高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻控制方法

常恩山

(榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000)

風能是清潔可再生能源，大力發(fā)展風電，可以在很大程度上減少能源對化石燃料的依賴性，有利于實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標。風電的隨機性與波動性在風電處于電力系統(tǒng)的滲透率逐漸提升的影響下，功率波動變化直接影響著電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性。而儲能電池的響應(yīng)特性突出，因此參與系統(tǒng)調(diào)頻備受關(guān)注，但是成本比較高。因此供熱管網(wǎng)熱慣性較大，散熱時長不固定，在短時間內(nèi)停止供熱，會直接影響供熱溫度，所以，電儲熱系統(tǒng)可積極參與調(diào)頻[1]。

1 儲熱控制模型

基于模糊邏輯的調(diào)頻控制流程[2]具體如圖1所示。從圖1可以看出，儲熱出力(Pout)包含兩大部分，即儲熱消納棄風基準出力(Ph,ref)，時間尺度15 min，以此調(diào)峰；儲熱調(diào)頻出力(Phf)，時間尺度是s級別[3]。即

Pout=Ph,ref+Phf

(1)

儲熱參與調(diào)頻出力約束，即

-Ph,ref≤Phf≤Pout-Ph,ref

(2)

2 高壓電儲熱參與一次性調(diào)頻控制

2.1 調(diào)頻控制設(shè)計

以棄風供熱模式作為基礎(chǔ)，高壓電儲熱參與電力系統(tǒng)一次性調(diào)頻控制流程具體如圖1所示。其中，棄風供熱模式能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度優(yōu)化，并且時間尺度比較長，有利于提高風電消納水平，以此為儲熱參考功率奠定堅實的基礎(chǔ)。而在電網(wǎng)頻率波動比較大的時候，采用基于模糊控制的高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻控制方法，實現(xiàn)功率調(diào)整，并有助于解決風電功率波動較多造成的調(diào)頻控制能力下降問題。

高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻時，以頻率偏差(△f)與風電實際出力(PQf)為載體有效控制系統(tǒng)出力，具體控制流程如圖2所示。

圖1 調(diào)頻控制流程

圖2 模糊控制流程

為防止調(diào)頻控制的反復(fù)性，在頻率偏差超過±0.05 Hz的時候，啟動模糊控制器。而在頻率偏差處于0.05 Hz以內(nèi)的時候，系統(tǒng)不用進行調(diào)頻，此時儲熱系統(tǒng)出力則為0，表明儲熱不參與電網(wǎng)調(diào)頻環(huán)節(jié)。在頻率偏差超出0.05 Hz的時候，如果風電實際出力為0，那么儲熱系統(tǒng)出力為0，這主要是由于系統(tǒng)并未棄風電，也就不存在參與調(diào)頻的儲熱裕量。對此，系統(tǒng)便利用切負荷等方式保證電網(wǎng)穩(wěn)定性。而如果風電實際出力不為0，那么高壓電儲熱便能參與電網(wǎng)調(diào)頻，并且具備較好的上下調(diào)頻調(diào)節(jié)能力。依據(jù)基于模糊控制的高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻控制方法相關(guān)策略，以自適應(yīng)為載體確定儲熱參與一次性調(diào)頻詳細功率[4]。

2.2 調(diào)頻控制策略

模糊控制在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，這主要是由于模糊控制不會對數(shù)學(xué)模型形成依賴，只需要根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)進行自適應(yīng)調(diào)控即可，而且非線性控制效果較好。所以，選擇模糊控制方法實現(xiàn)高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻功率的適度調(diào)整。模糊控制器設(shè)計框架具體如圖3所示。其中，輸入為頻率偏差(△f)與頻率偏差變化率(△f/△t)，輸出為儲熱調(diào)頻輸出功率(Phf)。

圖3 模糊控制器

對△f與△f/△t進行檢測，基于模糊邏輯規(guī)則動態(tài)調(diào)整高壓電儲熱參與調(diào)頻有功出力[5]。具體控制過程為

1)輸入輸出變量模糊化

基于三角形隸屬函數(shù)，度范圍為[0,1]，把△f與△f/△t劃分成5×5個模糊子集，即[NB]、[NS]、[Z]、[PS]、[PB]，表示負大、負小、零、正小、正大，獲得Phf同樣劃分為五個等級，即[NB]、[NS]、[Z]、[PS]、[PB]。

依據(jù)儲熱調(diào)頻控制系統(tǒng)具體狀況，進一步明確輸入變量論域，還可以根據(jù)系統(tǒng)長期統(tǒng)計規(guī)律加以確定。假設(shè)△f與△f/△t的論域范圍為[-a,a]與[-b,b]，而

(3)

根據(jù)高壓電儲熱調(diào)頻功率與儲熱輸出功率的比例進一步確定輸出變量的論域，假設(shè)論域為[-p,p]，即

(4)

2)模糊推理

高壓電儲熱輔助調(diào)頻相關(guān)規(guī)則具體如表1所示，以Mamdani最小規(guī)則為載體獲取模糊蘊含關(guān)聯(lián)，便能夠獲得模糊子集所表征地輸出量。

表1 模糊控制規(guī)律表

3)解模糊化

以最大隸屬度法為輔助進行解模糊化計算，通過模糊子集表征的輸出量，獲取調(diào)頻輸出功率的演變值。

2.3 收益建模

基于棄風供熱企業(yè)，進行儲熱系統(tǒng)輔助電網(wǎng)一次性調(diào)頻控制，而作為協(xié)調(diào)載體，電網(wǎng)在很大程度上為棄風供熱企業(yè)調(diào)頻提供了幫助。通過對高壓電儲熱參與調(diào)頻經(jīng)濟收益的詳細分析，充分考慮了投資成本、運行成本、經(jīng)濟補償?shù)?。就并網(wǎng)發(fā)電廠為輔助的調(diào)頻調(diào)整電量而言，根據(jù)每一萬千瓦時給予1 200元補償條件，實現(xiàn)調(diào)頻建模，即

S=fa-Ta

Ta=F1+F2

(5)

式中：S為經(jīng)濟收益；fa為按貢獻電量參與調(diào)頻補償；Ta為調(diào)頻成本；F1為運行成本；F2為安裝成本；ε為按貢獻電量補償價格，即120元/(MW·h)，puhf為運行成本單價；puhc為安裝成本單價，因為儲熱裝置是固定的，因此安裝成本單價為0[6]。

3 實例分析

3.1 數(shù)據(jù)資料

以Q區(qū)供暖期典型日風電棄風數(shù)據(jù)為例，儲熱相變?nèi)萘繛? 400 MW·h，電熱功率為150 MW。

3.2 調(diào)頻效果

在系統(tǒng)頻率偏差超出0.2 Hz的時候，高壓電儲熱可把冗余風電轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗右源鎯?，參與供熱。而當控制在0.2 Hz以內(nèi)的時候，高壓電儲熱在短時間內(nèi)無法供熱，但是在常溫狀態(tài)下，空氣導(dǎo)熱系數(shù)較小，響應(yīng)時間比較快速，所以在短時間內(nèi)不會影響用戶的用熱需要。所以，基于儲熱電量進行調(diào)頻是可行的。而高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻需要采取有效控制措施，也就是進行量化系數(shù)固定，及時取消模糊控制器，并選取典型量化系數(shù)值，就能夠得到最終調(diào)頻結(jié)果，并嚴格控制頻率偏差處于±0.2，這就表明以模糊控制為基礎(chǔ)的高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻控制具備較高的可行性與精確性。而且，在此基礎(chǔ)上，模糊控制所需調(diào)頻電量大大縮減，而效率卻顯著提升。

3.3 經(jīng)濟效益

基于調(diào)頻效果，高壓電儲能儲熱都可以實現(xiàn)頻率偏差有效控制目標，都可以參與調(diào)頻控制，但是儲能調(diào)頻成本相對較高。選擇鈉硫電池儲能參數(shù)與儲熱參數(shù)，忽視裝置與安裝成本，具體參數(shù)如表2所示。

表2 儲能與儲熱參數(shù) 元/(MW·h)-1

在儲熱參與一次性調(diào)頻經(jīng)濟模型構(gòu)建控制系統(tǒng)頻率偏差于正常范圍時，儲能儲熱凈收益具體如表3所示，其中，儲熱參與一次性調(diào)頻控制的經(jīng)濟效益更優(yōu)[7]。

表3 儲能與儲熱調(diào)頻收益對比結(jié)果

4 結(jié) 論

總之，風電的隨機性與波動性比較突出，因此，在風力發(fā)電與電力系統(tǒng)不斷相互滲透的趨勢下，電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性備受影響。對此，本文提出基于模糊控制的高壓電儲熱參與電網(wǎng)一次性調(diào)頻控制方法。此方法選擇系統(tǒng)頻率偏差及其變化率為輸入量，就模糊邏輯規(guī)則為依據(jù)，對儲熱調(diào)頻功率進行適度調(diào)整，并利用實例對調(diào)頻控制的經(jīng)濟效益進行了分析驗證。結(jié)果表明，高壓電儲熱參與一次性調(diào)頻基于PD控制與模糊控制，儲熱調(diào)頻效率顯著提升，且凈收益較高，經(jīng)濟性良好。