本發(fā)明涉及用于一次調頻分析的直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法。

背景技術：

由于超臨界及超超臨界機組在經(jīng)濟性、環(huán)保、效率以及容量各方面均優(yōu)于亞臨界機組，超臨界及超超臨界機組已成為未來火電建設的發(fā)展主流。超臨界及超超臨界機組超高溫及超高壓的特點導致其必須采用直流鍋爐，而直流鍋爐存在蓄熱小、對擾動敏感、機爐之間耦合嚴重等問題。隨著風電等間歇性能源并網(wǎng)，電力系統(tǒng)調頻需求增加，超臨界及超超臨界機組功率頻繁變動，將引起直流鍋爐主蒸汽壓力大幅度波動，增加直流鍋爐運行的風險。

從電網(wǎng)運行角度看，與電網(wǎng)直接互聯(lián)的是汽輪機組，所以傳統(tǒng)的機網(wǎng)協(xié)調的重點是發(fā)電機組而較少考慮鍋爐，忽視了鍋爐的安全和動態(tài)特性。傳統(tǒng)的機爐協(xié)調控制指的是當外界負荷變化時，將功率變化指令同時發(fā)給鍋爐及汽輪機控制系統(tǒng)，對調節(jié)閥開度及鍋爐進行同步調整，協(xié)調控制。其控制的核心思想是提高機組對電網(wǎng)負荷變化的響應速度，并未充分考慮大容量高參數(shù)機組在響應負荷波動時造成的鍋爐氣壓波動。在直流鍋爐與汽輪機耦合嚴重、直流鍋爐蓄熱小的背景下，直流鍋爐的安全問題需要重新重視。

由以上分析可知，如果在一次調頻控制中不考慮鍋爐的特性，將會給大容量高參數(shù)火電機組參加一次調頻帶來很大阻力，不利于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術沒有考慮鍋爐的特性，給大容量高參數(shù)火電機組參加一次調頻帶來很大阻力，不利于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的問題，而提出的一種用于一次調頻分析的直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法。

一種用于一次調頻分析的直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法按以下步驟實現(xiàn)：

步驟一：進行直流鍋爐能量狀態(tài)分析，確定直流鍋爐能量狀態(tài)；

步驟二：進行電網(wǎng)能量狀態(tài)分析，確定電網(wǎng)能量狀態(tài)；

步驟三：根據(jù)步驟一確定的直流鍋爐能量狀態(tài)和步驟二確定的電網(wǎng)能量狀態(tài)，確定網(wǎng)源能量協(xié)調控制策略。

發(fā)明效果：

考慮到超臨界及超超臨界機組的特點，本發(fā)明設計了一種新的控制方法：把鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)看作一個控制對象，綜合考慮三者的安全性與穩(wěn)定性問題。在滿足電網(wǎng)安全運行要求的前提下，使火電機組既能充分參與調頻，又能安全高效地運行，達到電網(wǎng)、電源雙贏。

根據(jù)仿真結果，電網(wǎng)能量平衡、微高、較低、很低狀態(tài)下，本發(fā)明方法均對電網(wǎng)頻率產生非常好的影響，且該控制方法利用了鍋爐的動態(tài)能量，使超臨界直流鍋爐主蒸汽壓力波動幅度大幅減小。

(1)直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法可以提高直流鍋爐的壽命。因順勢而為的調頻策略使鍋爐能量利用更合理，鍋爐在運行中壓力、溫度波動減小，直流鍋爐的水冷壁、過熱器的壽命損耗減少，故延長了鍋爐的使用壽命。采用直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法，水冷壁的壽命延長7.19％，過熱器的壽命延長3.85％。

(2)直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法增加了電力系統(tǒng)調頻能力。在包含不同類型機組的電力系統(tǒng)調頻模型基礎上，超臨界機組占20％、其他各類機組均占20％，以1天實際負荷為輸入：在爬坡時段，CPS1從2.77提升到2.91；在平穩(wěn)時段，CPS1從2.86提升到2.96；以全天數(shù)據(jù)計算時，CPS1從2.78提升到2.86?？刂菩阅芫休^好的提升。超臨界機組的SCPS1從1.74提升到2.09，對機組考核有益。

(3)直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法不會對潮流產生大的影響。線路潮流變化量與首末兩端節(jié)點注入功率變化量相關，且與節(jié)點的拓撲結構有關。標幺值下，首末節(jié)點注入功率增量的差值與線路潮流變化量基本相當。保守估計時，直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法對功率該變量在2％以內時，線路潮流變化量也在2％以內。

附圖說明

圖1為修正功率指令法原理示意圖；

圖2為修正一次調頻不等率圖；

圖3為變負荷下電網(wǎng)1000s頻率數(shù)據(jù)圖；

圖4為電網(wǎng)能量平衡狀態(tài)下直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調對功率與主蒸汽壓力的調節(jié)效果圖；

圖5為電網(wǎng)能量較低狀態(tài)下直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調對功率與主蒸汽壓力的調節(jié)效果圖；

圖6為電網(wǎng)能量很低狀態(tài)下直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調對功率與主蒸汽壓力的調節(jié)效果圖。

具體實施方式

具體實施方式一：一種用于一次調頻分析的直流鍋爐、汽輪機、電網(wǎng)協(xié)調控制方法包括以下步驟：

步驟一：進行直流鍋爐能量狀態(tài)分析，確定直流鍋爐能量狀態(tài)；

步驟二：進行電網(wǎng)能量狀態(tài)分析，確定電網(wǎng)能量狀態(tài)；

步驟三：根據(jù)步驟一確定的直流鍋爐能量狀態(tài)和步驟二確定的電網(wǎng)能量狀態(tài)，確定網(wǎng)源能量協(xié)調控制策略。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一中確定控制器的輸入變量和輸出變量具體為：

主蒸汽壓力與能量成較好的線性關系，可以用主蒸汽壓力反應鍋爐動態(tài)能量的高低。實際運行中，只要知道二者之間的轉換系數(shù)即可知道每一時刻的鍋爐能量。轉換系數(shù)在直流鍋爐的調試階段通過在相關位置安裝傳感器一次性獲得。

本發(fā)明依據(jù)直流鍋爐的主蒸汽壓力高低定義鍋爐能量狀態(tài)，如表1所示。一次調頻調節(jié)量的上限一般為3.5％額定功率，因此定義ΔP_tM為3.5％額定功率所對應的時間內受到的主蒸汽壓力差。

表1直流鍋爐能量狀態(tài)

當-0.1MPa≤ΔP_tM≤0.1MPa時，鍋爐能量基本平衡，定義直流鍋爐能量狀態(tài)為平衡，所述ΔP_tM為3.5％額定功率所對應的時間內直流鍋爐受到的主蒸汽壓力差；

當ΔP_tM<-0.1MPa時，鍋爐能量偏低，定義直流鍋爐能量狀態(tài)為短缺；

當ΔP_tM>0.1MPa時，鍋爐能量過剩，定義直流鍋爐能量狀態(tài)為過剩。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟二中確定電網(wǎng)能量狀態(tài)具體為：

本發(fā)明以電網(wǎng)頻率大小來確定電網(wǎng)能量狀態(tài)。結合實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，從分鐘級時間尺度及統(tǒng)計角度對頻率進行的分析，電網(wǎng)頻率波動有以下結論(如表2所示)：

1)在較多時間內(33.2％)，Δf落在[-0.01,0.01]范圍內，電網(wǎng)能量定義為“平衡”。

2)在過半時間內(51.5％)，Δf超出“平衡”范圍但未超出調頻死區(qū)，即落在±[0.01,0.0333]內，定義此時電網(wǎng)能量為“微高”或“微低”。依據(jù)統(tǒng)計結果，Δf落在[-0.0333,+0.0333]區(qū)間內占大多數(shù)(84.7％)。

3)有部分時間(11.6％)，Δf超出死區(qū)，落在[0.033,0.046]區(qū)間內，定義此時電網(wǎng)能量狀態(tài)為“較高”或者“較低”。若Δf超出死區(qū)，則在死區(qū)外的持續(xù)時間1min-2min，需要機組改變出力，使頻率恢復。依據(jù)統(tǒng)計結果，Δf落在[-0.0466,+0.0466]區(qū)間內時間占絕大多數(shù)(96.3％)。

4)少數(shù)時間(3.5％)，Δf落在±[0.0466,0.0699]區(qū)間內，定義此時電網(wǎng)能量狀態(tài)為“很高”或者“很低”。此時電網(wǎng)能量不平衡較為嚴重，一般發(fā)生在小幅度變負荷下，需要機組增加調節(jié)力度，恢復電網(wǎng)頻率。依據(jù)統(tǒng)計結果，Δf落在[-0.0699,+0.0699]區(qū)間內時間占絕大多數(shù)(99.8％)。

5)極少數(shù)時間(0.2％)，Δf落在±[0.0699,0.1]區(qū)間內，定義此時電網(wǎng)能量狀態(tài)為“極低”或“極高”。此時負荷變化幅度大。

表2電網(wǎng)能量狀態(tài)

在區(qū)域電網(wǎng)CPS標準中，B的物理意義為0.1Hz頻差所對應的功率缺額，換言之，依據(jù)頻差的大小，電網(wǎng)當前的功率缺額可以計算。部分電網(wǎng)功頻調差系數(shù)B按如下方法確定：1.5％年度預計最高負荷/0.1Hz。各省網(wǎng)調度部門依據(jù)實際情況數(shù)值會有不同，但不得低于1％年度預計最高負荷/0.1Hz。本發(fā)明B＝1.5％P_yM/0.1Hz，其中P_yM為年度預計最高負荷(MW)。不計及聯(lián)絡線功率偏差時，則本區(qū)域功率余量ΔP_s＝(10B)Δf，調頻力度應該以系統(tǒng)功率余量為基礎。計及聯(lián)絡線功率余量時，本區(qū)域功率余量ΔP_s＝ACE。

依據(jù)上述分析，將電網(wǎng)能量劃分為九種狀態(tài)，分別為平衡、微低、微高、較低、較高、很低、很高、極低、極高，如所示。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中確定網(wǎng)源能量協(xié)調控制策略的具體過程為：

所述協(xié)調控制策略基于以下兩種方法：

(1)修正功率指令法

修正功率指令法原理如圖1所示。虛線外是功頻調節(jié)汽輪機模型，由一個正向通道和功率、頻率兩個反饋通道構成。正向通道包含PI積分、執(zhí)行機構、蒸汽容積、轉子慣量四個環(huán)節(jié)，具體參數(shù)如表3所示。

虛線內是新控制方法，相當于在原來的功率給定值R_t之上增加了一個修正量，該修正量由H(s)給出，H(s)具體取值由直流鍋爐能量的高低決定。P_t為主蒸汽壓力實際值，P_ts為主蒸汽壓力額定值，根據(jù)不同的電網(wǎng)、直流鍋爐狀態(tài)，C的取值有所不同，但均為常數(shù)；

汽輪機模型參數(shù)如表3所示。

(2)修正一次調頻不等率法

修正功率給定的方法可以實現(xiàn)鍋爐能量高則多發(fā)電、能量少則少發(fā)電。但在實際運行中，會出現(xiàn)鍋爐能量高且電網(wǎng)能量高的狀態(tài)，此時超臨界及超超臨界機組依舊要減負荷以滿足電網(wǎng)的一次調頻需求，但出于鍋爐安全的角度，希望在此工況下少承擔一次調頻任務，使鍋爐能量趨于平穩(wěn)。由系統(tǒng)中主蒸汽壓力偏低的機組多承擔該調節(jié)任務。

表3汽輪機模型參數(shù)

借鑒動態(tài)一次調頻的思想，通過改變反饋回路的增益而達到減弱反向調節(jié)效果，即切換一次調頻的控制通道，使得運行在上述情況下時，超臨界及超超臨界機組的調頻作用減弱。如圖2所示。其中一次調頻控制通道1是原來的一次調頻控制通道，即一次調頻控制通道2是為了減弱調節(jié)作用而設計的通道，即δ₂＞δ₁，即投入一次調頻控制通道2時，調頻作用減弱。

增加一個一次調頻控制通道，即原一次調頻控制通道為一次調頻控制通道1，其一次調頻不等率為δ₁；增加的一次調頻控制通道為一次調頻控制通道2，其一次調頻不等率為δ₂；其中δ₂＞δ₁，即投入一次調頻控制通道2時，調頻作用減弱；

綜合以上的電網(wǎng)能量分析和直流鍋爐能量分析，從電網(wǎng)側看，針對提出的九種能量狀態(tài)，超臨界及超超臨界機組該用相應的控制策略保持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。從電源側看，針對表1提出的直流鍋爐的三種能量狀態(tài)，盡量采取順勢而為的控制策略為電網(wǎng)調頻做貢獻，具體地，當鍋爐能量過剩時，多承擔系統(tǒng)Δf<0時段的調節(jié)，適當減輕Δf>0時段的調節(jié)，反之同理，以此達到網(wǎng)源雙贏的目的。

結合以上兩種方法，在不同電網(wǎng)、直流鍋爐能量狀態(tài)下超臨界及超超臨界機組控制策略為：

1)電網(wǎng)能量平衡時：超臨界及超超臨界機組發(fā)電功率與負荷達到平衡，不需要調整，但直流鍋爐因燃煤熱值波動，部分機組能量過剩，部分機組能量短缺，為了使其能量恢復，且不對系統(tǒng)能量平衡帶來影響，允許能量過剩的機組自然釋放能量，能量短缺的機組自然積累能量，允許能量過剩的機組自然釋放能量，能量短缺的機組自然積累能量，自然釋放和自然積累時：C＝0.5，投入一次調頻控制通道1(未超出調頻死區(qū)，一次調頻控制通道1不作用)，保持機組原發(fā)電量不變；能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

2)電網(wǎng)頻率微高時：因尚未超出調頻死區(qū)，機組原則上不必要調節(jié)。部分直流鍋爐因為能量短缺，可以適當減少發(fā)電，既有利于頻率恢復，又使鍋爐主蒸汽壓力恢復，對鍋爐壽命產生有益的影響，能量短缺的直流鍋爐的控制策略為加速積累，加速積累時C＝1，投入一次調頻控制通道1(未超出調頻死區(qū)，一次調頻控制通道1不作用)；加速釋放亦然。能量過剩的機組和能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

3)電網(wǎng)頻率微低時：能量過剩的直流鍋爐的控制策略為加速釋放，加速釋放時：C＝1，投入一次調頻控制通道1；能量短缺的機組和能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

4)電網(wǎng)能量較高時：頻差超出調頻死區(qū)，但電網(wǎng)功率過剩量不超過0.69％P_yM，機組一次調頻應動作以減少發(fā)電量。部分直流鍋爐能量短缺，可較多的為電網(wǎng)提供“負的能量”，除了正常一次調頻外，可以依據(jù)鍋爐主蒸汽壓力的大小適當減少發(fā)電量，既為一次調頻多做貢獻，又利于主蒸汽壓力的恢復，定義為“加速積累+一次調頻”，此時C＝1，投入一次調頻控制通道1。也有部分直流鍋爐能量平衡，定義控制策略為“一次調頻”，此時：投入一次調頻控制通道1，C＝0。還有部分直流鍋爐能量過剩，與電網(wǎng)能量沖突。因此時電網(wǎng)功率過剩量不超過0.69％P_yM，適當減弱一次調頻調節(jié)作用不會對電網(wǎng)調頻帶來負面影響，且對鍋爐能量狀態(tài)的恢復有益，定義控制策略為“一次調頻適當減弱”，此時：C＝0，投入一次調頻控制通道2，機組一次調頻不等率變?yōu)棣?sub>2，即調節(jié)作用為原來一半。電網(wǎng)能量較低同理。

能量短缺的直流鍋爐的控制策略為加速積累和一次調頻，此時C＝1，投入一次調頻控制通道1；能量過剩的直流鍋爐的控制策略為一次調頻適當減弱，此時：C＝0，投入一次調頻控制通道2，機組一次調頻不等率變?yōu)棣?sub>2，即調節(jié)作用減弱；能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

5)電網(wǎng)能量較低時：能量過剩的直流鍋爐的控制策略為加速釋放和一次調頻，此時C＝1，投入一次調頻控制通道1；能量短缺的直流鍋爐的控制策略為一次調頻適當減弱，此時：C＝0，投入一次調頻控制通道2，機組一次調頻不等率變?yōu)棣?sub>2，即調節(jié)作用減弱；能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

6)電網(wǎng)能量很高時：此時電網(wǎng)功率發(fā)生較為嚴重的不平衡，功率過剩量不超過1.05％P_yM。能量短缺的直流鍋爐的控制策略為快速積累和一次調頻，此時：C＝2，投入一次調頻控制通道1；能量過剩的直流鍋爐的控制策略為一次調頻適當減弱，此時：C＝0，投入一次調頻控制通道2，機組一次調頻不等率變?yōu)棣?sub>2，即調節(jié)作用減弱；能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；因為系統(tǒng)中一般配置有一定比例的水輪機、汽包鍋爐型的單元機組、抽水蓄能電站，該類機組的響應速度、蓄熱能力對系統(tǒng)變負荷有較好的響應，一小部分超臨界及超超臨界機組減弱一次調頻不會對系統(tǒng)調頻產生不利的影響。電網(wǎng)能量很低同理

7)電網(wǎng)能量很低時：能量過剩的直流鍋爐的控制策略為快速釋放和一次調頻，此時：C＝2，投入一次調頻控制通道1；能量短缺的直流鍋爐的控制策略為一次調頻適當減弱，此時：C＝0，投入一次調頻控制通道2，機組一次調頻不等率變?yōu)棣?sub>2，即調節(jié)作用減弱；能量平衡的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

8)電網(wǎng)能量極高時：此時發(fā)生較大的擾動，保證電網(wǎng)在擾動后幾分鐘內頻率穩(wěn)定是首要任務。所有機組投入一次調頻，即投入一次調頻控制通道1。能量短缺的直流鍋爐的控制策略為快速積累和一次調頻，即C＝2，投入一次調頻控制通道1；能量平衡的機組和能量過剩的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0；

9)電網(wǎng)能量極低時：能量過剩的直流鍋爐的控制策略為快速釋放和一次調頻，即C＝2，投入一次調頻控制通道1；能量平衡的機組和能量短缺的機組投入一次調頻控制通道1，C＝0。

各網(wǎng)、源能量狀態(tài)下，超臨界及超超臨界單元機組的控制策略如表4所示，具體操作如表5所示。

表4各網(wǎng)、源能量狀態(tài)下機組控制策略

表5各網(wǎng)、源能量狀態(tài)下機組控制策略具體操作

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

實施例一：

為了驗證所提出的爐-機-網(wǎng)協(xié)調控制方法的有效性，依照某電網(wǎng)在較大負荷變動下的1000s頻率數(shù)據(jù)，驗證爐-機-網(wǎng)協(xié)調控制方法相對于原控制方法對鍋爐、電網(wǎng)兩方面的影響。具體地，在電網(wǎng)能量平衡、微高、較低、很低狀態(tài)下，對比爐-機-網(wǎng)協(xié)調控制投入前、后主蒸汽壓力及發(fā)電功率。額定主蒸汽壓力為24.2MPa，頻差的參考值為50Hz，δ₂＝2δ₁。該時間段頻率如圖3所示。

為了說明控制方法在不同的電網(wǎng)能量狀態(tài)、機組能量狀態(tài)下的控制作用，本實施例選取的電網(wǎng)狀態(tài)有：能量平衡(80s-130s)、電網(wǎng)能量微高(130s-160s)、電網(wǎng)能量較低(320s-360s)、電網(wǎng)能量很低(200s-240s)。分別對比爐-機-網(wǎng)協(xié)調控制方法與傳統(tǒng)的一次調頻控制方法下，機組的有功功率與主蒸汽壓力。

在電網(wǎng)能量平衡時。依照控制策略，能量過剩的超臨界機組可以自然釋放能量，能量短缺的超臨界火電機組可以自然積累能量。該機組因能量短缺，自然積累能量，主蒸汽壓力波動減少0.1MPa，恢復效果好；發(fā)電量較原控制方式減少約0.004p.u.，在可接受的范圍內。如圖4中80s-130s曲線所示。在電網(wǎng)能量微高時。依照控制策略，能量短缺的機組加速積累能量，其他機組保持原發(fā)電量。該機組能量短缺，故加速積累能量，主蒸汽壓力恢復較好，發(fā)電量較原控制方式減少約0.008p.u.，也在可接受的范圍內。如圖4中130s-160s曲線所示。

在電網(wǎng)能量較低時。依照控制策略，能量過剩的機組除正常一次調頻外，可加速釋放能量。該機組能量過剩，故加速釋放能量，主蒸汽壓力波動減少0.1MPa，發(fā)電量較原控制方式增加約0.011p.u.。如圖5中320s-360s曲線所示。

電網(wǎng)能量很低時。依照控制策略，能量過剩的機組除了正常一次調頻，可快速釋放能量。該機組能量過剩，故快速釋放，主蒸汽壓力波動減少0.2MPa，發(fā)電量較原控制方式增加約0.020p.u.。如圖6中200s-240s曲線所示。

綜合上述仿真結果，電網(wǎng)能量平衡、微高、較低、很低狀態(tài)下，爐-機-網(wǎng)協(xié)調控制方法均對電網(wǎng)頻率產生非常好的影響，且該控制方法利用了鍋爐的動態(tài)能量，使超臨界直流鍋爐主蒸汽壓力波動幅度大幅減小。