一种电锅炉参与电力系统一次调频的方法和装置

技术领域

本发明属于电力系统和热力系统运行控制领域，更具体地，涉及一种电锅炉参与电力系统一次调频的方法和装置。

背景技术

维持合理的电网频率是电网运行要求的重要保障。电网频率取决于电力系统有功负荷的供求关系，当有功负荷供求平衡关系被打破时，会引起频率变化，严重时导致频率波动过大，影响系统的安全运行。电网发电出力一定情况下，电网负荷增加，会造成系统有功功率不足，结果导致发电机转速下降，电网频率降低；相反，如果电网负荷减小，则会造成系统有功功率过剩，结果导致发电机转速上升，电网频率增高。

目前我国东北、华北、西北(简称“三北地区”)风电、太阳能光伏发电等可再生能源发电资源丰富，但能源消费不足。特别是在供热季小负荷条件下，由于CHP机组采用以热定电方式运行，CHP机组电出力大，同时受电网传输通道限制，可再生能源发电外送往往十分困难，从而导致了比较严重的弃风弃光问题。为解决弃风弃光问题，“三北地区”装配了大量电锅炉作为电负荷消纳风电，减少弃风量。但是由于风电、太阳能光伏发电等可再生能源发电的不确定性、波动性和间歇性，对电力系统频率造成了很大的影响，给系统调频带来更大的压力。

目前，电力系统频率调节主要是由各类同步发电机组(例如三北地区普遍使用的CHP机组、纯凝机组)承担。同步发电机组的一次调频特性可以整定，但电力负荷的一次调频特性不能整定，电锅炉仅仅作为功率型负荷使用，不具备一次调频特性，不作为调节源使用。仅靠CHP机组等同步发电机组参与的一次调频很大程度上无法满足未来“三北地区”电力系统的调频需求。

目前电锅炉仅仅作为功率型负荷使用，不具备一次调频能力。现在在现场装设的风电机组、太阳能光伏发电装置大多数也不具备一次调频能力。在可再生能源发电高渗透率条件下，仅靠CHP机组等同步发电机组参与的一次调频很大程度上无法满足未来“三北地区”电力系统的调频需求。只有同时充分挖掘风电机组、太阳能光伏发电装置、电锅炉等用电设备的一次调频能力，才能很好地解决“三北地区”电力系统的调频问题。

如果将在“三北地区”大量装机的电锅炉在满足热力平衡要求内具有一定的频率调节效应，是保证电网频率之必需。因此，使用带电力电子装置的可调流电锅炉参与电力系统一次调频，使电锅炉具有可整定的一次调频特性对电网频率调节具有重大意义。

发明内容

针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种电锅炉参与电力系统一次调频的方法和装置，旨在增加系统一次调频容量，平衡可再生能源波动带来的电力系统频率波动，解决仅靠CHP机组等同步发电机组参与的一次调频很大程度上无法满足三北地区电力系统的调频需求的问题。

为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种电锅炉参与电力系统一次调频的方法，包括以下步骤：

S1.采样电锅炉供电端口频率，并与上一个采样周期的采样频率进行比较，获得当前周期与上一个采样周期的频率差值；

S2.根据频率差值与整定值获取需要调节的电锅炉功率，并相应地调节电锅炉的输入电流；

其中，所述整定值为调节效应系数，由电力系统统一整定。

进一步地，所述步骤S2中，根据公式

计算所需要的电锅炉输入电流；

其中，P为电锅炉功率；I为电锅炉的输入电流；L为圆柱电极在水中的长度；ρ为溶液的电阻率；b为电极轴心与中心距离；d为电极横截面直径；R为圆筒容器半径；R

进一步地，电锅炉的输入电流通过控制与电锅炉串联的电力电子变换器的可控硅触发角进行调节。

进一步地，所述步骤S2具体包括

若电锅炉供电端口频率低于上一个采样周期的采样频率，则增大电力电子变换器的可控硅触发角；

若电锅炉供电端口频率高于上一个采样周期的采样频率，则减小电力电子变换器的可控硅触发角。

本发明的另一方面提供了一种电锅炉参与电力系统一次调频的装置，包括电力电子变换器、采样元件、控制器和电锅炉；

所述电力电子变换器与所述电锅炉串联连接，且所述电力电子变换器包括可控硅；

所述采样元件采集所述电锅炉的供电端口频率并发送给所述控制器；

所述控制器根据所述电锅炉的供电端口频率改变所述电力电子变换器的可控硅触发角。

进一步地，所述控制器包括

获取模块，获取所述电锅炉的供电端口频率；

比较模块，将当前电锅炉供电端口频率与上一个采样周期的采样频率进行比较，获得当前周期与上一个采样周期的频率差值；

计算模块，根据频率差值与整定值计算需要调节的电锅炉功率，进而获得需要调节所述电力电子变换器的可控硅触发角；其中，所述整定值为调节效应系数，由电力系统统一整定；

执行模块，控制所述电力电子变换器的可控硅触发角进行改变。

进一步地，所述电锅炉为通过改变电流来调节热出力的电锅炉。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)相比于现有方法，本发明使电锅炉在满足热力系统约束条件下具有一次调频特性。由于热力系统的时滞性，在频率波动较大时，短时间改变电锅炉的电功率参与调频，不会对热力系统供热产生较大影响；

(2)相比于现有方法，本发明方法可使电锅炉具有正、负和无差的调差特性，并且可以整定。根据电力系统需求而给定不同的整定值，从而取不同的k值，电锅炉可实现不同的调差特性；而常规负荷的调差特性是固定的，这更加有利于电力系统频率调节；

(3)相比于现有方法，本发明方法改造成本较低。只须在系统中新增采样与控制元件，相较于发电机组改造和储能参与调频改造成本较低。目前电锅炉国内装机容量已达MW级，运用本方法改造可大大增加一次调频容量，减少机组调频负担，满足可再生能源并网后所需的调频容量。

附图说明

图1是一次调频基本示意图。

图2为本发明实施例的结构拓扑图。

图3为本发明实施例的控制流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

首先介绍一次调频的基本原理。假设系统中有一台发电机组和一个综合负荷，它们的频率静态特性曲线见图1所示。

负荷突然增加ΔP

负荷减小的功率为ΔP

式中，K

发电机增发的功率为ΔP

式中，K

由此得ΔP

ΔP

式中，K

若系统中有n台机组，只有m台机组参与一次调整时(m≤n)则系统的单位调节功率为

式中i为参与一次调整的发电机号，i＝1，2，…，m。

根据K

本发明的目的是通过以下技术方案实现：一种带电力电子装置的可调流电锅炉参与电力系统一次调频方法。所述一种带电力电子装置的可调流电锅炉参与电力系统一次调频方法是：在热力系统平衡允许的运行限值约束下，通过适当的调节步骤使电锅炉具有可调的调差特性。

所述电锅炉具有可调的调差特性，是通过控制器采用一定的控制策略以实现，所述控制策略是控制器根据频率差值控制来电力电子装置的可控硅触发角以实现电流控制。从而控制电锅炉的功率变化量，具体如下式所示：

ΔP＝k×Δf (3)

式中，ΔP为电锅炉功率变化值；k为调节效应系数，由电力系统统一整定。

所述一种可调流电锅炉参与电力系统一次调频方法的具体调节步骤是：

(1)采样电锅炉供电端口频率，并与上一个采样周期的采样值进行比较，得出与上一个采样周期的频率差值。

(2)若电锅炉供电端口频率低于上一个采样周期的采样频率，则通过控制器增大电力电子变换器可控硅触发角，减少电锅炉输入电流，降低电锅炉瞬时电功率，触发角调节数值由控制器根据频率差值与整定值决定；若电锅炉供电端口频率高于上一个采样周期的采样频率，则通过控制器减小电力电子变换器可控硅触发角，增加电锅炉输入电流，提高电锅炉瞬时电功率，触发角调节数值由控制器根据频率差值与整定值决定。

重复步骤(1)(2)，持续执行步骤(1)进行频率采样，发生频率波动执行步骤(2)。

本方法的实现原理为：

电网的频率波动实质为有功功率的波动，由于电机自身运行的频率-有功功率关系约束，从而导致系统频率发生改变。所以通过本方法参与一次调频过程直接目的是平衡系统有功负荷和电源波动。当系统频率偏高时，即系统总有功负荷偏小，通过调节电锅炉功率变大，提高系统有功负荷，从而降低系统频率。反之系统频率偏低时，即系统总有功负荷较大，调节电锅炉功率变小，降低系统有功负荷，从而增大系统频率。通过控制器根据实际情况和预设的整定值调节电锅炉输入电流，控制电锅炉功率，就可实现可调流电锅炉参与电力系统一次调频方法。

其中电锅炉电功率与输入电流的计算公式是：

式中：L为圆柱电极在水中的长度；ρ为溶液的电阻率；b为电极轴心与中心距离；d为电极横截面直径；R为圆筒容器半径；R

根据式(4)P-I之间关系，改变电流I就可以调节电锅炉消耗的有功功率P。

假设对电锅炉期望的一次调频特性满足公式(3)，则当电力系统频率变化Δf时，需要调节的电锅炉功率是ΔP，电锅炉功率需要对应调节到P+ΔP，可以通过公式(4)计算出电流I，控制可控硅触发角使电锅炉输入电流为I。这样就得到了电锅炉的一次调频特性，对应公式(3)。

值得指出的是，一般情况下Δf绝对值小，ΔP绝对值也小，调节过程中电锅炉供热量变化不大，电锅炉热力部分不需要进行相应调节。即使当电力系统异常状态下Δf绝对值大时，因为对供热量的影响是电锅炉功率均值影响，短时间的功率调节不会对热力系统平衡产生较大影响。

下面详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如图2所示，本发明方法的实施需要在原有电锅炉设备上添加电力电子变换器、电压互感器、电流互感器与相应的控制器。通过控制电力电子变换器的可控硅触发角，可以控制其输出至电锅炉的电流，达到调整电锅炉有功负荷的目的。控制器通过电压互感器采集电力系统频率和电锅炉的电流，按照整定的一次调频特性进行控制，控制电力电子变换器的可控硅触发角，其控制流程如图3所示。

具体控制步骤如下：

1)控制器周期性测量电力系统的频率，得到频率采样值。

2)控制器将当期周期采样值与上一周期采样值比较，得出频率差值，结合给定的整定值，根据公式(3)计算出电锅炉功率所需调整值，再根据公式(4)得出输入电流所需改变值，输出相应的控制指令。

3)电力电子变换器接收来之控制器的控制指令，控制可控硅触发角改变，控制电锅炉输入电流，使电锅炉功率完成调整，实现频率调节目的，再继续循环执行以上步骤。

其它未经详细说明的部分均为现有技术。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。