高压电储热参与电网一次性调频控制方法

常恩山

(榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

风能是清洁可再生能源，大力发展风电，可以在很大程度上减少能源对化石燃料的依赖性，有利于实现节能环保目标。风电的随机性与波动性在风电处于电力系统的渗透率逐渐提升的影响下，功率波动变化直接影响着电网频率的稳定性。而储能电池的响应特性突出，因此参与系统调频备受关注，但是成本比较高。因此供热管网热惯性较大，散热时长不固定，在短时间内停止供热，会直接影响供热温度，所以，电储热系统可积极参与调频[1]。

1 储热控制模型

基于模糊逻辑的调频控制流程[2]具体如图1所示。从图1可以看出，储热出力(Pout)包含两大部分，即储热消纳弃风基准出力(Ph,ref)，时间尺度15 min，以此调峰；储热调频出力(Phf)，时间尺度是s级别[3]。即

Pout=Ph,ref+Phf

(1)

储热参与调频出力约束，即

-Ph,ref≤Phf≤Pout-Ph,ref

(2)

2 高压电储热参与一次性调频控制

2.1 调频控制设计

以弃风供热模式作为基础，高压电储热参与电力系统一次性调频控制流程具体如图1所示。其中，弃风供热模式能够实现调度优化，并且时间尺度比较长，有利于提高风电消纳水平，以此为储热参考功率奠定坚实的基础。而在电网频率波动比较大的时候，采用基于模糊控制的高压电储热参与电网一次性调频控制方法，实现功率调整，并有助于解决风电功率波动较多造成的调频控制能力下降问题。

高压电储热参与电网一次性调频时，以频率偏差(△f)与风电实际出力(PQf)为载体有效控制系统出力，具体控制流程如图2所示。

图1 调频控制流程

图2 模糊控制流程

为防止调频控制的反复性，在频率偏差超过±0.05 Hz的时候，启动模糊控制器。而在频率偏差处于0.05 Hz以内的时候，系统不用进行调频，此时储热系统出力则为0，表明储热不参与电网调频环节。在频率偏差超出0.05 Hz的时候，如果风电实际出力为0，那么储热系统出力为0，这主要是由于系统并未弃风电，也就不存在参与调频的储热裕量。对此，系统便利用切负荷等方式保证电网稳定性。而如果风电实际出力不为0，那么高压电储热便能参与电网调频，并且具备较好的上下调频调节能力。依据基于模糊控制的高压电储热参与电网一次性调频控制方法相关策略，以自适应为载体确定储热参与一次性调频详细功率[4]。

2.2 调频控制策略

模糊控制在电力系统中实现了广泛应用，这主要是由于模糊控制不会对数学模型形成依赖，只需要根据系统动态进行自适应调控即可，而且非线性控制效果较好。所以，选择模糊控制方法实现高压电储热参与电网一次性调频功率的适度调整。模糊控制器设计框架具体如图3所示。其中，输入为频率偏差(△f)与频率偏差变化率(△f/△t)，输出为储热调频输出功率(Phf)。

图3 模糊控制器

对△f与△f/△t进行检测，基于模糊逻辑规则动态调整高压电储热参与调频有功出力[5]。具体控制过程为

1)输入输出变量模糊化

基于三角形隶属函数，度范围为[0,1]，把△f与△f/△t划分成5×5个模糊子集，即[NB]、[NS]、[Z]、[PS]、[PB]，表示负大、负小、零、正小、正大，获得Phf同样划分为五个等级，即[NB]、[NS]、[Z]、[PS]、[PB]。

依据储热调频控制系统具体状况，进一步明确输入变量论域，还可以根据系统长期统计规律加以确定。假设△f与△f/△t的论域范围为[-a,a]与[-b,b]，而

(3)

根据高压电储热调频功率与储热输出功率的比例进一步确定输出变量的论域，假设论域为[-p,p]，即

(4)

2)模糊推理

高压电储热辅助调频相关规则具体如表1所示，以Mamdani最小规则为载体获取模糊蕴含关联，便能够获得模糊子集所表征地输出量。

表1 模糊控制规律表

3)解模糊化

以最大隶属度法为辅助进行解模糊化计算，通过模糊子集表征的输出量，获取调频输出功率的演变值。

2.3 收益建模

基于弃风供热企业，进行储热系统辅助电网一次性调频控制，而作为协调载体，电网在很大程度上为弃风供热企业调频提供了帮助。通过对高压电储热参与调频经济收益的详细分析，充分考虑了投资成本、运行成本、经济补偿等。就并网发电厂为辅助的调频调整电量而言，根据每一万千瓦时给予1 200元补偿条件，实现调频建模，即

S=fa-Ta

Ta=F1+F2

(5)

式中：S为经济收益；fa为按贡献电量参与调频补偿；Ta为调频成本；F1为运行成本；F2为安装成本；ε为按贡献电量补偿价格，即120元/(MW·h)，puhf为运行成本单价；puhc为安装成本单价，因为储热装置是固定的，因此安装成本单价为0[6]。

3 实例分析

3.1 数据资料

以Q区供暖期典型日风电弃风数据为例，储热相变容量为1 400 MW·h，电热功率为150 MW。

3.2 调频效果

在系统频率偏差超出0.2 Hz的时候，高压电储热可把冗余风电转变为热能加以存储，参与供热。而当控制在0.2 Hz以内的时候，高压电储热在短时间内无法供热，但是在常温状态下，空气导热系数较小，响应时间比较快速，所以在短时间内不会影响用户的用热需要。所以，基于储热电量进行调频是可行的。而高压电储热参与电网一次性调频需要采取有效控制措施，也就是进行量化系数固定，及时取消模糊控制器，并选取典型量化系数值，就能够得到最终调频结果，并严格控制频率偏差处于±0.2，这就表明以模糊控制为基础的高压电储热参与电网一次性调频控制具备较高的可行性与精确性。而且，在此基础上，模糊控制所需调频电量大大缩减，而效率却显著提升。

3.3 经济效益

基于调频效果，高压电储能储热都可以实现频率偏差有效控制目标，都可以参与调频控制，但是储能调频成本相对较高。选择钠硫电池储能参数与储热参数，忽视装置与安装成本，具体参数如表2所示。

表2 储能与储热参数 元/(MW·h)-1

在储热参与一次性调频经济模型构建控制系统频率偏差于正常范围时，储能储热净收益具体如表3所示，其中，储热参与一次性调频控制的经济效益更优[7]。

表3 储能与储热调频收益对比结果

4 结 论

总之，风电的随机性与波动性比较突出，因此，在风力发电与电力系统不断相互渗透的趋势下，电网频率的稳定性备受影响。对此，本文提出基于模糊控制的高压电储热参与电网一次性调频控制方法。此方法选择系统频率偏差及其变化率为输入量，就模糊逻辑规则为依据，对储热调频功率进行适度调整，并利用实例对调频控制的经济效益进行了分析验证。结果表明，高压电储热参与一次性调频基于PD控制与模糊控制，储热调频效率显著提升，且净收益较高，经济性良好。