模型建立模块101，用于建立飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型。
数据获取模块201，用于基于所述电网一次调频仿真模型，确定火电机组的输出频率、火电机组的发电功率和飞轮系统的瞬时功率。
约束建立模块301，用于根据所述火电机组的输出频率，建立系统频率约束；根据所述火电机组的发电功率，建立机组负荷变化速率约束；根据所述飞轮系统的瞬时功率，建立飞轮系统荷电状态约束。
优化模型构建模块401，用于基于所述系统频率约束、所述机组负荷变化速率约束和所述飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型。
模型求解模块501，用于采用多目标优化算法，对所述火储联合优化控制模型求解，以得到火储联合优化输出结果；所述火储联合优化输出结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。
实施例三
本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的计及碳排放的火储联合优化控制方法。
可选地，上述电子设备可以是服务器。
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的计及碳排放的火储联合优化控制方法。
相对于现有技术，本发明还具有如下优点：
(1)本发明在飞轮储能结合火电进行一次调频的基础上，进一步分析加入飞轮系统对机组能耗的影响，并利用飞轮储能的特点对机组能耗进行优化，以实现节能减排的目的。
(2)本发明多目标优化算法解决负荷分配问题，兼顾一次调频指标和碳排放量，比较符合工程实际。
(3)本发明提高了火电机组的负荷和频率响应速度，对网频调节具有较强的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，方法包括：
建立飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型；
基于所述电网一次调频仿真模型，确定火电机组的输出频率、火电机组的发电功率和飞轮系统的瞬时功率；
根据所述火电机组的输出频率，建立系统频率约束；根据所述火电机组的发电功率，建立机组负荷变化速率约束；根据所述飞轮系统的瞬时功率，建立飞轮系统荷电状态约束；
基于所述系统频率约束、所述机组负荷变化速率约束和所述飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型；
采用多目标优化算法，对所述火储联合优化控制模型求解，以得到火储联合优化输出结果；所述火储联合优化输出结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。
2.根据权利要求1所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，所述系统频率约束的函数公式为：
其中，fi(t)表示t时刻第i台火电机组的输出频率；表示第i台火电机组的初始输出频率，k1表示预设的常数值。
3.根据权利要求1所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，所述机组负荷变化速率约束的函数公式为：
其中，表示t时刻第i台火电机组的发电功率，/>表示t-1时刻第i台火电机组的发电功率；UR表示火电机组负荷变化速率的上限；DR表示火电机组负荷变化速率的下限；/>表示第i台火电机组的额定功率，k2表示预设的百分数值。
4.根据权利要求1所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，所述飞轮系统荷电状态约束的函数公式为：
其中，表示飞轮系统荷电状态下限；/>表示飞轮系统荷电状态上限；CS表示飞轮系统最大荷电量；/>表示飞轮系统初始状态荷电量；/>表示飞轮系统t时刻的瞬时功率。
5.根据权利要求1所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，所述火储联合优化控制模型包括一次调频性能指标目标函数和碳排放目标函数；
所述一次调频性能指标目标函数的函数公式为：
其中，Z1表示一次调频性能指标的目标值，max()表示求最大值函数，Qpfc表示飞轮系统储能-火电机组混合发电在T时段的一次调频指标的值，αi表示第i台火电机组在供电过程m1秒时出力响应系数，N表示火电机组的数量，表示t时刻第i台火电机组的发电功率，/>表示初始时刻第i台火电机组的发电功率，βi表示第i台火电机组在供电过程m2秒时出力响应系数，γi表示第i台火电机组在供电过程m3秒时出力响应系数，m1、m2和m3均为预设的常数值，T表示调频动作开始至调频动作结束的时间。
6.根据权利要求5所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，所述碳排放目标函数的函数公式为：
其中，Z2表示碳排放的目标值，min()表示求最小值函数，E表示飞轮系统储能-火电机组混合发电在T时段的二氧化碳排放总量；δi表示第i台火电机组供电过程的二氧化碳排放系数，N表示火电机组的数量，表示t时刻第i台火电机组的发电功率。
7.根据权利要求1所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法，其特征在于，所述电网一次调频仿真模型包括飞轮系统、负荷分配器、火电机组控制器、火电单元机组和调速器；
所述负荷分配器的输出端分别与所述火电机组控制器的输入端和所述飞轮系统的输入端连接，所述火电机组控制器的输出端与所述火电单元机组的输入端连接，所述飞轮系统的输出端和所述火电单元机组的输出端均与所述调速器的输入端连接，所述调速器的输出端与所述负荷分配器的输入端连接。
8.一种计及碳排放的火储联合优化控制系统，其特征在于，系统包括：
模型建立模块，用于建立飞轮系统储能-火电机组混合发电的电网一次调频仿真模型；
数据获取模块，用于基于所述电网一次调频仿真模型，确定火电机组的输出频率、火电机组的发电功率和飞轮系统的瞬时功率；
约束建立模块，用于根据所述火电机组的输出频率，建立系统频率约束；根据所述火电机组的发电功率，建立机组负荷变化速率约束；根据所述飞轮系统的瞬时功率，建立飞轮系统荷电状态约束；
优化模型构建模块，用于基于所述系统频率约束、所述机组负荷变化速率约束和所述飞轮系统荷电状态约束，以一次调频性能指标值最大和碳排放量最小为目标，建立火储联合优化控制模型；
模型求解模块，用于采用多目标优化算法，对所述火储联合优化控制模型求解，以得到火储联合优化输出结果；所述火储联合优化输出结果表征对于飞轮系统和火电机组的负荷分配。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求1至7任一项所述的计及碳排放的火储联合优化控制方法。
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