基于提升自动发电控制性能指标的飞轮储能系统调频控制策略研究.pdf
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1、basedon imprIhermalPowerGeneration,52(9):112-120.XWEI Bo,LUO Zhiwei,XIAO Feng,et al.Flywheulation control strategyenergsLora2023,52(9):112-120.引用本文格式魏波,罗志炜,肖峰,等基于提升自动发电控制性能指标的飞轮储能系统调频控制策略研究 热力发电,Sep.2023THERMALPOWEHGENERATION2023年9 月No.9Vol.52第9 期第52 卷热力发电DOI:10.19666/j.rlfd.202305098基于提升自动发电控制性能指标的
2、飞轮储能系统调频控制策略研究魏波1,罗志炜1,肖峰1,禹梅1,梁璐1,丁浩天,洪烽1(1.华北电力大学控制与计算机工程学院,北京102206;2.国家电网山东省电力公司电力科学研究院,山东济南250000)摘要飞轮储能系统耦合火电机组参与调频能够有效提高自动发电控制调频性能,解决火电机组跟踪二次调频指令时响应时间长、爬坡速率慢、调节精度低等问题,获取调频辅助收益。考虑西北电网“两个细则”对自动发电控制爬坡性能的要求,提出一种适用于工程实践的飞轮储能系统控制策略,保留飞轮电量的同时提高联合系统参与自动发电控制调频的性能指标。将此策略在实际工程中开展验证,结果表明:所提策略下火-储联合调频系统参与
3、自动发电控制调频性能得到提升,电厂经济效益得到明显提升,控制策略的成功应用对飞轮储能系统联合火电机组参与自动发电控制调频的工程实践具有重要现实意义。【关关键词飞轮储能;火电机组;自动发电控制;调频控制Flywheel energy storage system frequency regulation control strategy based onimprovingAGCperformanceindexWEI Bo,LUO Zhiweil,XIAO Feng,YU Meil,LIANG Lu,DING Haotian,HONG Fengl(1.School of Control and C
4、omputer Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.State Grid Shandong Electric Power Company Research Institute of Electric Power,Jinan 250000,China)Abstract:The coupling of thermal units with flywheel energy storage system can effectively improve the frequencyregulati
5、on performance of AGC,solve the problems of long response time,slow climbing rate and low regulationaccuracy of thermal units when tracking AGC commands,and obtain the auxiliary revenue of frequency regulation.This paper proposes a flywheel energy storage system control strategy for engineering prac
6、tice,taking into accountthe requirements of the two rules of the Northwest Power Grid on AGC climbing performance,to improve theperformance index of the combined system participating in AGC frequency regulation while preserving flywheelpower.The results show that the proposed strategy improves the p
7、erformance of the combined thermal power unitsand storage systems in AGC,and the economic efficiency of the power plant is significantly improved.Key words:flywheel energy storage;thermal power units;AGC;frequency control“十四五”可再生能源发展规划针对发电目标提出,2 0 2 5年可再生能源年发电量达到3.3 万亿kWh左右,“十四五”期间,可再生能源发电量增量在全社会用电量
8、增量中的占比超过50%1。电网系统中可再生能源的装机容量到一定规模时,其功率输出的间歇性及随机性会导致系统出力与负荷之间的动态不平衡,引起系统频率偏差 2-4。自动发电控制(AGC)是指发电机组在规定的出收稿日期:2 0 2 3-0 5-3 1基金项目:国家电网有限公司总部管理科技项目(52 0 6 0 0 2 1N00P)Supported by:Headquarters Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(52060021N00P)第一作者简介:魏波(198 7),男,博士,副教授,主要研究方向
9、为分布式控制与决策,群体智能理论及应用,新能源电力系统,。通信作者简介:禹梅(197 5),女,博士,副教授,主要研究方向为新能源并网建模及分析,多智能体系统,网络控制系统,。http:/113魏第9 期波等基于提升自动发电控制性能指标的飞轮储能系统调频控制策略研究力调整范围内,按照一定调节速率实时调整有功功率跟踪调度指令,以满足电网系统供需功率平衡 5。大比例可再生能源并网对作为调频主力的传统燃煤机组提出了更高的AGC性能要求,调度中心下发的AGC指令日益复杂 6 ,如何提高电网内参与AGC调频机组的运行性能是关系到配电网能源节能、网络运行效率的关键 7 。火电机组受安全运行的局限性影响以及
10、设备磨损等,存在响应时滞长、机组爬坡速率低等问题,往往不能快速跟踪AGC指令 8-10 ,耦合其他辅助设备参与调频可以有效解决这一问题。飞轮储能作为一种高能效、瞬时功率强、维护成本低、寿命长且环保的机械类储能技术 11-13 ,具备响应速度快、跟随负荷变化精准等优点,相较于火电机组有着较快的功率调节速度 14。其通过物理方法进行储能,飞轮储能内部通过电动/发电互逆式双向电机与飞轮进行耦合。充电时,利用电能驱动飞轮高速旋转,将电能转换为机械能存储起来;放电时,通过飞轮惯性拖动电机发电,将储存的机械能转变为电能 15。得益于电力电子技术的发展,飞轮储能的功率输出控制变得更加精准,因此可以精确有效地
11、平抑不可预测的功率波动 16-19,适合辅助机组参与调频任务。飞轮储能群组参与电网调频的项目已在多地建成并进行工程示范 2 0-2 2 。相较于火电机组响应AGC信号的滞后性,飞轮储能可以在数毫秒内快速响应功率指令,火电机组配备飞轮储能可以提升自身的响应特性,提高机组调节性能。隋云任等 2 3 通过建立并分析飞轮储能和燃煤机组仿真模型,验证了飞轮储能辅助燃煤机组可以提高调频质量,减少负荷出现扰动时对机组的影响,维持锅炉蒸汽压力的稳定。王军等 2 4 使用MATLAB建模仿真了10 MW飞轮储能参与3 2 0 MW供热机组调频过程,结果显示飞轮储能的参与可以提高机组运行灵活性、稳定性以及安全性。
12、储能设备辅助机组调频时的功率控制问题是当前研究的一大热点。丁冬等 2 5 提出了一种基于模糊控制策略的电池储能系统辅助AGC调频方法,通过区域控制偏差的变化来计算电池储能系统的输出功率,通过电池储能功率的输出以改善火电机组的调频性能。于昌海等 2 6 考虑了储能系统的容量限制以及自身特性,提出储能系统配合常规机组调频使用优先调用的方式以降低慢速常规发电机组的调节动作。胡泽春等 2 7 基于离散傅里叶算法将AGC调频信号分为高频和低频2 种,提出考虑AGC调频信号频次下的2 种飞轮储能参与调频控制策略,通过仿真研究了不同策略的适用环境以及各自优劣。Xie等人 2 8 利用电池储能辅助火电机组提升
13、AGC调频性能,并在石景山火电机组进行应用,将火电机组调频性能综合性能指标由3.7 7 提升到4.6 8。上述研究从仿真方面验证了飞轮储能系统辅助火电机组参与调频可以有效提高火电机组调频性能。相较于电池储能,飞轮储能辅助火电机组参与AGC调频还未得到实际应用,因此一些研究提出的飞轮辅助参与AGC调频的控制策略没有考虑到储能系统在实际运行时面临的问题:1)飞轮储能作为功率型储能设备,其自身储电量相较于AGC指令调节时所需电量较小,以AGC指令与机组偏差作为飞轮储能的功率指令,飞轮储能全程参与调节会导致飞轮储能偏离最优运行电量区域;2)上述控制策略并没有考虑机组响应AGC时的考核细则,未能充分考虑
14、电厂运行经济效益且并未在工程实践中加以应用。本文基于西北区域发电厂并网“两个细则”,结合飞轮储能系统的功率型储能特性,提出一种飞轮储能分段参与辅助火电机组AGC调节的控制方法;基于考核指标以及机组实时状态,飞轮储能分阶段辅助机组参与AGC调频;在此控制策略下,飞轮储能自适应辅助机组响应AGC调频过程,有限电量下最大化提升AGC调频的考核指标;并通过电厂工程实例验证其合理性及可行性,为飞轮储能辅助火电机组参与AGC调频控制方法提供参考。1火-储联合AGC调频系统1.1联合调频控制系统火电机组-飞轮储能联合调频系统如图1所示。联合调频系统由火电机组、飞轮储能、远程测控终端以及火电机组侧DCS和飞轮
15、能量管理系统组成。火电机组为亚临界、一次中间再热直接空冷凝汽式机组,额定功率为6 0 0 MW。飞轮储能系统额定容量为2 2 MW/4.5MWh,由3 6 台飞轮单体组成。飞轮单体额定功率为6 3 0 kW,储电量为12 5kWh。飞轮储能系统以电缆形式接入10 kV厂用段。飞轮系统充电时,厂用段电压经过储能干式变压器转化为6 6 0 V,再由飞轮储能配备的网侧变流器将交流电转化为直流电,随后由机侧变流器将直流电转化为3 8 0 V的交流电驱动电机加速旋转。飞轮储能放电时,飞轮转子转速下降,动能转化为电能释放回厂用段。http:/2023年114热力发电电网系统调度中心高压厂变用变压器器10k
16、V厂用母线飞轮储能远程测控终端功率机储总功率AGC指令升压机组DCS变压器机组实时出力AGC指令功率控制信号PCS飞轮机组蓝测能量管理系统机组实时出力机侧变流器图1火电机组-飞轮储能联合系统示意Fig.1 Schematic diagram of combined thermal power unit-flywheel energy storage system联合调频系统控制方式如下:火电机组侧DCS检测到AGC指令变化后,改变机组负荷目标,机组出力向设定负荷目标变化。储能能量管理系统根据AGC指令以及机组实时出力来决定飞轮储能系统输出的功率大小。具体过程为:AGC指令下发给机组侧DCS和储
17、能能量管理系统,储能侧根据从机组侧传来的机组实时出力以及电网下发的AGC指令,在储能能量管理系统计算后将得到的功率指令作为飞轮储能的总功率指令,将总功率指令等比例分发至每个飞轮单体,群组内飞轮充放电状态保持一致。飞轮储能系统依照储能能量管理系统下发的总功率指令进行输出,火电机组输出功率和飞轮储能功率叠加后传输至远程测控终端。联合调频系统中,飞轮储能系统响应指令速度快。相较于机组的功率输出特性,飞轮储能可以在收到指令后迅速改变自身功率输出,因此飞轮储能辅助火电机组进行AGC调频可以弥补机组本身响应输出特性的不足,进而提升调频能力,改善调频效果。1.2AGC性能考核指标根据西北电网“两个细则”,机
18、组参与AGC调频爬坡性能考核涉及指标分别是调节速率(ki)、响应时间(k)、调节精度(ks)以及综合爬坡性能指标(K,)。1.2.1调节速率k调节速率ki=AGC实际速率/标准调节速率。其中实际速率计算如式(1)所示:选取负荷变化至AGC负荷指令目标变化幅度10%和90%的2 个负荷点M10%与M90%,其连线斜率的绝对值即为实际速率。直吹式制粉系统的汽包炉火电机组标准调节速率为每分钟机组装机容量的1.5%。M0%-M 10%100%(1)T0%-T10%M10%=Pa+(PAcc-P)10%(2)M0%=P+(PAcc-P)90%(3)式中:Po为AGC指令变化时机组初始出力值,机组出力值等
19、于M10%与M90%的时间分别记作T10%与To0%;PA G C为AGC指令变化后的值;D为AGC实际速率。1.2.2响应时间k2响应时间指AGC单元响应AGC控制指令的时间延迟。响应时间指标k2=1-(A G C 单元响应延迟时间/5min)。机组响应AGC指令动作指的是机组出力变化幅度超过稳态偏差允许范围。火电机组偏差允许范围为装机容量的士0.5%。1.2.3调节精度k3调节精度指机组响应AGC指令的精度,指AGC单元机组响应AGC控制指令的精准度。调节精度指标k3=1-(A G C单元调节误差/AGC单元调节允许误差)。AGC单元调节误差指AGC单元响即对应统计周期内的综合爬坡性能指标
20、。时期内 AGC单元综合爬坡性能指标的算术平均数指令的综合性能表现,计算公式如式(4)所示。不同综合爬坡性能指标指AGC单元响应AGC控制115魏第9 期波等基于提升自动发电控制性能指标的飞轮储能系统调频控制策略研究应AGC控制指令后实际出力值与控制指令值的偏差量。AGC单元调节允许误差为其额定出力1.5%。1.2.4综合爬坡性能指标KpK,=0.2(3k+k,+k,)(4)2基于提升AGC性能考核的控制策略工程应用中大多以火电机组实际功率与AGC功率指令偏差作为飞轮储能功率指令,控制策略中难以表现单个AGC功率指令变化后火电机组的跟踪过程,没有与AGC性能指标相结合。本文以AGC功率指令变化
21、作为飞轮储能动作标志,将火电机组跟踪AGC功率指令变化过程拆解为多个AGC功率指令下火电机组跟踪过程。根据考核指标将飞轮储能辅助火电机组跟踪单个AGC功率指令过程分为响应阶段、爬坡阶段以及维持阶段。每个阶段都有单独的触发条件以及结束条件,并且根据实时火电机组以及飞轮储能相关信息计算出对应阶段飞轮储能的输出功率指令。AGC指令发生变化后,3 个阶段按条件依次触发计算飞轮储能功率指令。飞轮储能辅助机组控制策略如图2 所示。响应阶段快速响应,满足死区IPredlP-(P-P.)PAGc=P.PPAacP。ref-P-(P-P.)爬坡阶段提前响应,缩短时间PrerlPAGCstablePmaxPrer
22、=Moo-PrefM0%维持阶段适时补偿,减少偏差Prel0P-PPPPAGCPPAGCAGCstablesrefP-PAPAoe+PablePrer飞轮储能功率指令;P*火电机组允许稳态偏差;N机储联合功率;P火电机组实际功率;Pstable火电机组调节允许误差。图2 飞轮储能辅助机组调频控制策略示意Fig.2 Schematic diagram of frequency control strategy of flywheel energy storage auxiliary unit2.1响应阶段响应阶段作为AGC指令变化后飞轮储能首先进入的阶段,对应考核指标中的响应时间(k),该阶段下
23、飞轮储能需要快速响应AGC指令变化。大容量的火电机组采用单元制运行方式:1台汽轮发电机组和1台锅炉组成相对独立的系统。在响应外部负荷变化时,系统不但要保障负荷平衡要求,同样要维持内部参数稳定。火电机组在进行AGC调频中通过协调控制系统(CCS)使机组能够快速安全地响应外界负荷变化。系统在接到负荷变化请求,对锅炉侧燃烧率进行控制,进而改变机组出力的变化,其过程中有较大的延迟和惯性。飞轮储能系统对接收到的功率指令可以完成毫秒级响应,通过控制飞轮快速响应AGC指令的变化可以有效提升机组参与AGC调频下的响应时间指标。响应阶段将AGC指令变化作为飞轮储能系统的动作开始标志。AGC指令变化后,飞轮储能快
24、速响应AGC指令变化,提供快速功率支撑,使得火-储联合调频系统出力变化幅度快速超过稳态偏差允许范围。随着机组调整自身出力,机组出力变化后,飞轮储能功率指令不断减少直至为0,飞轮储能退出响应阶段,保持电量。响应阶段飞轮储能输出功率指令为:P*-(P-P)PAacPPefPier=-P-(P-P)PAGcP(5)AAAMAAAN20233年116热力发电2.2爬坡阶段联合系统出力到达实际速率计算终点并维持联合出力不变的阶段记作爬坡阶段,爬坡阶段对应考核指标中的调节速率(ki),调节速率主要受限于机组本身的爬坡速率。燃煤机组的爬坡速度一般低于燃气发电组和燃油发电组。对于一些燃煤机组,其炉内燃烧稳定性
25、差,需在调峰过程中缓慢调整炉内热量,不适合快速加煤,机组爬坡速率低。计算机组实时出力与AGC指令的偏差大小,将该偏差与飞轮储能系统的实时最大充放电功率比较。当飞轮储能系统的可充放电功率能够弥补指令偏差时(M90%-PPAcCPaPPAGC(7)P-PAcc+Patrefstable式中:Pstable为火电机组调节允许误差。3控制策略运行效果验证3.1控制策略验证某西北电厂火电机组额定功率为6 0 0 MW,飞轮储能额定功率为2 2 MW。控制策略按照西北电网的两个细则设计参数,将控制策略下装至飞轮储能能量管理系统,火-储联合系统投入AGC调频模式跟踪电网系统下发的AGC指令。图3 为电厂实际
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