本發明涉及一種電熱鍋爐參與電網頻率調節控制方法，屬于需求側的系統頻率控制技術相關領域。

背景技術：

隨著我國經濟的不斷增長，電力供應時段性緊缺現象日益嚴重。電力系統運行中經常出現負荷預測與實際運行差距較大或者系統遭受事故，對系統有功平衡造成嚴重影響，若不及時進行控制將導致頻率崩潰。傳統電力系統中主要從電源側入手，執行“電源調度”，即調度中心只能通過控制火電、水電及抽水蓄能等調頻機組出力完成調頻任務。常規的發電側調頻服務資源不僅受爬坡/滑坡速率約束，特別是伴隨分布式能源裝機容量的快速增長和大規模并網，其出力的隨機波動性極大地增加了電網運行調度，發電側調頻的成本越來越高，常規電源提供調頻的方式已經無法適應新形勢的發展。

不同于傳統的基于發電側頻率調節控制方法，通過合理的控制措施使需求側資源能夠根據電網頻率偏差方向及時、快速、精確地調整負荷狀況，可以緩解電網供需平衡。而電熱鍋爐是一種通過多個電熱管將電能轉換成熱能，生產較高溫度的熱水或一定壓力的蒸汽的裝置。一方面具有短暫的能量存儲特性，短時間改變運行狀態不會影響其效用，另一方面它具有熱效率高、調節靈活、性能穩定等特點，容易實現功率快速調整，維持發電功率和負荷需求的平衡。

但是目前尚欠缺電熱鍋爐參與電網頻率調節控制方法的研究。在研究電熱鍋爐參與電網調頻控制中，必須結合電熱鍋爐自身運行狀態及裕度限制以研究調頻控制方式，所以需要首先建立電熱鍋爐動態模型，獲取鍋爐運行時的實時狀態變量，然后以此建立電熱鍋爐參與調頻的控制方式。

技術實現要素：

技術問題

本發明旨在解決現有調頻方式和技術的不足，提出了一種電熱鍋爐參與電網頻率調節控制方法，使電熱鍋爐參與電力系統頻率調節過程中，有效減少調頻備用發電機組的容量需求，減少調頻成本。

技術方案

為實現上述目的，具體采用以下技術方案：

一種電熱鍋爐參與電網頻率調節的控制系統，其特征在于，包括：

電熱鍋爐動態模塊：根據當前時刻的回水溫度及加熱功率采樣值計算下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度，并將其傳遞給電熱鍋爐頻率響應模塊；

發電機系統等值模塊：根據負荷的狀態結合轉子運動方程，獲取系統頻率波動情況；

電熱鍋爐頻率響應模塊：根據系統頻率波動情況判斷是否參與系統調頻，根據接收的下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度計算電熱鍋爐的調頻潛力，根據電熱鍋爐的調頻潛力調整鍋爐加熱功率完成電熱鍋爐參與系統調頻控制。

所述電熱鍋爐動態模塊計算下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度t(t+1)的方法為：

其中，c表示水比熱容；m表示加熱環節水體質量；t表示水體水溫平均值；α表示加熱效率系數；δp(s)表示鍋爐加熱功率變化積分量；δtin(s)表示鍋爐加熱環節回水溫度變化積分量；δtout(s)表示鍋爐加熱環節出水溫度變化積分量；u表示循環流量；tout表示鍋爐加熱環節出水溫度；tin表示鍋爐加熱環節回水溫度；s表示對時間的導數算子。

所述發電機系統等值模塊獲取系統頻率波動情況的模型為：

δpm-δpl＝(2hs+d)δf

式中：δf為系統頻率變化量；h為發電機組慣性常量；d為定常阻尼系數；δpm為發電機的機械功率增量變化；δpl為負荷功率變化量；s為對時間的導數算子。

所述電熱鍋爐頻率響應模塊計算電熱鍋爐的調頻潛力的公式如下：

式中，δpmin為最小調頻潛力；δpmax為最大調頻潛力；tmin為鍋爐水體平均溫度最小值；；t0為穩態運作時鍋爐水體平均溫度；tmax為鍋爐水體平均溫度最大值；t0為鍋爐參與調頻時間，一般選取5min～15min。

一種電熱鍋爐參與電網頻率調節的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一、進入第一個采樣周期，獲取t時刻回水溫度tin(t)、鍋爐加熱功率peboil(t)，計算t+1時刻電熱鍋爐水體平均溫度t(t+1)；

步驟二、獲取系統頻率變化量δf(t)，并判斷|δf|是否大于頻率允許波動范圍；

步驟三、若|δf|＞ε，ε為電網頻率允許偏差，一般選取0.2～0.5，電熱鍋爐參與系統調頻控制，計算電熱鍋爐最大調頻潛力并調整鍋爐加熱功率，即鍋爐出水溫度在一段時間t0后達到tmax所需的加熱功率；若|δf|＜ε，進入下一個采樣周期；

步驟四、獲取各類負荷狀態并根據系統頻率響應模塊獲取t+1時刻系統頻率變化量δf(t+1)；

步驟五、一段時間t0后，電熱鍋爐退出調頻，加熱功率返回未參與調頻狀態時的數值。

所述步驟一中的t+1時刻電熱鍋爐水體平均溫度t(t+1)計算公式如下：

其中，c表示水比熱容；m表示加熱環節水體質量；t表示水體水溫平均值；α表示加熱效率系數；δp(s)表示鍋爐加熱功率變化積分量；δtin(s)表示鍋爐加熱環節回水溫度變化積分量；u表示循環流量；tout表示鍋爐加熱環節出水溫度；tin表示鍋爐加熱環節回水溫度；s表示對時間的導數算子。

所述步驟三中的最大調頻潛力計算公式如下：

式中，δpmin為最小調頻潛力；δpmax為最大調頻潛力；tmin為鍋爐水體平均溫度最小值；t0為穩態運作時鍋爐水體平均溫度；tmax為鍋爐水體平均溫度最大值；t0為鍋爐參與調頻時間，一般選取5min～15min。

1、有益效果

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1)本發明從需求側角度將電熱鍋爐這種具有儲能特性的負荷引入到系統頻率調節中，改善了系統頻率特性，減少負荷突然變動時的頻率波動，加快頻率恢復速度，有效減少調頻備用發電機組的容量需求，減少調頻成本。

2)電熱鍋爐參與系統調頻模型構建包含兩個部分：(1)電熱鍋爐動態模型；(2)電熱鍋爐頻率響應模塊。這兩個模塊相輔相成，電熱鍋爐動態模型依據加熱過程的物理狀態建立電熱鍋爐水溫方程，為頻率響應模塊提供實時的水溫狀態，同時電熱鍋爐頻率響應模塊決定的電熱鍋爐加熱功率反饋到電熱鍋爐模型，影響電熱鍋爐水溫狀態變量。

3)控制電熱鍋爐進行調頻的過程，既能夠充分考慮電熱鍋爐自身參數的限制，將電熱鍋爐安全穩定控制放在第一位，又能充分發揮電熱鍋爐的調頻潛力。即電熱鍋爐調頻控制策略中，在滿足出水溫度的上下限的前提下，根據電網頻率狀態及電熱鍋爐水溫方程，最大限度地調用電熱鍋爐加熱功率，參與系統頻率響應。本發明控制系統改變電熱鍋爐負荷大小，實現功率快速調整，維持發電功率和負荷需求的平衡。

附圖說明

圖1為汽輪機調速器模塊；

圖2為汽輪機系統；

圖3為鍋爐調頻控制策略；

圖4為電熱鍋爐參與電力系統調頻模型圖。

圖5為電熱鍋爐動態模型圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明做進一步的詳細說明。

為將電熱鍋爐有效地參與到電力系統頻率穩定與控制中，綜合考慮發電機一次調頻、常規負荷調頻和電熱鍋爐調頻三種調頻方式，建立發電機-負荷頻率響應模型。

發電機側參與系統頻率需要考慮原動機及其調速系統的動態特性，為此需建立相應的數學模型。典型原動機系統包括汽輪機調速模塊如圖1所示和汽輪機模塊如圖2所示。

汽輪機調速模塊包括汽輪機一次調頻系統、繼動器和液壓油動機三部分組成。其中一次調頻系統是將電網頻率變化量δf經單位調節功率kg，加入到調速器模塊的機械功率整定值pref中，以改變發電系統的機械功率輸出值pm。繼動器采用一階慣性環節模塊，時間常數為tsr。油動機采用單位輸出反饋，tsm為油動機積分時間常數，μ為氣門開度。

汽輪機模塊采用計及高壓蒸汽、中間再熱蒸汽及低壓蒸汽容積效應的三階模型。tch、trh和tco分別為高壓缸汽室、中間再熱管以及跨界管的蒸汽容積時間常數，f1、f2、f3分別為高、中、低壓穩態輸出功率占總輸出的百分比。

模型建立

(1)發電機調頻模型

發電機側參與系統頻率需要考慮原動機及其調速系統的動態特性，為此需建立相應的數學模型。典型原動機系統包括汽輪機調速模塊和汽輪機模塊，調速器系統又稱為發電機組的一次調頻系統，其功頻靜特性為：

δpg＝-kgδf(1)

式中δpg——發電機功率變化量；

kg——發電機的單位調節功率；

δf——系統頻率變化量。

將電網頻率變化量δf經單位調節功率kg，加入到調速器模塊的機械功率整定值pref中，以改變發電系統的機械功率輸出值pm，構成發電系統的一次調頻系統如圖1、2所示。

(2)常規負荷調頻模型

忽略負荷電壓等因素，負荷吸收的有功功率的大小與系統頻率變化呈線性，其功頻靜特性為：

式中δpl——負荷功率變化量；

kl——負荷的單位調節功率；

kl*——負荷的單位調節功率標幺值；

fn——系統額定運行頻率；

pln——額定頻率下的系統負荷；

δf——系統頻率變化量。

(3)發電機-負荷頻率響應模型

發電機的轉子運動標幺值方程：

式中，h——發電機組慣性常量；

ω——轉子角速度和同步速的偏差；

d——定常阻尼系數；

pm——發電機的機械功率；

pe——系統電磁功率。

當電力系統中電磁功率隨著負荷的變化才能使系統平衡，即pe＝pl。當負荷發生變化增量變化時，轉子運動方程的增量方程為：

式中，δω——轉子角速度和同步速的偏差增量變化；δpm——發電機的機械功率增量變化；δpl——負荷功率增量變化；

將上式進行拉普拉斯變換后得：

δpm-δpl＝(2hs+d)δω(5)

式中，s——對時間的導數算子；

用標幺值表示時，δω＝δf，則式(5)也可表示為：

δpm-δpl＝(2hs+d)δf(6)

(4)電熱鍋爐調頻模型

電熱鍋爐是一個大功率的電力調功設備，目前國內電熱鍋爐采用電阻式管狀電熱元件，加熱系統的加熱功率主要轉化為兩部分能量：引起鍋爐水體溫度變化的功率和鍋爐水體循環功率。依此建立鍋爐加熱系統水溫方程如式(7)：

式中c——水比熱容(j/℃)；

m——加熱環節水體質量(kg)；

t——水體水溫平均值(℃)；

α——加熱效率系數；

p——鍋爐加熱功率(kw)；

u——循環流量(kg/s)；

tout、tin——鍋爐加熱環節出水和回水溫度(℃)。

水溫方程的增量方程為：

式中，δtout——鍋爐加熱環節出水溫度增量變化(℃)；

δtin——鍋爐加熱環節回水溫度增量變化(℃)；

p0——初始狀態時，鍋爐加熱功率(w)；

tout0——初始狀態時，鍋爐加熱環節出水溫度(℃)；

δp——電熱鍋爐加熱功率增量變化(w)。

將式(8)進行拉普拉斯變換后得：

由此，可得電熱鍋爐的動態模型如圖5所示。

電熱鍋爐調頻控制策略

電熱鍋爐調頻的原理為通過系統頻率偏差信號和實時水體溫度值，迅速調整自身工作狀態和消耗功率大小。考慮電熱鍋爐工作特性以及其調頻時間需涵蓋系統一次調頻過程，本文規定電熱鍋爐參與調頻時間t0為5min，5min后自動退出調頻模式，以保證電熱鍋爐正常穩定運行，主要的控制方法如圖3所示。

s1：實時監測系統頻率變化δf和鍋爐加熱環節水體溫度t；

s2：首先進入第一個采樣周期，獲取電網實時頻率，判斷其是否超過頻率設定上下限；

s3：若電網頻率越上限，電熱鍋爐進入調頻模式，根據式(3)計算鍋爐出水溫度在5mim時達到鍋爐出水溫度上限tmax所需的加熱功率變化值δpmax；5min后加熱功率恢復初始狀態，電熱鍋爐退出調頻模式。

s4：若電網頻率越下限，電熱鍋爐進入調頻模式，根據式(3)計算鍋爐出水溫度在5mim時達到鍋爐出水溫度下限tmin所需的加熱功率變化值δpmin；5min后加熱功率恢復初始狀態，電熱鍋爐退出調頻模式

s5：進入下一個采樣周期。

本發明提供一種電熱鍋爐參與電網頻率的控制系統，如圖4所示，共包括三大模塊：電熱鍋爐動態模型、電熱鍋爐頻率響應模型、發電機系統等值模型。電熱鍋爐動態模型是根據當前時刻的回水溫度及加熱功率采樣值計算下一時刻的電熱鍋爐水體平均溫度，并將其傳遞給電熱鍋爐頻率響應模塊；電熱鍋爐頻率響應模型首先根據電網頻率變化判斷是否參與系統調頻，并計算電熱鍋爐的調頻潛力；發電機系統等值模型是根據各類負荷的狀態結合轉子運動方程，獲取系統頻率波動情況。

以一個單區域的網絡為例，考慮電熱鍋爐工作特性以及其調頻時間需涵蓋系統一次調頻過程，本文規定電熱鍋爐參與調頻時間t0為5min。當負荷在10s時突然增加150kw，結合圖3、4，具體說明本發明方法的實施過程：

第一步：進入第一個采樣周期，獲取t時刻回水溫度tin(t)＝60℃、鍋爐加熱功率peboil(t)＝200kw，根據式(9)可知一個采樣周期鍋爐水體出水溫度的改變量δtout不變，t+1時刻電熱鍋爐水體出水溫度保持t(t+1)＝87℃；

第二步：電熱鍋爐頻率響應模塊獲取系統頻率變化量δf(t)，并判斷|δf|是否大于頻率允許波動范圍；

第三步：若|δf|＞ε，電熱鍋爐參與系統調頻控制，則采樣t+1時刻電熱鍋爐水體出水溫度t(t+1)＝87℃代入式(8)，計算電熱鍋爐最大調頻潛力即鍋爐加熱功率調整為peboil＝200-δpmin＝100.59kw；若|δf|＜ε，進入下一個采樣周期；

第四步：獲取各類負荷狀態并根據系統頻率響應模塊獲取t+1時刻系統頻率變化量δf(t+1)；

第五步：5min后，鍋爐水溫降低了8.625℃，加熱功率peboil＝100.59kw，相比于鍋爐未參與調頻，系統頻率變化量δf減小了0.1112hz，電熱鍋爐退出調頻，此時加熱功率返回未參與調頻狀態時的數值peboil＝200kw，一段時間后水體溫度也相應的恢復到穩定狀態。