技术领域
[0001] 本
发明涉及网源协调控制技术领域，尤其涉及一种基于飞轮储能的火电机组一次调频控制方法及装置。
背景技术
[0002] 在特高压
电网和大区电网互联的新形势下，各级电网联系日渐紧密，电网和机组之间协调配合的要求也越来越高。同时，我国新
能源装机及发电量快速提升，新能源装机 (
风电、光伏、核电)占比从2016年年底不足16％提升至2017年9月底的18.5％以上。截止到2017年9月，新能源总装机容量达到275GW，新增火电装机容量占比仅有33％，新能源装机占比达到58％，中国未来将建成7个千万级风电基地，到2020年将有总共 150GW的风电并入各个区域电网。同时，区域间互联的日益紧密，电
力系统将面临区域间大量的电力转移和潮流的大范围
波动。
[0003] 随着我国电网结构向大机组、高参数和特高压方向发展，目前传统的调频方法越来越不能适应这种变化。并且电力系统接入越来越多的风电和
光伏发电，系统的负荷波动性变得越来越明显，区域电网内调频的压力也将越来越大。如何确保电力系统的
频率稳定以及安全性、可靠性是当今中国电网亟待解决的问题之一。近年来，基于全球卫星
定位系统(GPS)技术的同步向量测量技术不断成熟和发展，从根本上解决了不同空间
位置的数据同步采集问题，实现了机组广域量测信息的同步采集；同时，电网管辖范围内的PMU装置布点与量测配置日益完善与丰富，为机组一次调频性能在线监测与分析奠定了良好的数据
基础。对于目前中国电网的主要组成部分和主要调频依托，火力
发电机组的一次调频主要是通过调节DEH(Digital Electric Hydraulic Control System，
汽轮机数字电液控制系统)的进气调节
门，利用
锅炉蓄热，在电网出现异常时快速响应电网的要求，稳定电网频率，以弥补电网负荷差距，从而维持电网的安全。
[0004] 目前，储能技术已经在电力行业的调频调峰领域得到应用，但一般采用的是化学储能，存在充放电次数受限等问题，故一般应用于AGC(自动发电控制)，属于二次调频领域。飞轮储能(Flywheel energy storage，缩写：FES)是一种源于航天的先进物理储能技术，是利用
电能驱动飞轮高速旋转，将电能转换为机械能，在需要的时候通过飞轮惯性拖动电机发电，将储存的机械能变为电能输出(及所谓的飞轮放电)的一种储能方式。不同于其他
电池技术，其优越性体现在短时间、高频次、大功率充放电特性上。主要应用在电网调频、新能源场站并网等领域。飞轮储能的功率特性好，响应速度快：毫秒级大功率充放电、可靠性高；
高效率、免维护：磁悬浮
支撑无摩擦损耗，系统维护周期长；使用寿命长：不受重复深放电次数影响，使用寿命一般在15年以上；绿色环保、无污染：物理储能，无化学物质，无电池后期回收压力。
[0005] 国内各区域电网均按照国家的“两个
细则”制定了相应的标准和实施细则，对一次调频积分电量进行奖惩，各区域电网的并网
发电厂辅助服务管理实施细则中对一次调频的规定基本相同，比如西北区域电网规定一次调频合格率不小于60％，山东电网规定不小于70％。如图1所示，一次调频格率等于机组一次调频实际积分电量与理论月积分电量之比的百分数，也就是由理论功率曲线2构成的积分面积A和实际功率曲线3构成的积分面积B的比值。在机组实际运行中，由于汽轮机调门等执行机构的本身所固有的迟延特性，机组在电网频率变化的前期，尤其是前几秒机组的功率不发生变化或变化较小，一方面会造成调频控制
精度的降低，导致因电网考核中的有功变化量指标不达标等问题受到电网的考核；另一方面机组调频补偿功率调节的不及时会造成电网频率的不稳定，影响安全稳定生产。
发明内容
[0006] 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于飞轮储能的火电机组一次调频控制方法及装置，能根据电网频率值的变化和自身储能容量，与机组协调配合实现调频功率的动态快速补偿，在有效利用储能和降低机组动作的同时确保电网安稳运行。
[0007] 具体地，本发明的一种基于飞轮储能的火电机组一次调频控制方法，包括如下步骤：
[0008] 根据采集到的电网频率值，计算求取对应的一次调频功率增量ΔP；根据采集到的飞轮储能装置的额定功率值PF-Rated和实时功率值PF-Actual，计算飞轮储能装置所能释放的功率值和所能吸收的功率值；根据飞轮储能装置的实际功率调节能力，动态判断分配一次调频补偿动作中机组需提供的功率变化量ΔPU和飞轮储能装置需提供的功率变化量ΔPF。
[0009] 可选地，当一次调频功率增量大于0且不大于飞轮储能装置所能释放的功率值，即 0＜ΔP≤PF-Actual时，此时机组的汽轮机调门保持不变、功率保持不变，仅由飞轮储能装置提供一次调频所需的功率增量。
[0010] 进一步地，机组需提供的功率变化量ΔPU＝0，飞轮储能装置需提供的功率变化量ΔPF＝ΔP。
[0011] 进一步地，功率正值代表飞轮储能装置处于放电、机组处于增加功率状态。
[0012] 可选地，当一次调频功率增量大于飞轮储能装置所能释放的功率值，即ΔP＞PF-Actual时，仅依靠飞轮储能装置不能提供一次调频所需的功率增量，此时由机组和飞轮储能装置共同提供一次调频所需的功率增量。
[0013] 进一步地，机组需提供的功率增量ΔPU＝ΔP-PF-Actual，飞轮储能装置需释放的功率值ΔPF＝PF-Actual。
[0014] 可选地，当一次调频功率增量小于0且不大于飞轮储能装置所能吸收的功率值，即 (PF-Actual-PF-Rated)≤ΔP＜0时，此时机组的汽轮机调门保持不变、功率保持不变，根据一次调频功率增量将机组产生的多余的功率充入至飞轮储能装置中。
[0015] 进一步地，机组需提供的功率变化量ΔPU＝0，飞轮储能装置需提供的功率变化量ΔPF＝ΔP。
[0016] 进一步地，功率负值代表飞轮储能装置处于充电、机组处于降低功率状态。
[0017] 可选地，当一次调频功率增量大于飞轮储能装置所能吸收的功率值，即ΔP＜(PF-Actual-PF-Rated)时，此时一次调频所需下降的功率增量大于飞轮储能装置吸收能力，需机组进行关小汽轮机调门实现功率下降的操作。
[0018] 进一步地，机组需提供的功率下降值ΔPU＝ΔP-(PF-Actual-PF-Rated)，飞轮储能装置所能吸收的功率值ΔPF＝PF-Actual-PF-Rated。
[0019] 本发明还提供一种基于飞轮储能的火电机组一次调频控制装置，包括：函数模
块 F(x)、比较器模块CMP1、比较器模块CMP2、比较器模块CMP3、模拟量选择器AXSEL1、模拟量选择器AXSEL2、模拟量选择器AXSEL3、模拟量选择器AXSEL4、模拟量选择器AXSEL5、减法器模块DEV1、减法器模块DEV2、减法器模块DEV3、减法器模块 DEV4、逻辑与模块AND1、逻辑与模块AND2、逻辑或模块OR、逻辑非模块NOT1、逻辑与模块NOT2、逻辑非模块NOT3；
[0020] 将采集到的频率测量值送至减法器模块DEV1与频率标准值50Hz求得频差值，经由函数模块F(x)计算求取对应的一次调频功率增量ΔP，ΔP一路送至比较器模块CMP1 的第一输入端与数值0相比较，一路送至比较器模块CMP2的第一输入端与采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual相比较，比较器模块CMP1的输出一路送至逻辑与模块AND1的第一输入端，比较器模块CMP2的输出一路经过逻辑非模块NOT1取反后送至逻辑与模块AND1的第二输入端，逻辑与模块AND1的输出送至逻辑或模块OR的第一输入端；
[0021] 将采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual和额定功率值PF-Rated分别送至减法器模块DEV2的第一输入端和第二输入端，将求得的差值一路送至比较器模块CMP3的第二输入端，与比较器模块CMP3的第一输入端接收到的一次调频功率增量ΔP相比较，比较器模块CMP3的输出一路送至逻辑与模块AND2的第二输入端，比较器模块CMP1 的输出一路经过逻辑非模块NOT2取反后送至与逻辑与模块AND2的第一输入端，逻辑与模块AND2的输出送至逻辑或模块OR的第二输入端；
[0022] 逻辑或模块OR的输出送至模拟量选择器AXSEL1的置位端，模拟量选择器 AXSEL1的第一输入端接收函数模块F(x)输出的一次调频功率增量ΔP，模拟量选择器 AXSEL1的输出送至模拟量选择器AXSEL2的第二输入端，模拟量选择器AXSEL2的第一输入端接收采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual，模拟量选择器AXSEL2 的置位端接收比较器模块CMP2的输出
信号，模拟量选择器AXSEL2的输出送至模拟量选择器AXSEL3的第二输入端，模拟量选择器AXSEL3的第一输入端接收减法器模块DEV2的输出值，模拟量选择器AXSEL3的置位端接收比较器模块CMP3的输出经过逻辑非模块NOT3取反后的信号，模拟量选择器AXSEL3的输出值送至飞轮储能装置进行功率增减即充放电操作；
[0023] 将函数模块F(x)求得的一次调频功率增量ΔP分别送至减法器模块DEV3和减法器模块DEV4的第一输入端，减法器模块DEV3的第二输入端接收采集到的飞轮储能装置的实时功率值PFActual，减法器模块DEV4的第二输入端接收减法器模块DEV2的输出，减法器模块DEV3的输出送至模拟量选择器AXSEL4的第一输入端，模拟量选择器 AXSEL4的置位端接收比较器模块CMP2的
输出信号，减法器模块DEV4的输出送至模拟量选择器AXSEL5的第一输入端，模拟量选择器AXSEL4的输出送至模拟量选择器 AXSEL5的第二输入端，模拟量选择器AXSEL5的置位端接收逻辑非模块NOT3的输出信号，模拟量选择器AXSEL5的输出值送至机组进行功率增减操作。
[0024] 其中所述模拟量选择器AXSEL1和模拟量选择器AXSEL4的第二输入端均置常量 0。
[0025] 进一步地，模拟量选择器AXSEL3的输出值为正时飞轮储能装置进行放电操作，模拟量选择器AXSEL3的输出值为负时飞轮春泥更装置进行充电操作。
[0026] 模拟量选择器AXSEL5的输出值为正时机组功率提升操作，模拟量选择器AXSEL5 的输出值为负时机组进行功率降低操作。
[0027] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0028] (1)本发明利用飞轮储能系统快速精确充放电功率的能力，弥补火电机组由于其固有的迟延特性造成的调频前期做功不足问题，提高机组的一次调频控制精度，满足电网考核中的有功变化量考核指标要求。
[0029] (2)本发明通过对飞轮储能装置的功率动态监测以及一次调频补偿功率需求分析，动态调配调频增量在机组和储能装置之间的分配，充分利用飞轮储能装置来进行调频补偿，降低了一次调频对机组造成的干扰，实现了节能降耗，在有效利用储能和降低机组动作的同时确保电网安稳运行。
附图说明
[0030] 图1为一次调频积分电量指数计算图；
[0031] 图2为本发明的基于飞轮储能的火电机组一次调频控制方法
流程图。
[0032] 图3为本发明的基于飞轮储能的火电机组一次调频控制装置示意图。
具体实施方式
[0033] 为了使本技术领域的人员更好地理解本
申请中的技术方案，下面将结合本申请
实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0034] 为了更好地理解本申请，下面结合附图来详细解释本申请的实施方式。
[0035] 如图2所示，本实施例中的方法包括如下过程：
[0036] 根据采集到的电网频率值，计算求取对应的一次调频功率增量ΔP；根据采集到的飞轮储能装置的额定功率值PF-Rated和实时功率值PF-Actual，计算飞轮储能装置所能释放的功率值和所能吸收的功率值；根据飞轮储能装置的实际功率调节能力，动态判断分配一次调频补偿动作中机组需提供的功率变化量ΔPU和飞轮储能装置需提供的功率变化量ΔPF。
[0037] 其中ΔP可以根据GB/T 30370《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》等标准求取。
[0038] (1)当一次调频功率增量大于0且不大于飞轮储能装置所能释放的功率值，即 0＜ΔP≤PF-Actual时，此时机组的汽轮机调门保持不变、功率保持不变，仅由飞轮储能装置提供一次调频所需的功率增量，即ΔPU＝0，ΔPF＝ΔP，功率正值代表飞轮储能装置处于放电、机组处于增加功率状态；
[0039] (2)当一次调频功率增量大于飞轮储能装置所能释放的功率值，即ΔP＞PF-Actual时，仅依靠飞轮储能装置不能提供一次调频所需的功率增量，此时由机组和飞轮储能装置共同提供一次调频所需的功率增量，ΔPU＝ΔP-PF-Actual，ΔPF＝PF-Actual；
[0040] (3)当一次调频功率增量小于0且不大于飞轮储能装置所能吸收的功率值，即 (PF-Actual-PF-Rated)≤ΔP＜0时，此时机组的汽轮机调门保持不变、功率保持不变，根据一次调频功率增量将机组产生的多余的功率充入至飞轮储能装置中，ΔPU＝0，ΔPF＝ΔP，负值代表飞轮储能装置处于充电、机组处于降低功率状态；
[0041] (4)当一次调频功率增量大于飞轮储能装置所能吸收的功率值，即ΔP＜(PF-Actual-PF-Rated)时，此时一次调频所需下降的功率增量大于飞轮储能装置吸收能力，需机组进行关小汽轮机调门实现功率下降的操作，ΔPU＝ΔP-(PF-Actual-PF-Rated)，ΔPF＝PF-Actual-PF-Rated。
[0042] 图3为本发明所提供的一种基于飞轮储能的火电机组一次调频控制装置示意图，参见图3，该装置包括：
[0043] 函数模块F(x)、比较器模块CMP1、比较器模块CMP2、比较器模块CMP3、模拟量选择器AXSEL1、模拟量选择器AXSEL2、模拟量选择器AXSEL3、模拟量选择器 AXSEL4、模拟量选择器AXSEL5、减法器模块DEV1、减法器模块DEV2、减法器模块DEV3、减法器模块DEV4、逻辑与模块AND1、逻辑与模块AND2、逻辑或模块OR、逻辑非模块NOT1、逻辑与模块NOT2、逻辑非模块NOT3；
[0044] 将采集到的频率测量值送至减法器模块DEV1与频率标准值50Hz求得频差值，经由函数模块F(x)计算求取对应的一次调频功率增量ΔP，ΔP一路送至比较器模块CMP1 的第一输入端X1与数值0相比较，一路送至比较器模块CMP2的第一输入端X1与采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual相比较，比较器模块CMP1的输出一路送至逻辑与模块AND1的第一输入端Z1，比较器模块CMP2的输出一路经过逻辑非模块 NOT1取反后送至逻辑与模块AND1的第二输入端Z2，逻辑与模块AND1的输出送至逻辑或模块OR的第一输入端Z1；
[0045] 将采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual和额定功率值PF-Rated分别送至减法器模块DEV2的第一输入端X1和第二输入端X2，将求得的差值一路送至比较器模块 CMP3的第二输入端X2，与比较器模块CMP3的第一输入端X1接收到的一次调频功率增量ΔP相比较，比较器模块CMP3的输出一路送至逻辑与模块AND2的第二输入端Z2，比较器模块CMP1的输出一路经过逻辑非模块NOT2取反后送至与逻辑与模块AND2 的第一输入端Z1，逻辑与模块AND2的输出送至逻辑或模块OR的第二输入端Z2；
[0046] 逻辑或模块OR的输出送至模拟量选择器AXSEL1的置位端S，模拟量选择器 AXSEL1的第一输入端X1接收函数模块F(x)输出的一次调频功率增量ΔP，模拟量选择器AXSEL1的输出送至模拟量选择器AXSEL2的第二输入端X2，模拟量选择器AXSEL2 的第一输入端X1接收采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual，模拟量选择器 AXSEL2的置位端S接收比较器模块CMP2的输出信号，模拟量选择器AXSEL2的输出送至模拟量选择器AXSEL3的第二输入端X2，模拟量选择器AXSEL3的第一输入端 X1接收减法器模块DEV2的输出值，模拟量选择器AXSEL3的置位端S接收比较器模块CMP3的输出经过逻辑非模块NOT3取反后的信号，模拟量选择器AXSEL3的输出值送至飞轮储能装置进行功率增减即充放电操作；
[0047] 将函数模块F(x)求得的一次调频功率增量ΔP分别送至减法器模块DEV3和减法器模块DEV4的第一输入端X1，减法器模块DEV3的第二输入端X2接收采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual，减法器模块DEV4的第二输入端X2接收减法器模块 DEV2的输出，减法器模块DEV3的输出送至模拟量选择器AXSEL4的第一输入端X1，模拟量选择器AXSEL4的置位端S接收比较器模块CMP2的输出信号，减法器模块 DEV4的输出送至模拟量选择器AXSEL5的第一输入端X1，模拟量选择器AXSEL4的输出送至模拟量选择器AXSEL5的第二输入端X2，模拟量选择器AXSEL5的置位端S 接收逻辑非模块NOT3的输出信号，模拟量选择器AXSEL5的输出值送至机组进行功率增减操作。
[0048] 模拟量选择器AXSEL1和模拟量选择器AXSEL4的第二输入端X2均置常量0。
[0049] 以西北区域电网为例，给出本发明所提出的方法在实际电网中的应用实例。
[0050] 在西北区域电网并网发电厂辅助服务管理实施细则规定，一次调频月度平均合格率：发电机组一次调频月度总实际积分电量与理论月度积分电量之比的百分数。
[0051] (1)火电、燃气机组一次调频平均合格率不小于60％。
[0052] (2)
水电机组一次调频平均合格率不小于50％。
[0053] 月度一次调频平均合格率在满足上述条件情况下进行补偿，按照每高出1％补偿5 分。其中，一次调频积分电量：电网频率超出50±0.033Hz(水电机组按50±0.05Hz计算)时起到恢复至50±0.033Hz(水电机组按50±0.05Hz计算)时止，实际发电出力与起始实际发电出力之差的积分电量，高频少发或低频多发电量为正值，反之，高频多发或低频少发电量为负值。机组当月一次调频积分电量为当月每一次电网频率超出50± 0.033Hz(水电机组按50±0.05Hz计算)时一次调频电量的代数和。
[0054] 网内以300MW级
正压直吹式机组为主，选取一台300MW机组进行分析，辅助建设了一套10MW飞轮储能装置。按照GB/T 30370《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》等一次调频管理规定，转速不等率5％，其最大调频幅度为额定容量的8％，即±24MW，对应的函数模块F(x)中设定的具体参数如表1所示。
[0055] 表1函数模块F(x)中频差-功率对应函数
[0056]频差值Hz 功率增量MW
0.5 24
0.233 24
0.033 0
0 0
-0.033 0
-0.233 -24
-0.5 -24
[0057] 某刻，采集到电网频率测量值49.867Hz，频差值为50-49.867＝0.133Hz，对应的一次调频功率增量ΔP＝12MW，此时飞轮储能装置的实时功率值为PF-Actual＝8MW，ΔP＞PF-Actual，即一次调频功率增量大于飞轮储能装置所能释放的功率值，仅依靠飞轮储能装置不能提供一次调频所需的功率增量，此时由机组和飞轮储能装置共同提供一次调频所需的功率增量，ΔPU＝ΔP-PF-Actual＝4MW，ΔPF＝PF-Actual＝8MW。具体控制流程如下：
[0058] 将采集到的频率测量值49.867Hz送至减法器模块DEV1与频率标准值50Hz求得频差值0.133Hz，经由函数模块F(x)计算求取对应的一次调频功率增量ΔP＝12MW；
[0059] ΔP送至比较器模块CMP1的第一输入端X1与常量0相比较，由于12＞0，所以比较器模块CMP2的输出为高电平“1”；
[0060] ΔP送至比较器模块CMP2的第一输入端X1与采集到的飞轮储能装置的实时功率值PF-Actual相比较，由于12＞8，所以比较器模块CMP2的输出为高电平“1”；
[0061] ΔP送至比较器模块CMP3的第一输入端X1与减法器模块DEV2的输出值相比较，减法器模块DEV2的输出为8-10＝-2，由于12＞-2，所以比较器模块CMP3的输出为高电平“1”；
[0062] 比较器模块CMP1的高电平“1”送至逻辑与模块AND1的第一输入端Z1，比较器模块CMP2的高电平“1”输出经过逻辑非模块NOT1取反后变为低电平“0”送至逻辑与模块AND1的第二输入端Z2，由于逻辑与模块AND1的两个输入分别为高电平“1”和低电平“0”，故其输出低电平“0”至逻辑或模块OR的第一输入端Z1；
[0063] 比较器模块CMP1的高电平“1”输出经过逻辑非模块NOT2取反后变为低电平“0”送至逻辑与模块AND2的第一输入端Z1，较器模块CMP3的高电平“1”送至逻辑与模块AND1的第二输入端Z2，由于逻辑与模块AND2的两个输入分别为低电平“0”和高电平“1”，故其输出低电平“0”至逻辑或模块OR的第二输入端Z2；
[0064] 逻辑或模块OR的两个输入均为低电平“0”，则其输出为低电平“0”，则模拟量选择器AXSEL1的置位端S为低电平“0”，选择将第二输入端X2的输入值0输出至模拟量选择器AXSEL2的第二输入端X2；模拟量选择器AXSEL2的置位端S接收来自比较器模块CMP2的输出高电平“1”，选择将第一输入端X1的输入值PF-Actual＝8MW 输出至模拟量选择器AXSEL3的第二输入端X2；比较器模块CMP3的高电平“1”输出经过逻辑非模块NOT3取反后变为低电平“0”送至模拟量选择器AXSEL3的置位端 S，模拟量选择器AXSEL3选择将第二输入端X2的输入值PF-Actual＝8MW输出，即此时飞轮储能装置选择将其剩余
能量8MW释放。
[0065] 模拟量选择器AXSEL4的置位端S接收来比较器模块CMP2的输出高电平“1”，选择将第一输入端X1的输入值输出至模拟量选择器AXSEL5的第二输入端X2，即将减法器模块DEV3的输出ΔPU＝ΔP-PF-Actual＝12-8＝4MW输出到模拟量选择器 AXSEL5的第二输入端X2；比较器模块CMP3的高电平“1”输出经过逻辑非模块NOT3 取反后变为低电平“0”送至模拟量选择器AXSEL5的置位端S，模拟量选择器AXSEL5 选择将第二输入端X2的输入值4MW输出，即此时机组需进行4MW的功率提升。
[0066] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种
修改或
变形仍在本发明的保护范围以内。
