高壓電儲熱參與電網一次性調頻控制方法

常恩山

(榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

風能是清潔可再生能源，大力發展風電，可以在很大程度上減少能源對化石燃料的依賴性，有利于實現節能環保目標。風電的隨機性與波動性在風電處于電力系統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頻率的穩定性。而儲能電池的響應特性突出，因此參與系統調頻備受關注，但是成本比較高。因此供熱管網熱慣性較大，散熱時長不固定，在短時間內停止供熱，會直接影響供熱溫度，所以，電儲熱系統可積極參與調頻[1]。

1 儲熱控制模型

基于模糊邏輯的調頻控制流程[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，以此調峰；儲熱調頻出力(Phf)，時間尺度是s級別[3]。即

Pout=Ph,ref+Phf

(1)

儲熱參與調頻出力約束，即

-Ph,ref≤Phf≤Pout-Ph,ref

(2)

2 高壓電儲熱參與一次性調頻控制

2.1 調頻控制設計

以棄風供熱模式作為基礎，高壓電儲熱參與電力系統一次性調頻控制流程具體如圖1所示。其中，棄風供熱模式能夠實現調度優化，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。而在電網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一次性調頻控制方法，實現功率調整，并有助于解決風電功率波動較多造成的調頻控制能力下降問題。

高壓電儲熱參與電網一次性調頻時，以頻率偏差(△f)與風電實際出力(PQf)為載體有效控制系統出力，具體控制流程如圖2所示。

圖1 調頻控制流程

圖2 模糊控制流程

為防止調頻控制的反復性，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以內的時候，系統不用進行調頻，此時儲熱系統出力則為0，表明儲熱不參與電網調頻環節。在頻率偏差超出0.05 Hz的時候，如果風電實際出力為0，那么儲熱系統出力為0，這主要是由于系統并未棄風電，也就不存在參與調頻的儲熱裕量。對此，系統便利用切負荷等方式保證電網穩定性。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調頻，并且具備較好的上下調頻調節能力。依據基于模糊控制的高壓電儲熱參與電網一次性調頻控制方法相關策略，以自適應為載體確定儲熱參與一次性調頻詳細功率[4]。

2.2 調頻控制策略

模糊控制在電力系統中實現了廣泛應用，這主要是由于模糊控制不會對數學模型形成依賴，只需要根據系統動態進行自適應調控即可，而且非線性控制效果較好。所以，選擇模糊控制方法實現高壓電儲熱參與電網一次性調頻功率的適度調整。模糊控制器設計框架具體如圖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，基于模糊邏輯規則動態調整高壓電儲熱參與調頻有功出力[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，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]。

依據儲熱調頻控制系統具體狀況，進一步明確輸入變量論域，還可以根據系統長期統計規律加以確定。假設△f與△f/△t的論域范圍為[-a,a]與[-b,b]，而

(3)

根據高壓電儲熱調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，假設論域為[-p,p]，即

(4)

2)模糊推理

高壓電儲熱輔助調頻相關規則具體如表1所示，以Mamdani最小規則為載體獲取模糊蘊含關聯，便能夠獲得模糊子集所表征地輸出量。

表1 模糊控制規律表

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，獲取調頻輸出功率的演變值。

2.3 收益建模

基于棄風供熱企業，進行儲熱系統輔助電網一次性調頻控制，而作為協調載體，電網在很大程度上為棄風供熱企業調頻提供了幫助。通過對高壓電儲熱參與調頻經濟收益的詳細分析，充分考慮了投資成本、運行成本、經濟補償等。就并網發電廠為輔助的調頻調整電量而言，根據每一萬千瓦時給予1 200元補償條件，實現調頻建模，即

S=fa-Ta

Ta=F1+F2

(5)

式中：S為經濟收益；fa為按貢獻電量參與調頻補償；Ta為調頻成本；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 數據資料

以Q區供暖期典型日風電棄風數據為例，儲熱相變容量為1 400 MW·h，電熱功率為150 MW。

3.2 調頻效果

在系統頻率偏差超出0.2 Hz的時候，高壓電儲熱可把冗余風電轉變為熱能加以存儲，參與供熱。而當控制在0.2 Hz以內的時候，高壓電儲熱在短時間內無法供熱，但是在常溫狀態下，空氣導熱系數較小，響應時間比較快速，所以在短時間內不會影響用戶的用熱需要。所以，基于儲熱電量進行調頻是可行的。而高壓電儲熱參與電網一次性調頻需要采取有效控制措施，也就是進行量化系數固定，及時取消模糊控制器，并選取典型量化系數值，就能夠得到最終調頻結果，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的高壓電儲熱參與電網一次性調頻控制具備較高的可行性與精確性。而且，在此基礎上，模糊控制所需調頻電量大大縮減，而效率卻顯著提升。

3.3 經濟效益

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

表2 儲能與儲熱參數 元/(MW·h)-1

在儲熱參與一次性調頻經濟模型構建控制系統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，儲熱參與一次性調頻控制的經濟效益更優[7]。

表3 儲能與儲熱調頻收益對比結果

4 結 論

總之，風電的隨機性與波動性比較突出，因此，在風力發電與電力系統不斷相互滲透的趨勢下，電網頻率的穩定性備受影響。對此，本文提出基于模糊控制的高壓電儲熱參與電網一次性調頻控制方法。此方法選擇系統頻率偏差及其變化率為輸入量，就模糊邏輯規則為依據，對儲熱調頻功率進行適度調整，并利用實例對調頻控制的經濟效益進行了分析驗證。結果表明，高壓電儲熱參與一次性調頻基于PD控制與模糊控制，儲熱調頻效率顯著提升，且凈收益較高，經濟性良好。