固体电锅炉-火电耦合系统应急过程切换控制方法与流程

本发明属于电力系统控制领域，尤其涉及固体电锅炉-火电耦合系统应急过程切换控制方法。

背景技术：

1、近年来，在双碳目标提出的背景下，我国能源结构从“以煤为主”加快向以光能、风能和水能等清洁能源为主进行转型。随着新能源对电力系统渗透率的提高，其固有的波动性和峰值反转性使得电力系统的波动更加剧烈，导致电力系统的稳定性变得更加复杂，尤其在寒冷地区需要满足供热需求。电网可能受到冰雪等极端天气的干扰，使得电力系统的运行更加不稳定，调控难度极大，甚至会造成倒塔、线路多重故障、单元链断网等严重故障，为了应对突发的电力中断和能源危机，应急过程切换控制技术成为了一项迫切需求。为了避免发生严重后果，电网一旦发生故障，会迅速将故障线路切除，将供热机组切换为孤网运行，避免停机。这种切换过程发生在不可预测的时机，因此需要保证火力机组能够在转速波动安全范围内运行，并继续供热任务，特别是在“并网切至孤网阶段”。

2、当火电机组正常运行时，整个过程的热力循环图如图1所示，锅炉产生的高温高压主蒸汽进入到高压缸中做功，而后进入再热器中升温，并依次通入中压缸、低压缸中做功，将蒸汽热能转变为机械能，带动发电机转子做功，发电供至电网，低压缸排汽会进入凝汽器中变为冷凝水，并在给水泵作用下经过各级加热器预热，以及除氧器除氧，最终流入到锅炉中加热成为主蒸汽。

3、一般情况下，使得火电机组在从电网中解列后可以切入到机组不停机不停炉的孤岛运行状态的技术，被称为火电机组快速甩负荷技术(fast cut break，下文中统称为fcb技术)。在电网故障，火电机组自电网中解列后，在没有任何外来电源的条件下迅速恢复供电是非常困难的，fcb技术可以使得火电机组在电网崩溃时幸存下来，实现机组孤岛运行，并作为故障解除后的备用电源帮助电厂启动。

4、在应急过程中，当电网将故障电路切除，火电机组瞬间被迫从电网中解列，作用在转子上的电负荷力矩会瞬间消失，仅靠转子自身的摩擦力矩无法抵消蒸汽产生的推动力矩，因此转子转速会迅速飞升，当超速达到3％时，opc信号触发，并在极短时间内关闭高压调节阀、中压调节阀、各级抽汽逆止门等调节阀门，当阀门全部关闭，通过汽轮机的蒸汽流量降为零时，作用在转子上的蒸汽力矩也会消失，之后，在转子自身摩擦力矩以及机组带厂用电共同作用下，转速会逐渐降低，在达到opc复位条件后，各级阀门会重新开启，并在调速系统作用下使得汽轮机转速再次恢复平衡，工作原理如图2所示。

5、但是，由于锅炉的时间常数很大，在解列后的一段时间内，其还保持着解列前的蒸汽产生量，并且无法在极短时间内降低，而蒸汽进入汽轮机的控制阀门已经在opc信号作用下关闭，这部分本该进入汽轮机做功的蒸汽无处可去，便会积压在锅炉侧，并使得主蒸汽压力不断上升，严重时蒸汽压力甚至会超出安全阈值，导致锅炉对空排汽或被迫停炉，造成严重损失。为防止出现这样的情况，一些火电机组会设置旁路装置，在发生甩负荷或者机组突然解列时，锅炉产生的部分甚至全部蒸汽会通入到汽轮机旁路中，从而维持主蒸汽压力的稳定。然而，虽然旁路的存在使得火电机组得以在汽轮机关闭进汽阀门后，仍能将锅炉侧的压力维持在安全范围，保证机组尤其是锅炉可以继续运行。但若将旁路作为火电机组在面对突发事故的唯一保障措施，存在容量不足、运行时长有限和可靠性不足的重大缺陷。因此，虽然在功能上，旁路具备在故障时维持主蒸汽压力在安全范围内的可能性，但是其调节能力十分有限，并不能从根源上解决问题。对于面临调节压力大、供热任务重的机组，即使不考虑旁路能否正常工作以及容量大小的问题，单凭其无法使得机组在解列后仍能够较长时间维持运行这一项弊端来看，旁路已经完全不能够应对此类问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种固体电锅炉-火电耦合系统应急过程切换控制方法，以解决上述背景技术中的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的固体电锅炉-火电耦合系统应急过程切换控制方法的具体技术方案如下：

3、本发明提出一种基于固体电阻式电锅炉的火电耦合系统应急过程切换控制方法，从参与电网应急方面入手，研究电锅炉与火电机组联合运行时面对故障场景的动态响应特性，在电网故障发生以及解除时，研究现有火电机组在切换过程中存在的问题，并通过仿真获得电、热负荷大范围变化时关键参数的变化特性，进而在火电机组现有逻辑基础上，设计固体电阻式电锅炉辅助火电机组进行切换的控制策略，并进行验证，从而解决热电联产机组的热电耦合问题，提高火电机组—固体电阻式电锅炉联合系统的协同运行能力，增强联合系统在电网发生故障时的保电、保热能力，为新能源提供更大上网空间。

4、该发明针对火电机组由并网向孤网切换这一过程中，存在的超速保护频繁动作、切换后机组无法长时间运行等问题，提出了一种利用固体电锅炉辅助火电机组实现由并网向孤网切换的控制策略，该策略分别通过电锅炉功率投入模块以及opc修正模块，根据解列时火电机组运行功率，来给定电锅炉最佳投入功率及对应opc持续时间，经验证，该策略可以使切换过程中超速保护动作仅触发一次，转速飞升问题大大减弱，并且因使用电锅炉而带来的转速失速问题也得到了一定抑制，该策略对于提高机组切换速度，减弱切换过程对机组造成的冲击，以及为机组在孤网下长时期运行提供前提条件等方面具有重要意义。

5、本发明：

6、一、通过使用电锅炉，解决了仅火电机组转速飞升过大、稳定时间、超速保护频繁动作、无法在切换后保持长时间孤网运行等问题；

7、二、通过设计控制策略，解决了电锅炉参与后功率匹配不当使系统失稳、opc复位不当使转子转速失速严重等问题。

8、一种固体电锅炉-火电耦合系统应急过程切换控制方法，包括：

9、电网发生突发事故，火电机组从电网中解列，转子失去电网负载转速不断飞升，转速飞升至第一设定数值时，触发超速动作，超速保护控制信号触发，固体式电锅炉投入运行；

10、电锅炉以解列时火电机组运行功率为输入，输出固体电锅炉最佳投运功率，电锅炉以最佳投运功率保持运行；所述最佳投运功率是指使切换过程中转速与额定值之间的绝对平均误差最小时对应的电锅炉投运功率；

11、电锅炉用电作为负载参与转子平衡，超速保护控制信号触发期间，汽轮机不进汽，转子转速不断下降，超速保护控制修正模块以机组解列时运行功率及电锅炉投入功率为输入，输出超速保护控制信号持续时间，以此及时将超速保护控制信号复位防止转速失速；

12、超速保护控制信号复位后，转子转差经转速调节系统生产功率变化信号，仅作用于汽轮机，电锅炉功率保持不变，以此维持转速稳定。

13、进一步，所述固体电锅炉在火电机组由并网向孤网的切换过程保持投入档位不变，因为这种电锅炉功率只能分档变化，如果在切换过程中电锅炉功率改变，就会因功率档位变化而带来额外的冲击，不利于系统稳定，甚至会导致振荡。

14、进一步，设立并求解优化问题以得到所述电锅炉投入功率修正模块和超速保护控制修正模块中各自对应的查表函数。

15、所述优化问题中的优化指标为切换过程中的转速波动平均绝对误差，优化变量分别是电锅炉投入功率、opc持续时间以及火电机组解列功率，人为给定变量的变化范围和变化步长。

16、进一步，所述第一设定数值是1.03，设定标幺值为1，代表当前转速为额定转速3000r/min，当转速飞升超过1.03，转速超过3090r/min时，触发超速保护动作，转速在[0，1.03]这个区间内波动不会触发超速保护动作。

17、本发明还提供了一种固体电阻式电锅炉，高压电源控制柜和保温层；所述保温层内设置隔热层，所述高压电源控制柜的输出电线穿过保温层和隔热层与热电阻电性连接，隔热层内对称设置至少一组绝缘子，一组绝缘子间排列设置多个蓄热砖，每个蓄热砖上均设置凹槽，凹槽内设置热电阻，相邻两个蓄热砖之间设置有通风管道；其中电网发生突发事故，火电机组从电网中解列，转子失去电网负载转速不断飞升，转速飞升至第一设定数值时，触发超速动作，超速保护控制信号触发，固体式电锅炉投入运行；电锅炉投入功率修正模块以解列时火电机组运行功率为输入，输出固体电锅炉最佳投运功率，电锅炉以最佳投运功率保持运行；所述最佳投运功率是指使切换过程中转速与额定值之间的绝对平均误差最小时对应的电锅炉投运功率；电锅炉用电作为负载参与转子平衡，超速保护控制信号触发期间，汽轮机不进汽，转子转速不断下降，超速保护控制修正模块以机组解列时运行功率及电锅炉投入功率为输入，输出超速保护控制信号持续时间，以此及时将超速保护控制信号复位防止转速失速；超速保护控制信号复位后，转子转差经转速调节系统生产功率变化信号，仅作用于汽轮机，电锅炉功率保持不变，以此维持转速稳定。

18、进一步，隔热层上还设置气-水换热器，气-水换热器的出水口和进水口均穿过隔热层和保温层与待加热水连通，隔热层内的高温气体对气-水换热器中流通的待加热水进行加热。

19、进一步，隔热层上还设置循环风机。

20、进一步，蓄热砖为多孔固体。

21、进一步，蓄热砖采用氧化镁材料。

22、进一步，隔热层内对称设置五组绝缘子。

23、本发明的固体电锅炉-火电耦合系统应急过程切换控制方法具有以下优点：本发明提出了利用电锅炉辅助火电机组完成应急切换，对电锅炉参与后火电机组切换过程的动作特性进行了分析，以此为基础，提出了固体电阻式电锅炉系统在切换过程中的控制策略，可通过调整电锅炉投运信号、电锅炉投入功率的方式实现火电机组在不同功率解列时无缝切换至孤网，达到opc动作次数减少为1次、转速飞升或失速情况减轻、转速波动时间变短的效果。因此，该方法更加简单，具有良好的准确性，易于应用于工程实际，可满足火电机组-固体电锅炉联合系统运行需求，解决在高寒地区电网故障时的保热、保电难题以及在“并网与孤网”之间的无缝切换问题，对于实现火电机组应急控制相关领域研究具有重要意义。