先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)參與調(diào)頻輔助服務(wù)控制優(yōu)化方法

馮庭勇，鐘晶亮，文賢馗，楊大慧，鄧彤天

（1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司研究生工作站，貴州 貴陽 550002）

先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能（advanced adiabatic compressed air energy storage，AA-CAES）系統(tǒng)作為最有潛力的儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有效率高、容量大、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。國內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)AA-CAES 系統(tǒng)優(yōu)化和機(jī)組參與電力系統(tǒng)優(yōu)化等方面開展了相關(guān)研究：文獻(xiàn)[5]提出一種S-CAES電站調(diào)相運(yùn)行模式和熱量?jī)?yōu)化方法；文獻(xiàn)[6]提出了將多個(gè)噴射器和單個(gè)噴射器應(yīng)用到絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能過程；文獻(xiàn)[7]針對(duì)先進(jìn)蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)服務(wù)于執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)的電力系統(tǒng)運(yùn)行情景進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析；文獻(xiàn)[8]研究了微型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特性；文獻(xiàn)[9]通過優(yōu)化多個(gè)運(yùn)行參數(shù)，提高了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率；文獻(xiàn)[10]針對(duì)先進(jìn)蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)服務(wù)于執(zhí)行峰谷分時(shí)電價(jià)的電力系統(tǒng)運(yùn)行情景進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)分析；文獻(xiàn)[11]提出一種含壓縮空氣的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)在交直流混合微網(wǎng)中的主動(dòng)控制策略；文獻(xiàn)[12]提出了一種考慮壓縮空氣儲(chǔ)能和基于滑動(dòng)時(shí)間窗的電熱綜合響應(yīng)需求的綜合能源系統(tǒng)滾動(dòng)優(yōu)化規(guī)劃框架和模型；文獻(xiàn)[13]提出了含CAES 電站的源荷儲(chǔ)協(xié)同調(diào)度策略；文獻(xiàn)[14]提出了含AACAES 電站、常規(guī)機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度策略。

然而，目前國內(nèi)相關(guān)研究均未對(duì)AA-CAES 機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算與分析，同時(shí)缺乏相應(yīng)的控制策略。本文基于模塊化建模思想及APROS 仿真支撐系統(tǒng)，建立了AA-CAES 系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)了使用多套不同參數(shù)PID 控制器的控制策略，并基于現(xiàn)行《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》[15]相關(guān)要求對(duì)所提控制方法進(jìn)行測(cè)試。

1 先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

AA-CAES 系統(tǒng)具有容量大、工作時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好、充放電循環(huán)次數(shù)多等特點(diǎn)，其不僅節(jié)約了其他能源投入且系統(tǒng)發(fā)電過程零污染。AA-CAES系統(tǒng)釋能階段基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。當(dāng)電網(wǎng)電量緊缺時(shí)，儲(chǔ)氣罐中的高壓空氣經(jīng)過主氣閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入膨脹機(jī)進(jìn)行膨脹釋能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。系統(tǒng)采用級(jí)間換熱，釋能階段儲(chǔ)熱罐中的加壓水經(jīng)過膨脹機(jī)的級(jí)間換熱器，加熱膨脹機(jī)入口空氣。

圖1 AA-CAES 系統(tǒng)釋能階段基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the AA-CAES system during energy release stage

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 儲(chǔ)氣罐

儲(chǔ)氣罐用于儲(chǔ)存高壓空氣。采用質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程（定容條件）建立儲(chǔ)氣罐的動(dòng)力學(xué)模型[16]：

式中：Mst為儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣體質(zhì)量，kg；mst,in為進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體流量，kg/s；mst,out為流出儲(chǔ)氣罐的氣體流量，kg/s；Ust為氣體單位質(zhì)量?jī)?nèi)能，kJ；hst,in為進(jìn)入儲(chǔ)氣罐的氣體焓值，kJ/kg；hst,out為流出儲(chǔ)氣罐的氣體焓值，kg/kg；Ken,st為儲(chǔ)氣罐和環(huán)境的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ast為儲(chǔ)氣罐和環(huán)境換熱的表面積，m2；Tst、Ten分別為儲(chǔ)氣罐溫度和環(huán)境溫度，K。

1.2.2 膨脹機(jī)

空氣進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹釋能，膨脹機(jī)輸出功率計(jì)算式為[16]：

式中：We為膨脹機(jī)輸出功率，MW；me為空氣質(zhì)量流量，kg/s；he,in為膨脹機(jī)入口氣體焓值，kJ/kg；he,out為膨脹機(jī)出口氣體焓值，kJ/kg。

等熵效率為[17]：

式中：hs,e,out為膨脹機(jī)以等熵過程膨脹到相同出口壓力時(shí)的出口比焓，kJ/kg。

1.2.3 換熱器

空氣與管壁換熱量為：

初始階段。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理操作，由Job－Client把數(shù)據(jù)集切片為 的形式并發(fā)送到JobTracker，Job1啟動(dòng)時(shí)從InputSplit中加載切片信息作為Map函數(shù)的輸入。

換熱介質(zhì)與管壁換熱量為：

式中：δ為管壁厚度，m；Tc、Tw、Th分別為換熱介質(zhì)平均溫度、管壁平均溫度、管壁內(nèi)空氣溫度，K；Kw為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；αc、αh分別為內(nèi)、外管壁換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ac、Ah分別為內(nèi)、外管壁面積，m2。

1.2.4 閥門

摩擦阻力和流動(dòng)阻力共同構(gòu)成了閥門壓降，計(jì)算公式為[16]：

式中：ζ為閥門流動(dòng)阻力系數(shù)；D為閥門直徑，m；ρ為流體密度，kg/m3；m為閥門空氣質(zhì)量流量，kg/s；Δp為閥門壓力損失，MPa。

1.3 數(shù)學(xué)模型

10 MW 級(jí)AA-CAES 系統(tǒng)（設(shè)計(jì)釋能功率為10 MW）基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 10 MW 級(jí)AA-CAES 系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Basic design parameters of 10 MW-level AA-CAES system

經(jīng)仿真，系統(tǒng)釋能階段各級(jí)膨脹機(jī)額定工況運(yùn)行參數(shù)見表2，膨脹機(jī)輸出功率總和為10.41 MW，發(fā)電機(jī)端輸出功率為9.99 MW，與設(shè)計(jì)值偏差為0.1%，在工程允許范圍內(nèi)，模型準(zhǔn)確。

表2 各級(jí)膨脹機(jī)額定工況運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Operating parameters of various expanders under rated operating conditions

2 南方區(qū)域發(fā)電單元調(diào)頻輔助服務(wù)指標(biāo)分析

根據(jù)《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》[15]，發(fā)電單元每次響應(yīng)AGC 調(diào)節(jié)指令時(shí)，主要從調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)精度3 個(gè)方面對(duì)響應(yīng)AGC 指令后的動(dòng)作情況進(jìn)行評(píng)價(jià)衡量。綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K指發(fā)電單元響應(yīng)AGC 調(diào)節(jié)指令的綜合性能表現(xiàn)，計(jì)算公式為：

以1 個(gè)交易周期為例，調(diào)頻里程補(bǔ)償收益等于調(diào)頻里程、綜合調(diào)節(jié)性能、市場(chǎng)出清價(jià)格的乘積。在相同的AGC 調(diào)節(jié)范圍下，調(diào)頻里程補(bǔ)償收益正比于綜合調(diào)節(jié)性能指標(biāo)。由發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)的考核與補(bǔ)償規(guī)則可知，調(diào)節(jié)速率K1權(quán)重最大，占50%。因此，著力提高調(diào)節(jié)速率是提升AACAES 輔助服務(wù)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。但是，為避免機(jī)組發(fā)電單元響應(yīng)AGC 控制指令時(shí)過調(diào)節(jié)或超調(diào)節(jié)，《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》規(guī)定調(diào)節(jié)速率K1最大不超過5，否則調(diào)節(jié)速率合格率減少50%，會(huì)產(chǎn)生考核電量，給電站造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，在不產(chǎn)生考核電量情況下，綜合調(diào)節(jié)性能指標(biāo)K越大，調(diào)頻里程補(bǔ)償收益也越大。

3 AA-CAES 參與調(diào)頻輔助服務(wù)過程

3.1 參與調(diào)頻輔助服務(wù)傳統(tǒng)方法

目前，AA-CAES 機(jī)組響應(yīng)AGC 控制指令的方法一般是采用1 套PID 控制器進(jìn)行閥門開度控制,從而調(diào)節(jié)機(jī)組出力。PID 控制器比例作用能使機(jī)組快速響應(yīng)，比例系數(shù)kp增大時(shí)，調(diào)節(jié)速率K1得到提升，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，且比例環(huán)節(jié)無法消除系統(tǒng)原有的靜態(tài)誤差；積分作用可以消除靜態(tài)誤差，當(dāng)減小積分系數(shù)ki，系統(tǒng)誤差消除效果得到提升，但是調(diào)節(jié)速率K1降低。通過比例作用與積分作用相互配合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，以滿足《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》對(duì)調(diào)頻性能指標(biāo)的要求。

本文研究對(duì)象為10 MW AA-CAES 系統(tǒng)，機(jī)組常運(yùn)行負(fù)荷段為額定負(fù)荷的80%～110%，AGC 指令波動(dòng)范圍一般為機(jī)組實(shí)測(cè)負(fù)荷上、下調(diào)節(jié)0.5 MW。常運(yùn)行負(fù)荷段PID 控制器參與AGC 調(diào)頻運(yùn)算控制過程邏輯如圖2 所示。通過測(cè)試模塊得到機(jī)組實(shí)時(shí)功率，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)接收AGC 控制指令，實(shí)測(cè)功率與AGC 控制指令的差值進(jìn)入AGC-PID 控制器進(jìn)行運(yùn)算，該輸出作用于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

圖2 常運(yùn)行負(fù)荷段PID 控制器參與AGC 調(diào)頻運(yùn)算控制過程邏輯Fig.2 The control logic of PID controller participating AGC frequency modulation during normal load operation

通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，AA-CAES 機(jī)組在常運(yùn)行負(fù)荷段參與AGC 調(diào)頻，選擇kp=56×10-6、ki=6 作為PID控制器參數(shù)，可使機(jī)組在不產(chǎn)生考核電量情況下綜合調(diào)節(jié)性能指標(biāo)K達(dá)到最大。

3.2 寬負(fù)荷段參與調(diào)頻輔助服務(wù)

為了提高AA-CAES 的適用范圍，機(jī)組應(yīng)該具備在寬負(fù)荷段參與調(diào)頻的能力。但是，通過測(cè)試，1 套PID 參數(shù)在不同負(fù)荷段控制效果不同，甚至不能滿足要求。在機(jī)組功率分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 MW 時(shí)，利用AGC 控制指令將機(jī)組輸出功率向上調(diào)節(jié)0.5 MW 進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3。

表3 寬負(fù)荷段調(diào)頻性能指標(biāo)（1 套PID 控制器）Tab.3 Frequency modulation performance indexes for wide load range (a set of PID controller)

從表3 可以看出：使用1 套PID 控制器的機(jī)組在表3 所示的5 組不同負(fù)荷段響應(yīng)AGC 控制指令，只有機(jī)組負(fù)荷從9.0 MW 調(diào)至9.5 MW 時(shí)，調(diào)頻速率K1不大于5，滿足《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》要求；而其余4 組測(cè)試區(qū)間輔助調(diào)頻，調(diào)頻速率K1均大于5，會(huì)因超出規(guī)定而產(chǎn)生考核電量。

4 多套PID 控制器的設(shè)計(jì)和運(yùn)用

4.1 控制回路結(jié)構(gòu)

為解決上述問題，本文提出多級(jí)分段設(shè)置PID控制器參數(shù)的控制策略。為避免采用功率指令信號(hào)或差值信號(hào)帶來的排列組合多、分段多、不易實(shí)現(xiàn)問題，該策略使用機(jī)組功率實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷。將機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷段分為3 段，每段運(yùn)用不同參數(shù)的PID 控制器。該策略下PID 控制器流程如圖3 所示。

圖3 PID 控制器選擇流程Fig.3 Selection process of PID controller

發(fā)電機(jī)組接收到新AGC 控制指令時(shí)，立即將其鎖定，并進(jìn)行判斷：如實(shí)測(cè)功率大于8 MW，則使用AGC-PID1作為輸出；如實(shí)測(cè)功率大于6 MW且小于8 MW，則選用AGC-PID2作為輸出；如實(shí)測(cè)功率小于6 MW，則選用AGC-PID3作為輸出。此選擇在調(diào)頻過程中不發(fā)生改變，直至下一個(gè)AGC指令到來。機(jī)組每接收到新AGC 指令，即進(jìn)行PID控制器選擇的判斷。

考慮機(jī)組在運(yùn)行過程中因PID 控制器切換而產(chǎn)生功率波動(dòng)問題，設(shè)計(jì)了PID 控制器追蹤判斷模塊。將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度信號(hào)作為PID 控制器追蹤信號(hào)，機(jī)組實(shí)測(cè)負(fù)荷鎖定值作為判斷條件，負(fù)荷鎖定值對(duì)應(yīng)的PID 控制器不進(jìn)行閥門信號(hào)追蹤，其余2 套PID 控制器追蹤閥門開度信號(hào)。三級(jí)分段設(shè)置PID運(yùn)算控制過程邏輯如圖4 所示。將AGC 控制指令與機(jī)組實(shí)時(shí)功率進(jìn)行偏差計(jì)算，并輸入多個(gè)不同參數(shù)PID 控制器進(jìn)行運(yùn)算，但最終執(zhí)行器只接收與機(jī)組實(shí)測(cè)功率相對(duì)應(yīng)PID 控制器的運(yùn)算結(jié)果，并作用于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)AA-CAES 機(jī)組的出力控制。

圖4 3 套PID 控制器運(yùn)算控制過程邏輯Fig.4 Logic diagram of operational control process of three PID controllers

4.2 測(cè)試分析

通過大量仿真測(cè)試，選擇AGC-PID1、AGCPID2、AGC-PID3控制器kp為56×10-6、49×10-6、46×10-6，ki均為6。對(duì)上述不滿足《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》要求的測(cè)試區(qū)間進(jìn)行測(cè)試，調(diào)頻性能指標(biāo)見表4。從表4 可以看出，所有測(cè)試區(qū)間調(diào)節(jié)速率K1最大均不超過5，符合《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則》要求。

表4 寬負(fù)荷段調(diào)頻性能指標(biāo)（3 套PID 控制器）Tab.4 Frequency regulation performance index of wide load section (three PID controllers)

使用不同套數(shù)PID 控制對(duì)調(diào)頻性能關(guān)鍵指標(biāo)的影響如圖5 所示。從圖5 可以看出，與使用1 套PID控制器相比，使用3 套PID 控制器參與AGC 調(diào)頻，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)略有降低，但調(diào)節(jié)速率K1均不大于5，避免了考核電量的產(chǎn)生。

圖5 不同套數(shù)PID 控制器對(duì)調(diào)頻性能指標(biāo)的影響Fig.5 The influence of different sets of PID controller on frequency modulation performance index

5 結(jié)論

1）使用1 套PID 控制器無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組在寬負(fù)荷段參與AGC 調(diào)頻。機(jī)組在非常運(yùn)行負(fù)荷段參與調(diào)頻，會(huì)因調(diào)節(jié)速率K1不滿足要求而產(chǎn)生考核電量，造成經(jīng)濟(jì)損失；采用多級(jí)分段設(shè)置PID 控制器參數(shù)的控制策略，可使機(jī)組在寬負(fù)荷段參與調(diào)頻性能指標(biāo)滿足要求，不產(chǎn)生考核電量。

2）選用功率實(shí)測(cè)信號(hào)作為判斷信號(hào)，可以避免采用AGC 指令信號(hào)帶來的排列組合多、分段多、不易實(shí)現(xiàn)的問題。通過設(shè)置非實(shí)測(cè)功率對(duì)應(yīng)PID 控制器追蹤閥門信號(hào)，可降低不同PID 控制器切換帶來的功率擾動(dòng)。

3）采用多級(jí)分段設(shè)置PID 控制器參數(shù)的控制策略解決了使用單套PID 控制器在寬負(fù)荷段調(diào)頻過程產(chǎn)生的考核電量問題，多套PID 控制器參與AGC調(diào)頻在AA-CAES 系統(tǒng)電站中具有一定的推廣價(jià)值。