一种能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法与流程

本发明属于风电机组调谐控制领域。

背景技术

随着化石能源日益枯竭，风力发电得到了人们的广泛关注。但是，风电具有天然的波动性与间歇性，且现有的风电预测手段不够完善，风电渗透率的提高将对电力系统的调频能力提出极大挑战。同时，由于风电机组不具备调频能力，风电渗透率的提高会降低电力系统整体惯量。

面对以上问题，在储能成本较高、电网调频能力无法进一步提高的情况下，电网侧宁愿选择弃风来保全自身的稳定，使风电资源得到了极大的浪费。全国平均弃风率从2013年的17％到2016年的21％逐年递增，作为我国风电上网电量前三的内蒙古、新疆、河北地区同时也是我国弃风率最高的地区，新疆和甘肃地区的2016年弃风率甚至达到了47％和45％。《中国能源发展报告2017》明确指出，目前我国存在大量弃风现象，电力系统调频调峰能力仍不满足新能源发展的需求。

我国的主要调频机组类型为火电机组，近年来以超临界机组为代表的大容量、高参数机组由于高效、清洁的优势成为了火电机组的主流。在风电渗透率日益提高和超临界机组逐渐成为火电机组主流的双趋势下，超临界机组参与风功率消纳存在合理以及必然之处。

由于超临界机组的蓄热较少，现有的超临界机组控制技术无法在保证机组内部运行参数稳定的前提下，快速、准确补充机组跟踪大幅度功率变化所需要的蓄热。

如果电网侧不考虑超临界机组的运行特性及调频能力的有限性，盲目大幅度改变机组的功率指令以达到快速补充蓄热的目的，会造成主蒸汽参数波动幅度过大等问题，轻则影响机组运行经济性，重则影响机组安全性，导致水冷壁、过热器等超高温运行部件爆管，反而得不偿失。如果能够在保证超临界机组经济运行的前提下提升超临界机组调频能力，将有利于解决风功率消纳问题，进一步提高电网的风电渗透率。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决现有的超临界机组的抗风电扰动能力和机组内部运行参数稳定性差的问题，提出了一种能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法。

本发明所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法，该方法包括：

步骤一、周期性采集风功率信号，利用采集的风功率信号构造周期性的锅炉输入加速信号bir，将构造的锅炉输入加速信号bir加入到锅炉负荷指令bm中；

其中，构造锅炉输入加速信号bir的方法为：

设锅炉输入加速信号bir为x(t)，锅炉输入加速信号的积分为ix，y(t)为主蒸汽温度信号，主蒸汽温度信号的积分为iy，x(t)的上升时间为0～t1，平稳时间为t1～t2，下降时间为t2～t3；

与的表达式：

是i时刻锅炉输入加速信号的积分；是i时刻主蒸汽温度信号的积分；利用ix1和ix2的值求得锅炉输入加速信号bir时间t1～t2时的幅值：

其中，t1为t1，t2为t2；根据x(t)的上升时间为0～t1，平稳时间为t1～t2，下降时间为t2～t3与锅炉输入加速信号bir时间t1～t2时的幅值，获得锅炉输入加速信号bir函数曲线；

步骤二、对蒸汽压力偏差信号δpt的绝对值与阈值a进行比较；当|δpt|≤a时，执行步骤三；其中，a大于0；

当|δpt|>a时，对步骤一的锅炉负荷指令bm进行修正，获得修正后的锅炉负荷指令bm′，将修正后的锅炉负荷指令bm′输出至超临界机组的锅炉，实现超临界机组参与风功率消纳的控制；

其中，对锅炉负荷指令bm进行修正的具体方法为：

利用公式：

bm′＝△pt×kpb′+(mwd+△n)×knb+bir(△pmin)

对加入锅炉输入加速信号bir的锅炉负荷指令bm进行修正，其中，

bm′为修正后的锅炉负荷指令bm；

kpb′为修正后的汽压与锅炉配比参数，kpb′＝δpt/0.4；

δpt为主蒸汽压力偏差信号；

mwd为风功率信号；

δn为功率偏差信号；

knb为超临界机组的负荷与锅炉配比参数；

δpmin为风功率分钟级波动信号；

bir(△pmin)为的锅炉输入加速信号bir随风功率分钟级波动信号δpmin变化的函数。

步骤三、判断电网源能量是否为顺势，若是，对汽轮机负荷指令tm进行修正，将修正后的轮机负荷指令tm′输出至超临界机组中的汽轮机，实现超临界机组参与风功率消纳的控制；否则，保持汽轮机负荷指令tm不变；实现超临界机组参与风功率消纳的控制；

其中，对汽轮机负荷指令tm进行修正的具体方法为：

汽轮机负荷指令tm的公式为：

tm＝△n×knt-△pt×kpt

其中，kpt汽压汽轮机配比系数，knt为超临界机组参与电网调频中的功率汽轮机配比参数，knt＝2；

修正后的汽轮机负荷指令tm′为：

tm′＝△n×knt′-△pt×kpt

其中，knt′为修正后的超临界机组参与电网调频中的功率汽轮机配比参数，knt′＝max(2,2+△pt/0.6×18)。

进一步地，步骤一中，周期性采集风功率信号的周期为32s。

进一步地，步骤二中，阈值a的值为0.4mpa。

进一步地，步骤三中，断电网源能量是否为顺势的方法为：当△pt×△f≥0时，电网源能量为逆势，其中，△f为频率偏差信号；当△pt×△f<0时，电网源能量为顺势。

本发明通过将风功率分钟级波动信号引入锅炉负荷指令，同时动态调整机炉主控制器中的配比系数，增强了超临界机组的抗风电扰动能力，增强了超临界机组的调频能力，同时在主蒸汽参数不越限的前提下提升区域系统的风电渗透率，保证了机组内部运行参数稳定，实现了快速、准确补充机组跟踪大幅度功率变化所需要的蓄热。达到网源双赢的目的。

附图说明

图1为现有bir信号的构造原理图；

图2为本发明所述方法构造bir信号的原理图；

图3是主蒸汽温度信号的积分iy随锅炉输入加速信号的积分为ix变化曲线图；

图4为超临界机组参与风功率消纳的控制方法的原理流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式所述一种能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法，该方法包括：

步骤一、周期性采集风功率信号，利用采集的风功率信号构造周期性的锅炉输入加速信号bir，将构造的锅炉输入加速信号bir加入到锅炉负荷指令bm中；

步骤二、对蒸汽压力偏差信号δpt的绝对值与阈值a进行比较；当|δpt|≤a时，执行步骤三；其中，a大于0；

当|δpt|>a时，对步骤一的锅炉负荷指令bm进行修正，获得修正后的锅炉负荷指令bm′，将修正后的锅炉负荷指令bm′输出至超临界机组的锅炉，实现超临界机组参与风功率消纳的控制；

步骤三、判断电网源能量是否为顺势，若是，对汽轮机负荷指令tm进行修正，将修正后的轮机负荷指令tm′输出至超临界机组中的汽轮机，实现超临界机组参与风功率消纳的控制；否则，保持汽轮机负荷指令tm不变；实现超临界机组参与风功率消纳的控制

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法的进一步说明，步骤一中，构造锅炉输入加速信号bir的方法为：

设锅炉输入加速信号bir为x(t)，锅炉输入加速信号的积分为ix，y(t)为主蒸汽温度信号，主蒸汽温度信号的积分为iy，x(t)的上升时间为0～t1，平稳时间为t1～t2，下降时间为t2～t3；

与的表达式：

是i时刻锅炉输入加速信号的积分；是i时刻主蒸汽温度信号的积分；利用ix1和ix2的值求得锅炉输入加速信号bir时间t1～t2时的幅值：

其中，t1为t1，t2为t2；根据x(t)的上升时间为0～t1，平稳时间为t1～t2，下降时间为t2～t3与锅炉输入加速信号bir时间t1～t2时的幅值，获得锅炉输入加速信号bir函数曲线。

在相同的负荷扰动下，使系统运行在两次不同的x(t)模式下，得到两组数据

(ix1(1),iy1(1))和(ix1(2),iy1(2))，定量求得两次不同的x(t)模式下iy1(1)＝0时的ix1(1)的值，同理，求出两次不同的x(t)模式下iy2(2)＝0时的ix2(2)的值；

获得锅炉输入加速信号bir的高度h的方法为：

利用ix1和ix2的值求得锅炉输入加速信号bir高度h：

其中，t1为t1，t2为t2。

现有的bir信号的演化过程如图1所示，第一代bir是对负荷变化的单纯微分，其控制形状是一个矩形。在这种控制方式下，bir在进入的时段和退出的时间控制性变得较差。为了改善这种不足，第二代bir的进入和退出改为斜坡状，由此控制性可得到相当的改善。

设x为控制量，即bir信号，其积分为ix，y为被控制量偏差量，其积分为iy，从x变化到y变化对应的控制时间为δt，x的上升时间为0～t1，平稳时间为t1～t2，下降时间为t2～t3，基于专家知识库方法的bir信号构造原理如图2所示，bir信号的构造目的是在负荷变化时，x的设置能够使得y的波动在3δt后达到一定要求，x的构造规则如下：

1)δt时的ix与2δt时的y有相对关系，δt～2δt时间段内的y的变化主要取决于x上升的模式，s1的大小；其中，s1为曲线x在0到δt时间段与时间轴、t＝δt围成图形的面积；

2)2δt时的ix与3δt时的y有相对关系，2δt～3δt时间段内的y的变化主要取决于s2的大小；s2为曲线x在δt～2δt时间段与时间轴、t＝δt、t＝2δt围成图形的面积；

3)3δt时iy的理想状态下为0。

假设超临界机组采用的是水跟煤控制方法，则bm将直接控制燃烧率指令，而燃烧率指令的主要控制目标是调节主汽压；

结合《风电场接入电力系统技术规定》对风功率分钟级波动情况的统计可知，风功率分钟级波动幅值有99.26％的概率落在±0.2％p.u.之间，风场的集群效应将使该数值进一步减小，因此确定bir信号的知识库调整范围为-0.2％/s～0.2％/s。

通过对不同幅值阶跃扰动下的超临界机组进行仿真并统计主汽压变化情况，由专家知识库技术计算不同幅值扰动下对应的h，整定结果如表1所示。从表1可以看出，若不加燃料bir信号，扰动幅度的绝对值在0.15％/s～0.2％/s时主汽压波动范围会超过±0.6mpa，加入燃料bir信号后则不会超过允许范围，所述扰动幅值为相邻两次风功率分钟级波动信号δpmin的差值。

表1不同幅值扰动下对应的h与主汽参数改善效果

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法的进一步说明，步骤一中，周期性采集风功率信号的周期为32s。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法的进一步说明，步骤二中，对锅炉负荷指令bm进行修正的具体方法为：

利用公式：

bm′＝△pt×kpb′+(mwd+△n)×knb+bir(△pmin)

对加入锅炉输入加速信号bir的锅炉负荷指令bm进行修正，其中，

bm′为修正后的锅炉负荷指令bm；

kpb′为修正后的汽压与锅炉配比参数，kpb′＝δpt/0.4；

δpt为主蒸汽压力偏差信号；

mwd为风功率信号；

δn为功率偏差信号；

knb为超临界机组的负荷与锅炉配比参数；

δpmin为风功率分钟级波动信号；

bir(△pmin)为的锅炉输入加速信号bir随风功率分钟级波动信号δpmin变化的函数。

本实施方式中，若不考虑限幅、死区等非线性环节，未加入锅炉输入加速信号bir的锅炉负荷指令可由如下公式给出：

bm＝△pt×kpb+(mwd+△n)×knb

其中，超临界机组的负荷与锅炉配比参数knb的设定值为1，kpb为汽压与锅炉配比参数，kpb的设定值为1；

该公式的前半部分与主汽压偏差量有关，相当于主汽压波动情况对锅炉出力的控制作用。当主汽压与额定值相符时，bm的前半部分为零，相当于仅有后半部分，锅炉输出完全跟踪机组收到的负荷指令动作。

本发明所采用的超临界机组模型对汽压锅炉配比参数kpb和超临界机组的负荷与锅炉配比参数knb的设定值均为1，考虑到模型中对主汽参数和负荷参数都作了标幺化处理，因此，即使主汽压与额定值存在偏差，锅炉负荷指令受汽压和负荷的影响比例依然为1:1。但若当主汽压超限，仍使锅炉负荷指令在1:1的情况下受汽压、锅炉负荷指令受负荷影响

针对上述问题，本发明考虑对bm信号作如下修正：

bm′＝△pt×kpb′+(mwd+△n)×knb+bir(△pmin)

kpb′相当于对kpb的修正，其设置逻辑为：当|δpt|≤0.4mpa时，与kpb相同，相当于该修正不起作用；但当|δpt|>0.4mpa时，kpb′的输出逻辑为δpt/0.4。

以0.4mpa为阈值的原因是bm与δpt有关的这一项调整边界必须离主汽压最大允许波动值0.6mpa有一定距离，才能给机组调整运行的时间。

当|δpt|>0.4mpa时，汽压偏差离0.4mpa越大，该项所占bm信号的比例越大，从而使得主汽压力恢复更快，kpb′的设定保证了锅炉出力是在保证机组自身安全的前提下跟踪电网调频指令。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法的进一步说明，步骤二中，阈值a的值为0.4mpa。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法的进一步说明，步骤三中，对汽轮机负荷指令tm进行修正的具体方法为：

汽轮机负荷指令tm的公式为：

tm＝△n×knt-△pt×kpt

其中，kpt汽压汽轮机配比系数，knt为超临界机组参与电网调频中的功率汽轮机配比参数，knt＝2；

修正后的汽轮机负荷指令tm′为：

tm′＝△n×knt′-△pt×kpt

其中，knt′为修正后的超临界机组参与电网调频中的功率汽轮机配比参数，knt′＝max(2,2+△pt/0.6×18)。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的能够促进超临界机组参与风功率消纳的控制方法的进一步说明，步骤三中，判断电网源能量是否为顺势的方法为：当△pt×△f≥0时，电网源能量为逆势，其中，△f为频率偏差信号；当△pt×△f<0时，电网源能量为顺势。

在锅炉的运行中，熟练的技术人员常常根据锅炉的具体情况、结合所收集的历史数据和参照自己的经验尝试对锅炉负荷指令进行调整，但受操作人员的技术能力影响很大。若专家们能够整理他们的知识制作知识库，则可以建立起自动调整的锅炉负荷信号，由此得到锅炉负荷指令bm的bir(boilerinputrate)知识库。

本发明考虑到超临界机组相较于亚临界机组惯性小、调峰能力好的特性，对汽压汽轮机配比参数进行修正，得到新的汽轮机负荷指令：

tm′＝△n×knt′-△pt×kpt

knt′的设定逻辑是：当δpt×δf≥0时，保持knt’＝knt；当δpt×δf<0时，knt＝max(2,2+δpt/0.6×18)。

当δpt×δf≥0时，无论是主汽压偏大且电网频率偏高，还是主汽压偏小且电网频率偏低，此时该台机组都不适宜于参与电网调频。而当δpt×δf<0时，如果是主汽压偏大且电网频率偏低，此时应当增加汽轮机负荷使得该台机组多发力；如果是主汽压偏小且电网频率偏高，同理该台机组也应该更加积极参与调频。在这种情况下满足了电网和机组侧共同的利益，因此顺势而为地实现了网源双赢的控制目的。δpt×δf<0时knt’的设置使得tm在顺势时幅值增大，与主汽压偏差成正比、从2～20连续变化。主汽压偏差越大代表着其能够参与调频的蓄热更多，保持knt’的连续性有利于防止参数的大幅波动。

综上，本发明提出的新策略分成三步达到网源双赢的目的，网源协调控制策略原理为：

首先，加入bir信号。基于风电分钟级扰动的周期，新策略以32s为周期检测一次风功率变化，并由将周期的bir信号与bm信号叠加，使锅炉根据风功率的变化迅速调整输出，这一策略相当于给bm信号加入前馈，能够有效加快锅炉对风功率的响应时间。

其次，判断机组是否运在安全状态。若|δpt|>0.4mpa，说明主蒸汽压力接近最大允许偏差值，锅炉与汽轮机的能量极度不平衡，这时需要使超临界机组汽压控制优于负荷控制，于是增大kpb，这一策略将有利于机组侧的安全性；若|δpt|≤0.4mpa，说明此时机组安全，可以进入下一步判断。

最后，判断网源能量是否顺势。若δpt×δf<0，无论是δpt<0且δf>0或者δpt>0且δf<0，都说明此刻该机组适合参与调频，可以使汽轮机侧的负荷控制更加优于汽压控制，于是增大knt，这一策略将同时有利于电源侧和电网侧；若δpt×δf≥0，说明此刻该超临界机组并不适合参与调频，这时各配比系数保持不变即可，这一策略较有利于网侧。

因此，本发明提出的网源协调控制策略将有利于超临界机组积极参与风功率消纳，只不过根据机组和电网的实时状态，每个时刻所达到的效果有所不同，或更有利于网侧，或更有利于源侧，最理想的情况下是网源双赢。

具体实施例

设区域电网的风电渗透率为28.4％，利用某风场实测风功率及电网实际负荷曲线，仿真该区域20000s的运行情况。网源协调控制策略下的机组主汽压变化情况、频差变化情况统计结果如表2所示。由统计结果可以看出，对比原控制策略，网源协调控制策略大大降低了风功率波动对超临界机组主汽压波动的威胁，波动幅度由安全范围(±0.6mpa)以外降低到了安全范围以内，同时也极大地降低了系统频差的波动情况，其中，f为区域电网系统频率。

表2不同策略下机组被控量波动情况

为了评估新策略对网侧的效果，利用电网考核指标对新策略下的频差波动情况进行了计算，统计结果如表3所示。可以看出，在网源协调控制策略下，区域电网的控制性能标准1scps1和供应者控制性能标准1cps1均提升到了200％以上，scps2和cps2均为100％，即所有考察点均满足考核要求。可见，无论是对超临界机组还是区域电网，新控制方法都能够提升其调频能力，满足网侧需求。在新控制方法下，该区域的风电最大渗透率从28.4％上升到30.5％，说明新控制方法能够促进风功率消纳，达到了控制目的。

表3不同策略下的电网考核结果