一种火电储能联合调频磨损的量化方法

本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种火电储能联合调频磨损的量化方法。

背景技术：

新能源机组的大规模接入给电力系统带来较大的消纳压力，新能源的出力具有波动性与随机性，容易引发电网的频率稳定问题。目前，我国的调频机组仍旧为火电机组，受到其响应偏差大、响应时间长的固有特性限制，调频性能不够理想。为了应对这一挑战，储能系统被广泛用于改善电网的电能质量。但由于储能造价成本高，其经济性难以衡量。绝大多数研究从储能系统入手，通过减少储能寿命的衰减以提升储能电站的经济性，却忽略了储能电站在降低火电机组自身调频机构磨损方面的重要作用。

由于调频过程中调速系统需要不断动作来响应外部负荷的频繁变化，长期的调频动作会对火电机组的油动机以及调节汽门造成严重磨损，从而造成元件损坏引发非计划停机。因此，为了储能电站更好地推广使用，保障电力系统的安全稳定运行，迫切需要一种从火电机组自身调频机构出发，量化火电机组元件由于调频产生磨损的方法，进而实现联合调频经济效益的量化。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种火电储能联合调频磨损的量化方法，旨在解决当储能电站辅助火电机组进行调频时火电机组自身磨损降低的经济性难以衡量的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种火电储能联合调频磨损的量化方法，包括：

构建火电机组-储能联合调频模型,用于在外部负荷实时功率输入下联合调整系统实时输出功率；基于量化时段内的实际负荷数据进行仿真，将模型中的油动机传递函数输出量在待量化时段内积分，计算得到该时段对应的调频过程中油动机活塞与缸壁之间的磨损行程；

采用已建立的磨损行程和材料损耗体积之间的关系，计算该调频过程中油动机缸壁造成的材料损耗体积，并结合长期磨损区域表面积得到该调频过程中摩擦导致的缸壁内直径增加量；求解该增加量与表征油动机机缸报废的内缸壁直径阈值的比值，作为经过该调频行为后油动机机缸的损耗系数，将该损耗系数与各调频机构元件成本进行乘积运算，实现各调频机构元件磨损的量化。

进一步，通过archard磨损模型建立所述磨损行程和材料损耗体积之间的关系，则材料损耗体积式中，k表示摩擦系数，物理意义为单位负荷作用下滑动单位距离所引起的体积磨损；n为摩擦物体所受到的法向载荷；l为磨损行程；h为材料硬度。

进一步，所述直径增加量表示为：式中，v为材料损耗体积，s为长期磨损区域表面积。

进一步，所述火电机组-储能联合调频模型进行联合调整系统实时输出功率的具体方式为：

当储能电站调频仿真模型的功率发出时为正、吸收时为负，与火电机组调频仿真模型发出的功率进行加和，作为联合调频模型的实时输出功率；该输出功率与外部输入的负荷实时功率求差，作为系统实时功率缺额；该实时功率缺额经过发电机转子传递函数得到系统频率波动量；该波动量经过数据传输通道合成系统出力变化量的指令，通过联合调频仿真模型对火电机组和储能电站进行出力变化量的分配，改变系统的实时输出功率，实现联合系统实时输出功率的调节；其中，所述储能电站调频仿真模型通过采用编程方式模拟储能电站控制策略建模得到。

进一步，所述乘积运算包括：

将所述损耗系数与油动机机缸更换成本求解乘积，作为待量化时段内的调频行为后油动机损耗成本。

进一步，所述乘积运算还包括：

通过油动机损耗系数来间接衡量汽门阀杆的机械损耗，获得汽门阀杆的磨损成本cfg，表示为：

式中，cfgt表示汽门阀杆的总成本，ηfgoil表示火电厂更换汽门阀杆和油动机的平均个数比，d表示所述直径增加量，dthreshold表示所述表征油动机机缸报废的内缸壁直径阈值。

本发明还提供一种火电储能联合调频磨损的量化设备，包括处理器和存储器，所述存储器包含计算机可读指令，所述计算机可读指令在由所述处理器执行时使所述量化设备执行如上所述的一种火电储能联合调频磨损的量化方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上所述的一种火电储能联合调频磨损的量化方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)储能电站辅助火电机组调频能够极大的改善系统电能质量，但由于储能造价成本高、使用寿命有限，联合调频的经济效益难以衡量，阻碍了火电机组运营商对储能的投资。当前研究主要集中在如何降低储能设备的寿命损耗，却忽视了火电机组调频元件在动作过程中也会产生相应的磨损，储能电站的辅助作用可以一定程度降低火电机组自身的磨损成本。从火电机组自身元件入手，将储能装置降低的火电机组磨损成本进行量化，为储能电站的成本回收提供了新思路，使联合调频的经济性得以体现，有利于引导储能电站的推广使用，保障电力系统的安全稳定运行。

(2)长期的调频动作使火电机组调频元件老化从而产生元件更换成本，当前研究缺乏将调频动作与元件老化程度的关联研究。将仿真得到的油动机磨损行程结合archard磨损模型计算磨损体积进而求得缸壁内径增加量后除以内径增加阈值，可以实现对火电机组调频元件磨损程度的量化，并将此量化量记为损耗系数，即元件使用寿命的损失程度。当损耗系数达到100％时元件需要进行更换从而造成更换成本，因此将损耗系数乘以元件的更换成本可以作为火电机组调频过程中的磨损成本。

(3)对建立的联合调频仿真模型中油动机的输出量进行积分可以得到油动机油缸内壁和活塞的磨损行程，如何将磨损行程转化为元件磨损程度是磨损量化的关键。通过借助摩擦学中经典的archard磨损模型，可以在已知磨损行程的情况下，结合金属材料其他已知参数求得磨损体积，进而对磨损程度进行量化。这种跨学科的创新可以实现对火电机组元件的磨损成本清晰的量化计算。

(4)汽门阀杆的动作依靠油动机活塞的上下位移带动，因此阀杆与油动机的磨损老化程度存在关联性。通过定义比例系数ηfgoil表征火电厂更换汽门阀杆和油动机的平均个数比，将此系数乘以油动机的损耗系数，即可得到汽门阀杆的损耗系数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种火电储能联合调频磨损的量化方法框图；

图2为本发明实施例提供的汽轮机传递函数图；

图3是本发明实施例提供的联合调频思路示意图；

图4是本发明实施例提供的联合调频仿真模型控制框图；

图5是本发明实施例提供的火电机组调频机构结构图；

图6是本发明实施例提供的一种能油动机的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的通过仿真获得的实时频率图；

图8是本发明实施例提供的通过仿真获得的油动机磨损行程图；

图9是本发明实施例提供的通过仿真获得的油动机磨损成本图；

图10是本发明实施例提供的通过仿真获得的汽门磨损成本图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种火电储能联合调频磨损的量化方法，如图1所示，包括：

构建火电机组-储能联合调频模型,用于在外部负荷实时功率输入下联合调整系统实时输出功率；基于量化时段内的实际负荷数据进行仿真，将模型中的油动机传递函数输出量在待量化时段内积分，计算得到该时段对应的调频过程中油动机活塞与缸壁之间的磨损行程；

采用已建立的磨损行程和材料损耗体积之间的关系，计算该调频过程中油动机缸壁造成的材料损耗体积，并结合长期磨损区域表面积得到该调频过程中摩擦导致的缸壁内直径增加量；

求解该增加量与表征油动机机缸报废的内缸壁直径阈值的比值，作为经过该调频行为后油动机机缸的损耗系数，将该损耗系数与各调频机构元件成本进行乘积运算，实现各调频机构元件磨损的量化。

其中，在火电机组调频仿真模型基础上添加储能电站调频仿真模型，构成火电机组-储能联合调频模型，用于在外部负荷实时功率输入下联合调整系统实时输出功率，具体的：

(1)关于火电机组的建模，采用传统模型，如下：

力矩马达是一个电气-机械转换器，外部电压信号ug经过放大器产生差动控制电流δi，从而输出电磁力矩td，使衔铁产生偏转。力矩马达电路的基本电压方程如下式所示。

式中，ku表示伺服放大器的增益，ug表示伺服放大器的输入电压信号，rc表示线圈的电阻，rp表示线圈回路中放大器的内阻，kb表示线圈反动电动势常数，lc表示线圈的自感系数，δi表示输入力矩马达的控制电流，θ表示衔铁的转角。

根据力矩马达中存在的力矩平衡关系对力矩马达的电压方程进行简化变形，引入由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比，以及忽略力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态，可以得到伺服阀以ug(s)为输入、以阀芯位移xv(s)为输出的传递函数。通常情况下伺服阀二阶环节的固有频率ωmf很高，阻尼很小，则其传递函数可简化为一阶惯性，设ty是伺服阀时间常数，无量纲化后伺服阀的传递函数可以写为：

油动机的进油量可以用其体积变化描述，如下式所示。

其中，μ为油口的流量系数，xv为滑阀的阀芯位移，b为油口的宽度，ρ为压力油的密度，p0为伺服阀的进油压力，pd为伺服阀的出油压力。a为进油侧活塞有效面积，z为油动机活塞行程变化量。

通过对上式进行拉普拉斯变换，并引入油动机的时间常数tc，意义为油动机活塞在最大进油量条件的行程时间，得到油动机模型的传递函数为：

功率比较大、蒸汽参数比较高的汽轮机，由于容积比较大，储存在蒸汽容积中的蒸汽质量比较大，容积效应的影响显著。因此汽轮机应分为蒸汽容积和转子两个环节进行建模。

首先分析蒸汽容积的动态过程。qm1为通过节流阀的蒸汽流量，qm1的大小决定于调节汽阀开度sz；qm2是流入汽轮机的蒸汽流量，qm2取决于调节级的压力p1，而压力变化取决于容积内积存工质的多少。

(qm2-qm1)dt＝vdρ

根据调节汽阀的特性和汽轮机的流量特性对上式进行变形，并用小偏差线性化的方法将其转化为一个近似的线性方程。将方程中的各个变量用额定值的百分比表示并进行化简，可以得到输入量为高压调阀开度，输出为容积的压力，中间在热机组喷嘴室进汽容积方程为：

式中，trh为再热器容积的时间常数。

以上为蒸汽容积的动态过程分析，接下来进行转子方程的分析。转子的功率平衡方程为：

对转子运动方程进行小偏差线性化，省略高阶项并进行一系列化简后，可将转子的运动方程变形为如下形式：

α1χp1(s)+α2χp2(s)-χl(s)-βχn(s)＝tasχn(s)

式中，α1为高压缸所占的功率比，α2为中、低压缸所占的功率比，χp1为喷嘴室容积中压力的相对变化量，χp2为中间再热容积中压力的相对变化量。ta称为转子的飞升时间常数，对于发电机用汽轮机ta＝6～15s。β称为自平衡系数，是一无量纲量，表示与附加损耗有关的系数，一般为0.03～0.05，χl(s)为负荷扰动相对变化量，χn(s)表示转速相对变化量。

通过以上分析，即可搭建出火电机组调频的仿真模型。

(2)关于储能部分的建模，优选的，根据实际研究的火电厂配置的储能装置所采取的控制策略进行的建模，是用编程的方式模拟控制策略进行建模。

通过编程对现场运行中的储能控制策略进行仿真，并将参数设置为可以手动调节。如图4所示，储能电站辅助调频时相当于一个功率源，当储能电站的功率发出时为正，吸收时为负，与两台火电机组发出的功率进行加和即为系统的输出功率。系统的输出功率与外部负荷的实时功率进行求差可得系统实时的功率缺额。实时功率缺额经过发电机和负荷的调频模型可得系统频率的波动量。系统频率的波动量经过数据传输通道合成系统出力变化量的指令，通过控制策略对火电机组和储能电站进行分配，以改变此时系统的输出功率。整体的建模思路如图3所示，按照以上思路，本实施例搭建了储能电站和火电机组联合调频的仿真模型。其中，图2为汽轮机传递函数图，汽轮机为图4中的从汽门压力到发电机和负荷调频模型(即发电机转子传递函数)部分。图2中，χsz表示调节阀位移相对变化量；t0称为容积时间常数，表示进汽容积效应对进汽的影响；α1为高压缸所占的功率比；α2为中、低压缸所占的功率比；trh为再热器容积的时间常数；χp1为喷嘴室容积中压力的相对变化量；χp2为中间再热容积中压力的相对变化量；ta称为转子的飞升时间常数；β称为自平衡系数，是一无量纲量，表示与附加损耗有关的系数；χl(s)为负荷扰动相对变化量，χn(s)表示转速相对变化量。图4中，r为火电机组的下垂控制系数；t1表示deh系统的时间常数；toil表示油动机的时间常数；k1为高压缸所占的功率比；k2为中、低压缸所占的功率比；th，tm，ts分别表示高压缸、中压缸及低压缸的时间常数；m为转子的飞升时间常数；d为自平衡系数；δpl、δpg、δpess分别为负荷、发电机输出功率及储能输出功率的波动量；δf为系统频率的变化量。

在构建联合调频的仿真模型之后，基于联合调频仿真模型通过带入实际负荷实际数据进行仿真分析，并在油动机传递函数后加入积分环节进行油动机活塞与滑阀相对位移的累加计算，即可获取调频过程中油动机活塞与缸壁间的磨损行程。

关于材料损耗体积的计算。油动机是将油压信号转换为实际阀门开度变化的重要部件，在调频过程中，油动机活塞需要不断的进往复运动从而控制控制汽轮机阀门的开度变化，调频机构如图5所示，图5中的油动机的具体结构图如图6所示。因此，油动机的活塞和油动机的内缸壁之间由于长期的高速相对运动会产生金属材料损耗，金属材料损耗用磨损体积加以衡量。长期的磨损使油动机缸壁内直径增大，在固定磨损区域与其他区域间形成内壁的直径差，造成油动机在调频过程中的卡涩行为，导致元件损坏。

优选的，磨损行程与油动机缸壁材料的损耗体积之间的关系可以通过经典的archard磨损模型建立，由此磨损模型可得材料损耗体积和滑动摩擦持续的行程之间的关系如下式所示：式中，k表示摩擦系数，物理意义为单位负荷作用下滑动单位距离所引起的体积磨损；n为摩擦物体所受到的法向载荷；l为磨损行程；h为材料硬度。

通过将前述仿真模型获得的油动机活塞与缸壁的磨损行程带入上式进行计算，即可求得调频过程中油动机缸壁由于磨损造成的材料损耗体积。

关于磨损成本的量化。优选的，通过前述计算得到的材料损耗体积以及长期磨损区域的表面积可以得到长期摩擦导致的缸壁内直径的增加量。直径的增加量计算如下式所示：其中，v为磨损体积，s为长期磨损区域表面积。得到内缸壁直径的增加量后，与表征油动机机缸报废的内缸壁直径阈值求解比值可得经过该调频行为后油动机机缸的损耗情况，将此比值与更换油动机机缸所造成的成本求解乘积即为调频行为对火电机组造成的经济损失。

基于以上分析，油动机在调频过程中的磨损成本计算公式为：

式中，coil和coilt表示调频过程油动机损耗成本和油动机总成本，dthreshold表示油动机发生活塞卡塞的缸壁直径增量阈值，一般取1.4mm，d表示一个计费周期内的缸壁直径增量。

由于汽门阀杆直接受油动机影响，实现对汽门开度的大小调节，通过油动机活塞行程磨损造成油动机更换来间接衡量汽门阀杆的机械损耗，获得阀杆的磨损成本：式中，cfg和cfgt表示调频汽门阀杆损耗成本和汽门阀杆总成本，ηfgoil表示某个时段内(比如一年内)火电厂更换汽门阀杆和油动机的平均个数比。

通过本实施例所构思的以上技术方案，与现有技术相比，公开了一种火电储能联合调频磨损的量化方法。基于调频机构的动作机理以及金属摩擦损耗的磨损模型对火电机组元件的磨损情况进行了量化。结合元件更换成本得到了不同元件的磨损成本计算公式。

实施案例

以贵州某电厂2019年9月7日的系统实时运行工况和实际数据为例，基于电厂实际火电储能联合调频控制策略，通过matlab仿真，分析火电机组单独调频与火电储能联合调频时，调频机构元件磨损成本的差异。

火电单独调频和火电储能联合调频模式下，系统日频率波动曲线如图7所示。火电储能联合调频情况下，系统频率低于火电单独调频模式，储能辅助火电调频的优势得以体现，系统频率毛刺变小、频率波动幅度变小，系统频率偏差变小，频率更为平稳。

火电单独调频和火电储能联合调频油动机活塞行程如图8所示。可以发现，火电储能联合调频情况下活塞行程低于火电单独调频的情况。火电储能联合调频情况下油动机活塞的变化更小，有利于减少对油动机缸壁的磨损。假设火电厂油动机为70万元/个，平均2年进行一更换，调频过程油动机寿命损耗成本如图9所示。可以发现，火电储能联合调频的油动机寿命损耗成本低于火电单独调频的情况。以2019年9月7日为例，该电厂火电单独调频对油动机的损耗约910元/日，折合33.215万元/年；火电储能联合调频对油动机的损耗约510元/日，折合18.615万元/年；储能辅助火电调频将节省油动机设备成本14.5万元/年。

假设火电机组阀杆2.5万元/套，平均每年更换2套，火电单独调频和火电储能联合调频情况下，汽门阀杆的寿命成本如图10所示。以2019年9月7日为例，清水河电厂火电单独调频对汽门阀杆的损耗约180元/日，折合6.57万元/年；火电储能联合调频对汽门阀杆的损耗约100元/日，折合3.65万元/年；储能辅助火电调频将节省汽门阀杆设备成本2.92万元/年。

综上，本实施例公开的一种火电机组调频的磨损量化方法，基于火电机组调频机构的动作机理以及金属材料的摩擦损耗原理，对火电机组调频机构在调频工况下的磨损进行了量化分析。首先根据火电机组各部件的物理提醒进行仿真模型的搭建，并基于储能电站的控制策略建立了火电储能联合调频模型，然后根据archard磨损模型进行了磨损体积的计算，基于易损件的物理参数对磨损程度进行了量化。通过分析储能电站辅助号调频与火电机组单独调频时的磨损成本的差异，得到了储能电站在降低火电机组调频磨损方面的重要作用。本实施例方法为回收储能电站投资成本提供了一种新思路，有利于引导火电机组运营商进行储能电站的投资，保障电力系统的电能质量和运行稳定性。

实施例二

一种火电储能联合调频磨损的量化设备，包括处理器和存储器，所述存储器包含计算机可读指令，所述计算机可读指令在由所述处理器执行时使所述量化设备执行如上实施例一所述的一种火电储能联合调频磨损的量化方法。相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

实施例三

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序被处理器运行时控制所述存储介质所在设备执行如上实施例一所述的一种火电储能联合调频磨损的量化方法。相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。