先進絕熱壓縮空氣儲能發(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）

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

然而，目前國內(nèi)相關(guān)研究均未對AA-CAES 機組參與調(diào)頻輔助服務(wù)性能指標(biāo)進行計算與分析，同時缺乏相應(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)市場交易規(guī)則》[15]相關(guān)要求對所提控制方法進行測試。

1 先進絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)介紹

AA-CAES 系統(tǒng)具有容量大、工作時間長、經(jīng)濟性能好、充放電循環(huán)次數(shù)多等特點，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，儲氣罐中的高壓空氣經(jīng)過主氣閥、氣動調(diào)節(jié)閥進入膨脹機進行膨脹釋能，帶動發(fā)電機發(fā)電。系統(tǒng)采用級間換熱，釋能階段儲熱罐中的加壓水經(jīng)過膨脹機的級間換熱器，加熱膨脹機入口空氣。

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 儲氣罐

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

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

1.2.2 膨脹機

空氣進入膨脹機膨脹釋能，膨脹機輸出功率計算式為[16]：

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

等熵效率為[17]：

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

1.2.3 換熱器

空氣與管壁換熱量為：

初始階段。對數(shù)據(jù)集進行預(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啟動時從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

摩擦阻力和流動阻力共同構(gòu)成了閥門壓降，計算公式為[16]：

式中：ζ為閥門流動阻力系數(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AA-CAES 系統(tǒng)（設(shè)計釋能功率為10 MW）基本設(shè)計參數(shù)見表1。

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

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

表2 各級膨脹機額定工況運行參數(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)市場交易規(guī)則》[15]，發(fā)電單元每次響應(yīng)AGC 調(diào)節(jié)指令時，主要從調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)精度3 個方面對響應(yīng)AGC 指令后的動作情況進行評價衡量。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)，計算公式為：

以1 個交易周期為例，調(diào)頻里程補償收益等于調(diào)頻里程、綜合調(diào)節(jié)性能、市場出清價格的乘積。在相同的AGC 調(diào)節(jié)范圍下，調(diào)頻里程補償收益正比于綜合調(diào)節(jié)性能指標(biāo)。由發(fā)電機組參與調(diào)頻輔助服務(wù)的考核與補償規(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)競爭力的重要手段。但是，為避免機組發(fā)電單元響應(yīng)AGC 控制指令時過調(diào)節(jié)或超調(diào)節(jié)，《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(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%，會產(chǎn)生考核電量，給電站造成經(jīng)濟損失。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 機組響應(yīng)AGC 控制指令的方法一般是采用1 套PID 控制器進行閥門開度控制,從而調(diào)節(jié)機組出力。PID 控制器比例作用能使機組快速響應(yīng)，比例系數(shù)kp增大時，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，以滿足《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則》對調(diào)頻性能指標(biāo)的要求。

本文研究對象為10 MW AA-CAES 系統(tǒng)，機組常運行負(fù)荷段為額定負(fù)荷的80%～110%，AGC 指令波動范圍一般為機組實測負(fù)荷上、下調(diào)節(jié)0.5 MW。常運行負(fù)荷段PID 控制器參與AGC 調(diào)頻運算控制過程邏輯如圖2 所示。通過測試模塊得到機組實時功率，機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)接收AGC 控制指令，實測功率與AGC 控制指令的差值進入AGC-PID 控制器進行運算，該輸出作用于氣動調(diào)節(jié)閥。

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

通過測試發(fā)現(xiàn)，AA-CAES 機組在常運行負(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。在機組功率分別為5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 MW 時，利用AGC 控制指令將機組輸出功率向上調(diào)節(jié)0.5 MW 進行測試，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，只有機組負(fù)荷從9.0 MW 調(diào)至9.5 MW 時，調(diào)頻速率K1不大于5，滿足《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則》要求；而其余4 組測試區(qū)間輔助調(diào)頻，調(diào)頻速率K1均大于5，會因超出規(guī)定而產(chǎn)生考核電量。

4 多套PID 控制器的設(shè)計和運用

4.1 控制回路結(jié)構(gòu)

為解決上述問題，本文提出多級分段設(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或差值信號帶來的排列組合多、分段多、不易實現(xiàn)問題，該策略使用機組功率實測信號進行判斷。將機組運行負(fù)荷段分為3 段，每段運用不同參數(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)電機組接收到新AGC 控制指令時，立即將其鎖定，并進行判斷：如實測功率大于8 MW，則使用AGC-PID1作為輸出；如實測功率大于6 MW且小于8 MW，則選用AGC-PID2作為輸出；如實測功率小于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AGC指令到來。機組每接收到新AGC 指令，即進行PID控制器選擇的判斷。

考慮機組在運行過程中因PID 控制器切換而產(chǎn)生功率波動問題，設(shè)計了PID 控制器追蹤判斷模塊。將氣動調(diào)節(jié)閥開度信號作為PID 控制器追蹤信號，機組實測負(fù)荷鎖定值作為判斷條件，負(fù)荷鎖定值對應(yīng)的PID 控制器不進行閥門信號追蹤，其余2 套PID 控制器追蹤閥門開度信號。三級分段設(shè)置PID運算控制過程邏輯如圖4 所示。將AGC 控制指令與機組實時功率進行偏差計算，并輸入多個不同參數(shù)PID 控制器進行運算，但最終執(zhí)行器只接收與機組實測功率相對應(yīng)PID 控制器的運算結(jié)果，并作用于氣動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)對AA-CAES 機組的出力控制。

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

4.2 測試分析

通過大量仿真測試，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。對上述不滿足《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則》要求的測試區(qū)間進行測試，調(diào)頻性能指標(biāo)見表4。從表4 可以看出，所有測試區(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 控制器無法實現(xiàn)機組在寬負(fù)荷段參與AGC 調(diào)頻。機組在非常運行負(fù)荷段參與調(diào)頻，會因調(diào)節(jié)速率K1不滿足要求而產(chǎn)生考核電量，造成經(jīng)濟損失；采用多級分段設(shè)置PID 控制器參數(shù)的控制策略，可使機組在寬負(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）選用功率實測信號作為判斷信號，可以避免采用AGC 指令信號帶來的排列組合多、分段多、不易實現(xiàn)的問題。通過設(shè)置非實測功率對應(yīng)PID 控制器追蹤閥門信號，可降低不同PID 控制器切換帶來的功率擾動。

3）采用多級分段設(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值。