供热机组储能特性分析与快速变负荷控制

摘要

新能源电力大规模并网使电网调峰调频缺口问题日益严重。火电机组弹性运行是解决这一问题的有效措施。火电机组的传统运行重点关注安全、高效和环保等指标，而弹性运行的目的是实现机组快速、深度变负荷。在现有控制水平下，火电机组继续提高变负荷速率，将导致燃料量、主蒸汽压力等主要参数大幅波动，影响自身安全、稳定运行。造成这一现象的本质原因是锅炉储能容量有限，而燃料能量响应过慢，来不及补充锅炉储能。因此，实现火电机组快速变负荷的关键是通过优化控制系统设计充分利用各个环节的储能。
　　通过对火电机组锅炉汽水系统、凝结水系统储能和供热机组热网循环水系统中的热网储能，进行容量定量计算和频率响应特性分析，发现热网储能容量远大于其他机组储能，改变供热调节蝶阀能快速改变机组负荷。且实验表明短时间利用热网储能不会对采暖用户造成可察觉影响。但是，供热机组“以热定电”的运行方式导致大量热网储能未被利用。综合利用储能的基础是建立供热机组控制模型。通过质量和能量守恒分析，建立包含供热调节手段的机组简化动态模型。然后，以工程中常采用的前馈和反馈控制为基础，设计供热机组协调控制方案。由储能分析可知，对象多种输入能量具有互补的尺度特性。如果将控制任务分解，就能实现“分而治之，优势互补”。基于这一多尺度思想，提出一种信号分解方法，将负荷指令或调节器输出分解为尺度互补的信号。匹配分解信号的尺度和输入能量的尺度，形成多尺度前馈和多尺度反馈协调控制方案。
　　研究工作得到以下结论和成果:
　　(1)通过机理分析，总结出一套供热机组储能容量定量计算方法。该方法无需实验，仅需机组设计数据和汽水热力性质数据。分析发现:在空间尺度上，锅炉储能、热网储能、燃料能量三者容量依次增大;在时间尺度上，三者对机前压力和机组负荷响应时间依次增长。
　　(2)提出一种信号速率限制非线性多尺度分解方法。该方法可以将输入信号按变化的幅度大小和速率快慢进行多尺度分解。
　　(3)建立了供热机组简化动态非线性模型。模型输入包含两类供热调节蝶阀开度，符合工程实际。历史数据验证了模型的准确性。
　　(4)在储能多尺度分析和信号多尺度分解的基础上，匹配不同尺度的控制任务与控制手段，提出多尺度前馈和多尺度反馈协调控制方案。仿真实验表明，采用多尺度协调控制方案能够提高供热机组负荷响应速率。
　　根据以上理论成果设计工程方案，并在LPS热电厂进行现场实验。实验表明:采用该方案后，机组实际最大变负荷速率可达到4％Pe/min。这一速率远超过电网规定的1.5％Pe/min，能够有效缓解新能源电力大规模并网给电网调峰调频带来的压力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 新能源电力消纳问题

1．1．2 火电面临的机遇和挑战

1．1．3 供热机组与热网储能

1．2 研究现状

1．2．1 电力系统与热力系统互联

1．2．2 电源与储能系统联合控制

1．2．3 火电热力系统储能及控制

1．2．4 过程控制中的多尺度方法

1．3 研究思路

1．4 主要内容和结构

第2章 供热机组储能空间尺度分析

2．1 热力系统储能分布

2．2 储能系数计算方法

2．2．1 锅炉储能系数

2．2．2 凝结水储能系数

2．2．3 热网储能系数

2．3 储能容量计算实例

2．3．1 锅炉储能容量

2．3．2 凝结水储能容量

2．3．3 热网储能容量

2．4 储能空间尺度分析

2．5 本章小结

第3章 供热机组模型及特性分析

3．1 建模准备

3．1．1 热力系统结构

3．1．2 输入变量选择

3．1．3 两个参考模型

3．2 对象建模

3．2．1 机理分析

3．2．2 模型对比

3．2．3 模型实例

3．2．4 现场验证

3．3 特性分析

3．3．1 机组工作范围

3．3．2 开环特性分析

3．3．3 模型线性化

3．3．4 非线性特性分析

3．3．5 耦合特性分析

3．4 本章小结

第4章 供热机组多尺度前馈控制

4．1 新能源大规模并网条件下AGC指令分析

4．1．1 AGC指令的典型模式

4．1．2 火电机组负荷调节特性

4．1．3 可控电源负荷响应速率

4．2 供热机组负荷指令多尺度分解

4．2．1 信号多尺度分解方法

4．2．2 速率限制多尺度分解

4．2．3 AGC指令多尺度分解

4．3 多尺度前馈控制方案

4．3．1 控制方案选择

4．3．2 控制系统结构

4．3．3 限速环节改进

4．3．4 前馈环节设计

4．3．5 仿真实验

4．4 本章小结

第5章 供热机组多尺度反馈控制

5．1 能量时间多尺度分析

5．1．1 输入能量的响应特性

5．1．2 时间多尺度分析方法

5．1．3 能量时间多尺度分析

5．2 多尺度反馈控制方案

5．2．1 控制系统结构

5．2．2 仿真实验

5．3 工程方案设计与现场验证

5．3．1 工程方案设计

5．3．2 现场实验验证

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介