基于ACE的电制热储热与热电机组的分区协调控制方法

基于ace的电制热储热与热电机组的分区协调控制方法
技术领域
1.本发明属于电力系统控制领域，尤其涉及一种基于ace的电制热储热与热电机组的分区协调控制方法。


背景技术：

2.如今，世界各国都面临着不可再生能源的不断消耗以及环境污染不断加剧的问题。积极开发新能源使之逐渐替代传统能源成为了当今世界的热门话题。当前，我国风电，光伏累计装机容量分别达到了2.81亿kw和2.53亿kw。截止到去年12月底，风电新增装机7167万千瓦，同比增长178.4％，光伏新增装机4820 万千瓦，同比增长60.1％。
3.然而，随着新能源发电的占比越来越大，风光的不确定性的问题逐渐突出起来。由于光伏，风电受光照和风能等环境因素的影响非常大，因此导致了光伏，风力发电的出力不确定性以及不可控性。气象环境的改变以及用电负荷的不断变化都会造成风电，光电的弃用。如何解决严重的弃风弃光问题，促进可再生能源的消纳是当今面临的一个严峻问题。随着电池技术的不断发展，将储能设备应用到新能源发电中，在一定程度上能够更加高效的利用清洁能源，减少弃风弃光问题。由于电池等其它储能设备具有控制灵活，响应速度快等优点，这使得储能设备的加入还能够在负荷不断变化的情况下起到一定的调节作用。如果在发电机组与储能设备之间构建更加灵活，更加精准的控制机制，则对于电网的安全运行，支撑外送通道具有非常深远的意义。开展电制热，储热，释热方面的研究有利于清洁能源的消纳，这也是电力系统运行中值得探索的重要环节。
4.如何充分利用电制热，储热的优势让其大规模的运用到各地电力系统当中是有待解决的问题。近年来，随着东北地区风电的大规模发展，弃风现象在这一地区也尤为突出。发展风电是我国能源发展的重大战略，但面对当前弃风问题，将严重影响到风电产业的发展。随着北方冬季的到来，许许多多的燃煤机组也将启动开展供暖服务。研究表明，弃风电量与北方供暖在地域、时间上高度吻合。尤其在东北地区，供暖期弃风占比高达85％。对于冬季较高的弃风率以及燃煤机组启动带来的环境污染问题，采用燃煤机组热电联供的方式，用电制热来取代一部分燃煤制热是一种很好的解决方式。在风电，光伏发电富裕的时候以储热的方式储存多余的能量。在燃煤机组出力不足或者负荷变化时以释热等方式提供电能。采用这种方法能够很好的解决新能源消纳问题以及协助电力系统调频的问题。因此现在有必要对电制热，储热，释热与热电机组之间协调控制技术进行深入研究。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术问题，本发明提供一种基于ace的电制热、储热、释热与热电机组的分区协调控制方法。通过建立基于ace信号的电制热储热和热电机组的控制模型，然后在此基础上提出了一种ace信号分区方法，当控制系统反馈ace信号时与阈值进行对比，确定此时所处调节区域，然后根据不同区域制定了电制热储热系统与热电机组的协调运行方法，对于控制死区引入了控制中心进行决断。最后在simulink中搭建仿真模型，验证了
ace信号分区的协调控制方法的有效性。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明一种基于ace的电制热储热与热电机组的分区协调控制方法，搭建基于ace信号的电制热储热和热电机组的控制模型，然后在该控制模型基础上对ace信号进行分区，分别为正常调节区、紧急调节区和两个调节死区，对不同调节控制区分别设置不同的阈值；在ace分区的基础上构建调控方法：根据反馈的ace信号与阈值相对比，确定所处的调节控制区，处于正常调节区和紧急调节区时，由电制热储热系统与热电机组调控，处于两个调节死区时，由控制中心调控电制热储热系统与热电机组。
8.进一步地，所述搭建基于ace信号的控制模型为：
9.步骤1.1：首先构造电制热、储热系统和热电机组的近似传递函数：：
[0010][0011]
其中，t
t
为电制热储热系统调速器的延迟时间常数，f
hp
为再热器增益，t
rh
为再热器的延迟时间常数，t
ch
是汽轮机延迟时间常数，tg是调速器的延迟时间常数；
[0012]
步骤1.2：构建热电机组参与一次调频的输出功率
△
p1，参与二次调频的输出功率
△
p2和电制热储热设备二次调频的输出功率
△
p
t
的关系式：
[0013][0014]
其中γ为电制热储热系统的二次调频参与度，1-γ为热电机组的二次调频参与度，δ是频率偏差参数，k为传统电源参与电网一次调频时的单位功率调节系数,k
p
为pi控制器的比例参数，ki为pi控制器的积分参数；
[0015]
步骤1.3：根据热电机组和电制热储热系统传递函数及其参与调频的输出关系式得到电制热储热系统频率偏差：
[0016][0017]
其中m是系统转动惯量，d是阻尼系数，
△
pg是热电机组出力，
△
pb电制热储热系统出力，
△
p
l
是负荷扰动功率；
[0018]
步骤1.4：计算电制热储热系统频率偏差对负载扰动的变化率：
[0019][0020]
其中：k
p
ki/s为pi控制器的传递函数；
[0021]
步骤1.5：确定基于区域控制误差的电制热储热辅助的热电机组二次调频灵敏度系数：
[0022][0023]
进一步地，所述对ace信号进行分区的方法为：
[0024]
步骤2.1：当电制热储热加入到电力系统辅助参与调频时，根据频率偏差信号(ace)来进行调节，根据ace值的不同，将调节区分为四个区域，分别为调节死区0，正常调节区1，紧急调节区2，调节死区3；
[0025]
步骤2.2：在每个区域之间设置不同的阈值：调节区0和调节区1之间的阈值设为ace1，调节区1和调节区2之间的阈值设为ace2，调节区2和调节区3之间的阈值设为ace3。
[0026]
进一步地，所述在ace分区的基础上构建的调控方法为：
[0027]
当ace1《|ace|《ace2时，此时控制系统处于正常调节区1区，根据反馈的区域控制偏差ace信号，若ace的值为负，由电制热储热设备吸收多余的功率，进行储能；若ace信号值为正，则电制热储热系统输出功率，在热电机组不足以单独完成调频任务的时候，由电制热储热系统辅助参与电网调频；当热电机组出力逐渐增加后，电制热储热系统随之逐渐减小系统发出功率。
[0028]
进一步地，当ace2《|ace|《ace3时，此时控制系统处于紧急调节区2区，表示电网出现严重的频率偏差；若ace的值为负，则表示电制热储热系统以最大功率吸收热电机组的功率，电制热储热系统满载运行全力参与电网的调频；若 ace信号值为正，电制热储热系统以最大发出功率运行，确保电网频率能够快速恢复。
[0029]
进一步地，当|ace|《ace1时，此时控制系统处于调节死区0区，热电机组和电制热储热系统都不会根据反馈的ace信号进行调节；由控制中心控制热电机组或者电制热储热系统进行微调。
[0030]
进一步地，当ace3《|ace|时，此时控制系统处于调节死区3区，热电机组和电制热储热系统都不会根据反馈的ace信号进行调节,由控制中心控制热电机组和电制热储热设备都以最大出力方式运行；若根据控制偏差信号反馈电网频率还未恢复，则由控制中心控制采用切负荷的方式，使电网频率恢复正常。
[0031]
本发明的有益效果为：
[0032]
本发明基于ace的电制热储热与热电机组的分区协调控制的方法，可以使电制热储热设备很好的热电机组协同作用。当负荷不断变化时，ace分区控制策略能够使系统输出功率满足实时变化的负荷对功率的需求。仿真结果表明，本文所提出的ace分区方法具有准确跟踪负荷扰动，响应速度快的特点。当电网频率出现大的波动时，可以很好的改善调频效果。
附图说明
[0033]
图1为本发明基于ace信号的电制热储热和热电机组的控制框图。
[0034]
图2为本发明引入控制中心参与下的基于ace信号的电制热储热和热电机组的控制框图。
[0035]
图3为本发明基于ace的分区示意图。
[0036]
图4为本发明基于ace的电制热、储热、释热与热电机组的分区协调控制策略图。
[0037]
图5基于ace分区控制策略的系统仿真输出图。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本发明附图和实施例中，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。
[0039]
实施例：本发明一种基于ace的电制热储热与热电机组的分区协调控制方法，搭建基于ace信号的电制热储热和热电机组的控制模型，然后在该控制模型基础上对ace信号进行分区，分别为正常调节区、紧急调节区和两个调节死区，对不同调节控制区分别设置不同的阈值；在ace分区的基础上构建调控方法：根据反馈的ace信号与阈值相对比，确定所处的调节控制区，处于正常调节区和紧急调节区时，由电制热储热系统与热电机组调控，处于两个调节死区时，由控制中心调控电制热储热系统与热电机组。
[0040]
具体为：
[0041]
步骤1：所述构建基于ace信号的控制模型的方法为：
[0042]
步骤1.1：首先构造电制热、储热系统和热电机组的传递函数，其近似可表示为：
[0043][0044]
其中，t
t
为电制热储热系统调速器的延迟时间常数，f
hp
为再热器增益，t
rh
为再热器的延迟时间常数，t
ch
是汽轮机延迟时间常数，tg是调速器的延迟时间常数；
[0045]
步骤1.2：结合热电机组，电制热储热系统的输出以及电力系统一次调频和二次调平的相关参数，构建火电机组参与一次调频的输出功率
△
p1，参与二次调频的输出功率
△
p2和电制热储热设备二次调频的输出功率
△
p
t
的关系式：
[0046][0047]
其中γ电制热储热系统的二次调频参与度，1-γ为热电机组的二次调频参与度，δ是频率偏差参数，k为传统电源参与电网一次调频时的单位功率调节系数,k
p
为pi控制器的比例参数，ki为pi控制器的积分参数；
[0048]
步骤1.3：根据热电机组和电制热储热系统传递函数及其参与调频的输出关系式得到电制热储热系统频率偏差：
[0049][0050]
其中m是系统转动惯量，d是阻尼系数，
△
pg是热电机组出力，
△
pb电制热储热系统出力，
△
p
l
是负荷扰动功率；
[0051]
步骤1.4：计算电制热储热系统频率偏差对负载扰动的变化率：
[0052][0053]
步骤1.5：确定基于区域控制误差的电制热储热辅助的火电机组二次调频灵敏度系数：
[0054][0055]
为此得到图1所示的基于ace信号的电制热储热和热电机组的控制框图。当负荷变化负荷扰动功率
△
p
l
导致频率偏差
△
f，控制系统采集频率偏差
△
f信号，由热电机组构成一次调频，输出
△
p1。二次调频回路中，频率偏差
△
f根据频率偏差参数δ生成ace信号，热电机组经pi控制器控制，输出
△
p2。电制热储热系统基于二次调频参与度γ，快速分配，输出
△
p
t
。其具体控制方式是：当此系统面对负荷变化或扰动时，对系统区域控制偏差，直接在热电机组和电制热储热系统的出力进行分配。其中g
t
和gg分别为电制热储热系统和热电机组的近似传递函数，k
p
ki/s为pi控制器的传递函数。
[0056]
步骤2：所述对ace信号进行分区的方法为：
[0057]
步骤2.1：当电制热储热加入到电力系统辅助参与调频时，根据频率偏差信号(ace)来进行调节，根据ace值的不同，将调节区分为四个区域，分别为调节死区0，正常调节区1，紧急调节区2，调节死区3，如图3所示；
[0058]
步骤2.2：在每个区域之间设置不同的阈值：调节区0和调节区1之间的阈值设为ace1，调节区1和调节区2之间的阈值设为ace2，调节区2和调节区3之间的阈值设为ace3。
[0059]
如图4所示，所述在ace分区的基础上构建的调控方法为：
[0060]
当ace1《|ace|《ace2时，此时控制系统处于正常调节区1区，根据反馈的区域控制偏差ace信号，若ace的值为负，则电制热储热设备此时被作为可控负荷。在热电机组满足用户负荷的情况下，由电制热储热设备来吸收多余的功率，进行储能，避免出现大量的弃能现象。若ace信号值为正，则电制热储热系统输出功率，在热电机组不足以单独完成调频任务的时候，由电制热储热系统输出一定功率辅助参与电网调频。当热电机组出力逐渐增加后，电制热储热系统随之逐渐减小系统发出功率。
[0061]
当ace2《|ace|《ace3时，此时控制系统处于紧急调节区2区，表示电网出现严重的频率偏差，此调节区主要应对需要快速进行调频操作。在此于紧急调节区内，若ace的值为负，电制热储热系统以最大功率吸收热电机组的功率，电制热储热系统满载运行尽全力参与电网的调频；若ace信号值为正，电制热储热系统以最大发出功率运行，确保电网频率能够快速恢复；
[0062]
当|ace|《ace1时，由于ace信号值太小，此时控制系统处于调节死区0区，热电机组和电制热储热系统都不会根据反馈的ace信号进行调节；为了解决死区问题，引入控制中心参与，由控制中心切断一次调频和二次调频回路，此时热电机组和电制热储热系统直接接受控制中心的调控。控制中心优先控制电制热储热系统动作来恢复频率偏差。若出现电制
热储热系统自身储热不足，不能够参与调节的特殊情况，则控制中心控制热电机组增加或减小出力来进行调控。
[0063]
当ace3《|ace|时，由于ace信号值太大，此时控制系统处于调节死区3 区，热电机组和电制热储热系统都不会根据反馈的ace信号进行调节。和ace 信号过小时一致，引入控制中心参与，由控制中心由控制中心下指令让热电机组和电制热储热设备都以最大出力方式运行。若根据控制偏差信号反馈电网频率还未恢复，则由控制中心决断，采用切负荷的方式，使电网频率恢复正常。将本发明控制方法在simulink仿真环境下进行仿真验证，如图5所示：
[0064]
在simulink仿真环境下进行仿真验证：根据步骤1所述的控制模型，将基于ace信号的电制热储热与热电机组分区协调控制的方法在simulink中进行仿真验证。如表1仿真参数表。
[0065]
表1仿真参数表
[0066][0067]
根据实验结果可以看出，本发明基于ace的电制热储热与热电机组的分区协调控制的方法，可以使电制热储热设备很好的热电机组协同作用。当负荷不断变化时，ace分区控制策略能够使系统输出功率满足实时变化的负荷对功率的需求。
[0068]
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。