一种光热发电参与电网一次调频的装置及控制系统和方法与流程

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种光热发电参与电网一次调频的装置及控制系统和方法。

背景技术：

随着国民经济以及科技的快速发展，电网负荷的急剧增大，特别是非线性以及冲击性的大负荷不断增长，使电网频率降低，电压闪变、波动和三相不平衡等质量问题日益突出，严重影响到供电质量。而另一方面，特高压输电及太阳能、风电等新能源的快速发展，也使得区域电网也越来越复杂，电网电压、频率等技术指标的稳定对于电网安全而言也越来越重要。

电网实际运行过程中，当电力系统中原动机输出功与用电负荷失衡时，即可引起电网频率的周期性波动，该波动会造成电网的不稳定，波动幅度过大时会严重危害国民经济和电力系统运行，这种频率的扰动主要依靠汽轮机组本身的调节系统对主汽阀进行调节完成电网负荷补偿，修正电网频率的波动，该过程即为一次调频过程。一次调频的性能指标直接影响原动机的并网调频能力，该能力直接影响电网的运行状况。实际过程中，由于设备本身以及运行工况的原因，机组的一次调频能力往往受到很大影响，比如，一次调频响应时间过长，逻辑组态中投入范围不合理，一次调频与自动发电控制调节相互影响等问题。因此，如何改善机组一次调频性能进而提高电网安全性是亟需解决的问题。

光热发电系统是指将太阳能转化为热能，然后再通过热功转换设备将热能转化为电能的系统，热力学过程与传统的火力发电过程相同，都是采用rankine循环进行能量转换，区别就在于两者的热源不同，光热发电常采用导热油作为中间工质，部分带蓄热环节的光热系统使用熔融盐进行储热，将太阳能传递给rankine循环，而传统火电机组热能来源于煤炭或者天然气等化石能源的燃烧放热。聚光型太阳能光热发电系统大致分为塔式太阳能集热发电系统、碟式太阳能集热发电系统和槽式太阳能集热发电系统。其中槽式太阳能集热系统因参数低，风险小等特点应用最为广泛，其几何聚光比在10～100之间，传热介质温度在400℃左右。

因为槽式太阳能集热发电系统的中间介质管道很长，当处在加热状态时，其中工质处在“热品质”较高位置，这部分高温工质有很大的蓄热能力，甚至有部分太阳能热电系统为了克服间歇性天气原因带来的不便，设置有储热系统或者辅助热源系统，以实现全天候连续供电，同时降低发电成本，因此这部分蓄热有很强的利用空间。因此当电网负荷变化导致频率波动时，如能及时投入或者撤出该部分热能能够一定程度上改善发电系统的一次调频能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种光热发电参与电网一次调频的装置及控制系统和方法；该系统通过在现有的热力电网中增加光热发电系统，同时通过建立控制模型和执行模型，使光热发电系统能够较好的响应电网负荷变化时引起的频率波动，进而使整个电网运行在一个安全稳定的条件下。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种光热发电参与电网一次调频的装置，包括：槽式太阳能集热器、中间换热器和储热罐，槽式太阳能集热器的输出端分别和中间换热器的输入端及储热罐的输入端连接；中间换热器的导热油输出端连接有增压泵，增压泵的输出端和槽式太阳能集热器的输入端连接；槽式太阳能集热器和中间换热器之间设置有第一调节阀，储热罐和中间换热器之间设置有第二调节阀；

中间换热器属于电网发电系统，导热油在槽式太阳能集热器内被加热后，进入中间换热器和电网发电系统的循环水进行热交换，将循环水加热成为蒸汽，用于电网发电系统发电。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述电网发电系统还包括透平，中间换热器的蒸汽输出端和透平连接，透平的乏汽输出端连接至回热器，回热器的乏汽输出端连接至冷凝器，冷凝器的输出端连接至加压泵，加压泵的输出端和回热器的循环水输入端连接，回热器的循环水输出端和中间换热器的循环水输入端连接；透平的动力输出端连接至发电机。

一种用于控制上述的光热发电参与电网一次调频的装置的系统，包括计算模型单元和执行机构模型单元；

所述计算模型单元，用于将发电系统中发电机的输出功率pt和电网负荷指令信号ps做对比，根据对比结果计算出第一调节阀的阀位控制信号cv1和第二调节阀的阀位控制信号cv2；

所述执行机构模型单元，用于根据第一调节阀和第二调节阀的各自阀位指令调节各自的阀门开度。

优选的，计算模型单元包括第一惯性环节模块、第一pid控制器模块、第一功率限幅环节模块、第二惯性环节模块、调速死区模块、调速不等率模块、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块、第四求和模块、第二pid控制器模块、第二功率限幅环节模块，增益系数模块；

第二惯性环节模块的输出端和调速死区模块连接、调速死区模块的输出端和调速不等率模块连接、调速不等率模块的输出端和第一求和模块连接，第一求和模块的输出端分为三个支路，第一支路连接至第三求和模块，第二支路连接至增益系数模块，第三支路连接至第二求和模块；

第一惯性环节模块的输出端和第三求和模块连接，第三求和模块的输出端分为两个支路，第四支路连接至第二求和模块，第五支路连接至第一pid控制器模块；第一pid控制器模块的输出端和第一功率限幅环节模块连接，第一功率限幅环节模块的输出端和第四求和模块连接，第四求和模块的输出端输出阀位控制信号cv1；

第一求和模块的第二支路连接至增益系数模块，增益系数模块连接至第四求和模块；

第二求和模块有两个输入端，分别和第一求和模块及第三求和模块连接，第二求和模块的输出端连接至第二pid控制器模块，第二pid控制器模块连接至第二功率限幅环节模块，第二功率限幅环节模块输出阀位控制信号cv2。

优选的，执行机构包括第五求和模块、比例积分pi模块、限幅模块、油动机开启一阶惯性模块、油动机关闭一阶惯性模块和油动机行程限制模块；

阀位控制信号cv1/cv2和阀门开度信号gv1/gv2输入至第五求和模块，第五求和模块的输出端和比例积分pi模块连接，比例积分pi模块的输出端和限幅模块连接，限幅模块的输出端和油动机开启一阶惯性环节模块或油动机关闭一阶惯性环节模块连接，油动机开启一阶惯性模块或油动机关闭一阶惯性模块的输出端和油动机行程限制模块连接，油动机行程限制模块输出第一调节阀或第二调节阀的开度调整值；

其中，阀门控制信号cv1和阀门开度信号gv1匹配，阀门控制信号cv2和阀门开度信号cv2匹配。

一种光热发电参与电网一次调频的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据发电机旋转角速度的变化量δω、发电机输出功率pt和电网负荷指令ps计算出第一调节阀的阀位控制信号cv1和第二调节阀的阀位控制信号cv2；

步骤2，根据阀位控制信号cv1和阀位控制信号cv2，输出第一调节阀的开度信号gv1和第二调节阀的开度信号gv2，新的阀门开度信号gv1/gv2通过油动机控制第一调节阀或第二调节阀的开度

优选的，步骤1的具体过程为：旋转角速度变化量δω处理信号误差后，转变为转速不等功率信号，该信号和电网负荷指令信号ps进行求差运算后得到频差—功率指令信号；频差—功率指令信号分为三个支路，分别为第一支路、第二支路和第三支路；

第二支路中，频差—功率指令信号经过增益系数k放大后转换成一次调频-阀位增量指令信号；

发电机输出功率pt通过处理信号误差后和第一支路输出的频差—功率信号做差运算得到需要功率输出信号δp，需要功率输出信号δp分为两个支路，分别为第四支路和第五支路；

第三支路的频差—功率指令信号和第四支路的需要功率输出信号δp求和得到实际负荷指令信号，该信号经过信号放大和限幅作用后，输出第二调节阀的阀位控制信号cv2；

第五支路的需要功率输出信号δp经过信号放大和限幅作用后和得到初始阀位控制信号，再与一次调频—阀位增量指令信号叠加求和，输出第一调节阀的阀位控制信号cv1。

优选的，步骤2的具体过程为：阀位控制信号cv1/cv2与反馈环节的阀门开度信号gv1/gv2在比较后得到新的阀位调节指令信号，该信号经过稳定性和精度调整及限幅作用后，经过惯性处理，缓慢输出过程阀门开度信号，过程阀门开度信号经过行程限制后，输出新的阀门开度信号gv1/gv2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种光热发电参与电网一次调频的装置，该装置通过在已有发电系统的电网中汇入光热发电装置，同时加入储热罐和调节阀，使得光热发电装置中储存的热量能够根据负荷进入发电系统的电网中；当光热发电发出的热量大于需要调节的负荷时，通过调节阀的调节，使得多余的热量进入储热罐储存，当负荷增大时，通过调节阀的调节，能够将大量的热量输入至中间换热器中，增加中间换热器的蒸汽输出量，提高发电系统的发电量，以满足负荷需求；该装置能够通过调节阀门的开度，灵活调节从光热发电装置输出的热量；调节过程节能环保，及时性好。

本发明还公开了一种光热发电参与电网一次调频的控制系统和控制方法，该控制系统和控制方法通过一系列惯性环节模块、pid控制器模块、功率限幅环节模块等，提高一次调频调节速率，使机组能够通过控制调节阀门，进而控制导热油与循环水换热量大小快速响应功率和电网负荷之间的变化，避免了机组由于自身负荷波动方向与一次调频动作方向不同而对机组一次调频实际响应幅值的衰减，从而快速的稳定电网频率，保证电网稳定安全的运行。

【附图说明】

图1为本发明的光热发电系统的结构流程图；

图2为本发明的光热发电系统的计算模型单元图；

图3为本发明的光热发电系统的执行机构模型单元图。

其中：1-槽式太阳能集热器；2-中间换热器；3-第一调节阀；4-储热罐；5-增压泵；6-透平；7-发电机；8-回热器；9-冷凝器；10-加压泵；11-第二调节阀。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体过程对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明公开了一种光热发电参与电网一次调频的装置及控制系统和方法；该系统将光热发电系统并入现有的电网中；该系统包括槽式太阳能集热器1、中间换热器2、第一调节阀3、储热罐4、增压泵5、透平6、发电机7、回热器8、冷凝器9、加压泵10和第二调节阀11。

参见图1，槽式太阳能集热器1的输出端和中间换热器2的导热油输入端连接，中间换热器2的导热油输出端连接有增压泵5，增压泵5的输出端连接至槽式太阳能集热器1的输入端。槽式太阳能集热器1的输出端同时并联连接至储热罐4，储热罐4的输出端通向中间换热器2的导热油输入端。

参见图1，中间换热器2的一个蒸汽输出端连接至透平6的输入端，透平6的乏汽输出端连接至回热器8的乏汽输入端，回热器8的乏汽输出端连接至冷凝器9的输入端，冷凝器9的输出端连接至加压泵10，加压泵10的输出端连接至回热器8的循环水输入端，回热器8的循环水输出端连接至中间换热器2的循环水输入端；透平6的动力输出端连接至发电机7。

工作过程为：

槽式太阳能集热器1中通过槽式集热板曲面的聚光性能将太阳能聚焦到集热管上，加热管中的中间换热工质，根据负荷指令计算机组所需输出功，再得到需要与rankine循环进行换热的导热油的量，导热油分为两部分，一部分进入中间换热器2中与rankine循环的循环水进行热交换中，另一部分通过第一调节阀3进入储热罐4中进行储存，待需要时将第二调节阀11开启，储热罐4中的储存有能量的导热油进入中间换热器2与rankine循环的循环水进行热交换。在中间换热器2中，高温的导热油与循环水以逆流的形式进行换热，在换热器中高温导热油把热量传递给循环水，使循环水加热成高温蒸汽，高温导热油与循环水完成换热后转变为温度较低的导热油，在循环泵5的加压作用下，形成高压导热油以克服管道的阻力重新进入槽式太阳能集热器中，自此完成导热油在太阳能集热器1和换热器2中的循环。另一方面，循环水被导热油加热后成为高温蒸汽，高温蒸汽进入透平6中膨胀做功，带动发电机7将机械能转化为电能，高温蒸汽在透平6中经膨胀做工后成为乏汽，膨胀后的乏汽经回热器8回收部分余热，然后在冷凝器9中进行冷凝并凝结为液态循环水，液态循环水经加压泵10作用进入回热器8中回收乏汽的部分余热，再进入中间换热器2中吸热形成高温蒸汽，依次循环。

通过该系统调节发电系统发电能力的策略如下：当负荷指令小于该系统的输出功时，需将第一调节阀3和第二调节阀11的开度关小，使过余的导热油进入储热罐4进行存储，换热冷却后的导热油经加压泵5，回到原循环中。当电网负荷指令大于该系统的输出功时，同时增大第一调节阀3和第二调节阀11的开度，使得在储热罐4中多余的导热油进入到中间换热器2中增大导热油与循环水的换热量，增大系统的输出功，满足功率和负荷之间的平衡。电网负荷波动时，在计算模型单元作用下，输出指令讯号，再由执行机构将该信号放大，转化为调节阀的机械动作，调节调节阀第一调节阀3和第二调节阀11的开度，将储热罐4或者是管道中的热量及时投入或者撤出，并传递给下游循环，以及时匹配负荷指令，从而使电网的运行趋于稳定，以提高该系统参与电网一次调频能力。

参见图2和图3，该系统的通过控制系统进行调节阀开度的调节，包括计算模型单元和执行机构模型单元。

参见图2，计算模型单元包括第一惯性环节模块、第一pid控制器模块、第一功率限幅环节模块、第二惯性环节模块、调速死区模块、调速不等率模块、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块、第四求和模块、第二pid控制器模块、第二功率限幅环节模块，增益系数模块；第二惯性环节模块的输出端和调速死区模块连接，调速死区模块的输出端和调速不等率模块连接、调速不等率模块的输出端和第一求和模块连接，第一求和模块的输出端分为三个支路，第一支路连接至第三求和模块，第二支路连接至增益系数模块，第三支路连接至第二求和模块。

第一惯性环节模块的输出端和第三求和模块连接，第三求和模块的输入端同时和第一支路连接，第三求和模块的输出端分为两个支路，第四支路连接至第二求和模块，第五支路连接至第一pid控制器模块；第一pid控制器模块连接至第一功率限幅环节模块，第一功率限幅环节连接至第四求和模块；第四求和模块的输出端输出第一阀门3的阀位控制信号cv1。

第一求和模块的第二支路连接至增益系数模块，增益系数模块连接至第四求和模块。

第二求和模块有两个输入端，分别连接至第一求和模块和第三求和模块，第二求和模块的输出端连接至第二pid控制器模块，第二pid控制器模块连接至第二功率限幅环节模块，第二功率限幅环节模块输出阀位控制信号cv2。

上述连接关系的控制方法为，计算模型单元根据一次调频的要求，在发电机输出功率pt和电网中的用电负荷失衡时，发电机旋转角速度会发生变化，旋转角速度变化量为δω，该信号经过第二惯性环节模块后延缓地输出旋转角速度的变化量，经过调速死区模块处理信号误差，当输入的δω误差小于调速死区的设定变化量误差宽度时输出为0，转速差信号δω将不会跳出调速死区，此时旋转角速度与额定旋转角速度近似相等，不需要δω参与电网一次调频的调节；当δω误差大于调速死区的设定宽度时，旋转角速度变化量δω从调速死区模块跳出，δω在调速不等率模块作用下转化成转速不等率功率信号，并输入至第一求和模块中。机组调速器模型参数，一般采用设计值或者调试整定值，其中调速不等率δ一般取4％-5％；转速不等率功率信号和电网负荷指令信号ps通过第一求和模块进行求差运算后得到频差—功率指令信号，转速偏差信号δω作为机组的一次调频信号对电网负荷指令信号ps进行修正；该信号分为三个支路，即上述的第一支路、第二支路和第三支路，第一支路通向第一调节阀3的控制路径、第二支路通向增益系数模块、第三支路通向第二调节阀11的控制路径；其中第二支路中，频差—功率指令信号经过增益系数模块中的增益系数k放大后转换成一次调频—阀位增量指令信号。

参见图2，发电机输出功率pt通过第一惯性环节模块延缓的反输出pt的输入变化，与第一支路输出的频差—功率信号在第三求和模块做差运算得到需要功率输出信号δp，信号δp分为两个支路，第五支路通向第一调节阀3的控制路径，第四支路的信号第二调节阀11的控制路径。第五支路中在通向第一调节阀3的路径中，δp信号经过第一pid控制器模块和第一功率限幅环节模块的作用得到cv1初始阀位控制指令信号，再与增益系数模块输出的一次调频—阀位增量指令信号在第四求和模块中叠加求和，形成阀位控制信号cv1，即第一控制阀3的阀位控制指令。第一pid控制器模块能对δp信号具有放大作用，提高对δp信号的控制精度，除此外能根据δp的偏差变化趋势进行“超前调节”，使整个控制系统的动态特性大大改善。第一功率限幅模块作用将限制功率需求信号δp在功率限幅模块的上限和下限范围内，当信号δp超过功率限幅模块上限和下限时，分别按照限幅模块的上限和下限输出功率信号，若在范围内时，直接输出功率需求信号δp，不会对其产生调节作用。

同理，在第二调节阀11的第四支路中，δp与调速不等率转换后的频差—功率指令信号在第二求模块求和得到实际负荷指令信号，该信号经第二pid控制器模块后转换成第二调节阀11的目标阀位指令信号，调节阀的指令信号经限幅模块的作用，当阀位指令信号超过限幅模块的上限和下限时，分别按照限幅模块的上限和下限输出，若没有超出限幅模块的上下限时正常输出阀位指令信号。最终输出控制阀11的阀位控制信号cv2。

pid控制器模块兼有比例、积分、微分三种控制规律的特点，采用pid控制器模块除了可提高阀位指令信号稳态精度外，还由于增加了微分的控制作用，控制器输出能根据偏差的变趋势进行“超前”调节，在动态特性上大大改善。

执行机构模型单元包括第五求和模块、比例积分pi模块、限幅模块、油动机开启一阶惯性模块、油动机关闭一阶惯性模块及油动机行程限制模块。两个阀位控制信号cv1和cv2各自有独自的执行机构模型单元，两个执行机构模型单元的模块组成、连接关系及执行方法相同，因此此处阐述一个执行机构模型单元，统一用阀位控制信号cv说明，代表cv1或cv2。

参见图3，为执行系统的示意图，其输入指令为阀位控制信号cv，输出为阀门开度信号gv，输入的阀位控制信号cv和阀门开度信号gv比较后，比较结果经比例积分pi模块、限幅环节、油动机开启一阶惯性模块或油动机关闭一阶惯性模块及油动机行程限制环节调节。阀门开度由线性可变差动变送器(lvdt)反馈，lvdt可用一阶惯性描述，tc、to分别表示油动机关闭和开启时间常数一般为不同值，作用是缓慢的输出阀门开度信号gv的变化规律。

每一个执行机构模型单元中的第五求和模块的输出端连接至比例积分pi模块、比例积分pi模块的输出端连接至限幅模块、限幅模块的输出端连接至油动机开启一阶惯性模块或油动机关闭一阶惯性模块、油动机开启一阶惯性模块或油动机关闭一阶惯性模块的输出端连接至油动机行程限制模块。

阀位控制信号cv与反馈环节的阀门开度信号gv在第五求和模块比较后得到最新的阀位调节指令信号，该信号经比例积分pi模块增加阀位指令信号的稳定性，提高对阀位指令信号的调节精度后输出至限幅模块，限幅模块主要用于限制阀位指令信号从该模块输出的上限和下限，经比较后的阀位指令信号超过或低于阀位指令信号的上限和下限时，分别按照阀位指令信号的上限和下限输出，若阀位指令信号在限幅模块上限和下限以内则不发生变化，依旧输出原阀位指令；经过稳定和限幅后的阀位调节指令信号，cv和经反馈环节的gv信号比较后选择调节阀的开大或关小。当阀位指令信号要求较大的阀门开度时，阀位指令开度信号经pi环节和限幅环节后，pi具有模块增加阀位指令信号的稳定性和调节精度的作用，限幅模块将限制阀门指令信号从该模块输出的上限和下限的范围，若在范围内则正常输出最新的阀位指令调节信号，进入油动机开启一阶惯性环节模块，缓慢输出更大开度的调节阀位指令信号；在油动机行程限制模块控制其行程的上限和下限，起安全保护的作用，此时，由于输入油动机行程限制模块的是更大开度的阀位指令信号，当阀门开度信号超过其油动机行程限制模块的上限或下限时，油动机只能按照其行程的上限或下限调节阀门开度，没有超出时正常输出，得出新的阀门开度信号gv，同时开大第一调节阀3和第二调节阀11的开度；同理，在阀位控制信号cv和阀门开度信号gv比较后，若阀位指令信号要求较小的阀门开度信号时，阀位指令信号进入油动机关闭一阶惯性环节、油动机行程限定模块，限制油动机的行程在上下限范围内，最后得出新的阀门开度信号gv，新的阀门开度信号gv通过各自的油动机控制第一调节阀(3)或第二调节阀(11)的开度，关小第一调节阀3和第二调节阀11的开度。

gv1和gv2的调节阀开度信号共同协同调节导热油的流量，当电网负荷比发电机输出功率大时，同时开大第一调节阀3和第二调节阀11的开度，增大导热油和循环水在中间换热器的换热量，增大发电机输出功；当电网负荷比发电机输出功小时，同时关小导热油第一调节阀3和第二调节阀11的开度，多余的导热油将进入储热罐中进行储存，在中间换热器2中的换热量也减小，从而减小发电机的输出功。通过系统控制模型和执行机构模型单元完成光热发电系统一次调频过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。