PDF《含快速切负荷功能火电机组的电力系统黑启动策略》

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5 含快速切负荷功能火电机组的电力系统黑启动策略 刘皓明1 ,丁∷1 ,卢《2 ,王∧2 ,宁〗1 ,侯云鹤3 ( 1.可再生能源发电技术教育部工程研究中心,河海大学,江苏省南京市

2 1

0 0

9 8;

2.广东省电力调度中心,广东省广州市

5 1

0 6

0 0;

3.香港大学电机电子工程系,香港) 摘要:具有快速切负荷( F C B) 功能使得火电机组在电网崩溃时能够维持厂用电并保持孤岛运行, 在系统恢复时可以作为黑启动电源.分析了 F C B机组在系统恢复阶段的稳态过程, 建立了相应的 稳态模型;

以系统发电容量最大为优化目标, 考虑机组自身约束, 从物理本质出发提出一种改进面 积法, 快速求得优化的机组启动顺序;

在此基础上, 考虑支路充电时间约束, 结合最短路径算法对机 组启动顺序进行修正, 得到机组启动路径.通过新英格兰1 0机3 9节点系统算例和某地区实际系 统算例, 验证了所建立模型和所提出方法的有效性.算例结果表明, F C B 机组有利于加快系统恢 复进程. 关键词:电力系统恢复;

黑启动;

快速切负荷;

多阶段决策优化;

面积法 收稿日期:

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1 2 1015;

修回日期:

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1 3 0217. 广东电网公司重大科技项目( K GD2011553).0∫ 自从2

0 0 1年美国加州大停电后, 国内外大力研 究电网大停电后的黑启动技术[

1 4].电网大停电后 发电机组在没有任何外来电源的条件下进行黑启动 是极为困难的, 对于常规火力发电机组更是难上加 难.针对此问题, 国内对一些常规火电机组进行了 技术改造, 使其具备了快速切负荷( f a s tc u tb a c k, F C B) 功能[

5 6] .F C B机组具备在事故情况下与系统 解列, 带厂用电孤岛运行的能力, 从而为电网保留部 分电源点, 以随时为其他电厂 机组提供启动电源. 因此, 研究含 F C B机组的机组启动策略将对系统的 恢复具有积极的意义. 电力系统恢复过程中的机组启动是指由黑启动 电源分别向不具备黑启动能力的机组提 供启动功 率, 恢复其发电能力, 从而为网络恢复以及负荷恢复 打下基础.机组启动策略包括2个方面的内容: 首 先要使机组在特定的恢复时间内获得最 大的发电 量, 由此确定优化的机组启动顺序;

其次, 在考虑网 络约束的条件下, 对机组启动顺序进行修正, 得到机 组启动路径[

7 ] .因此, 机组启动策略是建立在机组 启动顺序以及机组启动路径基础之上的, 它们彼此 之间相互联系. 目前国内外对于 F C B 机组的研究主要集中于 F C B功能的实现, 鲜见将其用于电力系统恢复进程 的研究.文献[

5 6] 介绍了机组 F C B 功能的概念. 文献[

8 ] 主要介绍了机组具备 F C B功能所应满足的 条件及 其影响.文献[9] 从试验的角度对机组的FCB功能进行了验证, 提出了较为合理的试验方案 及需要注意的问题. 对于机组启动策略的研究, 文献[

1 0 11]分别利 用动态规划算法和整体上的回溯算法确定机组的恢 复启动顺序;

文献[

1 2 ] 介绍了系统恢复的主要过程, 以恢复时 间最短为目标求解机组启动策略;

文献[13]以机组启动过程中发电量最大为目标, 对机组 启动顺序进行优化;

文献[

1 4 15] 提出了黑启动路径 寻优方法, 并结合电网恢复策略, 为实际电网建立黑 启动路径. 本文首先建立了 F C B 机组在系统恢复阶段的 稳态模型;

其次以特定时间段内系统恢复的发电能 力最大为目标, 考虑机组自身约束条件, 对恢复过程 中的机组启动问题建模;

对于模型求解, 提出一种改 进面积法, 以快速确定优化的机组启动顺序;

考虑支 路充电时间约束, 结合最短路径算法对已有的机组 启动顺序进行修正, 同时确定相应的机组启动路径. 1∠低郴指垂讨谢榈慕 黑启动阶段首先需要考虑黑启动电源的选择, 一般而言, 黑启动电源主要包括3类: 俦旧砭哂泻 启动能力的机组;

谑鹿屎蟛写娴幕榛 孤岛 ;

巯嗔谙低车闹г.长期以来, 对于黑启动阶段的 机组启动, 主要涉及的就是具有黑启动能力的水电 机组启动非黑启动常规火电机组.但随着国内某些 ―

3 2 ― 第37卷〉

9 期2013年5月10日Vol.37N o .

9 M a y1 0,

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1 3 火电机组进行了技术改造, 其具备了 F C B 功能, 从 而可看成系统事故后残存的机组, 通过 F C B机组启 动常规火电机组成为机组启动过程中的新选择. 1. 1〈澈谄舳 传统黑启动机组( b l a c ks t a r t u n i t , B S U) 主要包 括水电机组以及燃气轮机发电机组, 它们需要的启 动功率很小甚至不需要启动功率, 因此在大停电后 应首先自启动恢复.传统 B S U 在系统恢复阶段的 模型如图1所示. 图1〈 B S U 在系统恢复阶段的稳态模型 F i g . 1S t e a d y statem o d e l o f t r a d i t i o n a lB S U i ns y s t e mr e s t o r a t i o np r o c e s s 图1中: t s t B S U 为系统开始恢复的时间, 本文假设 所有具备黑启动能力的机组在t s t B S U 时刻开始启动, 并令t s t B S U =0;

t c B S U 为BSU启动完毕后接入电网至 开始功率爬升所需的时间;

Pm a x B S U 为BSU能够恢复 的注入系统的最大有功出力;

KB 为BSU的最大爬 坡速率;

t s y s为设定的系统恢复总时间. 这里考虑的 B S U 主要是水电机组, 它只需很小 的启动电源来打开进水口闸门, 因此启动功率可忽 略, 并具有很快的响应特性, 在爬坡全程都可近似达 到最大爬坡能力, 因此假设爬坡速率保持为最大爬 坡速率 KB, 有利于加快恢复其他机组. 1. 2〕９娣呛谄舳鸬缁 非黑启动机组( n o n blacks t a r tu n i t , N B S U) 主 要包括常规火电机组及核电机组等.由于核电机组 启动机理较复杂, 因此这里主要考虑常规火电机组. 对于非黑启动火电机组而言, 它们需要外界提供启 动功率, 其在恢复阶段的稳态模型如图2所示. 图2N B S U 在系统恢复阶段的稳态模型 F i g . 2S t e a d y statem o d e l o fN B S Ui ns y s t e m r e s t o r a t i o np r o c e s s 图2中: t s t N B S U 为NBSU开始启动的时间;

t c N B S U 为NBSU启动完毕后接入电网至开始功率爬升所 需的时间;

PN B S U 为NBSU的最大有功出力;

Pm a x N B S U 为NBSU能够恢复的除去厂用电以外的注入系统 的最大有功出力;

Ps t N B S U 为NBSU启动时需要的启 动功率, 这里假设为厂用电总功率;

aN B S U 为NBSU的最小技术出力系数. 对于 N B S U 而言, 机组的爬坡过程可粗略分为 2个阶段: 在最小技术出力aN B S UPN B S U 之下, 机组只 具有升负荷的能力;

在最小技术出力aN B S UPN B S U 之上, 机组同时具备升降负荷的能力, 且爬坡能力相对 于第1阶段更强.为了简化分析, 将2个阶段的爬 坡能力分别量化成2个常量 KN

1 与KN

2 [

1 1] ( 如图2 中实线所示) , 并定义机组的最大平均爬坡能力为 KN [

1 6 ] ( 如图2中虚线所示) . 1. 3F C B机组 所谓 F C B是指机组在高于某一负荷之上运行 时, 因机组或电网故障与电网解列, 瞬间甩掉全部对 外供电负荷, 并保持锅炉在最低负荷运行, 维持 发 电机带厂用电运行 或 停机不停炉 的自动控制功 能[ 6] . 以某 电厂一台FCB机组为例[

9 ] , 在正常情况下, 机组负荷是7

0 0 MW, 在进行 F C B试验时, 机组 甩负荷至2 2MW, 仅为厂内负荷供电;

F C B 机组在 维持厂用电大概2 0m i n后开始爬坡, 在最小技术出 力40% Pm a x F C B 之下,机组的爬坡速率大约是3. 5MW / m i n ( 每分钟0. 5%Pm a x F C B) , 在最小技术出 力4 0%Pm a x F C B 之上, 机组的爬坡速率大约维持在7MW / m i n ( 即每分钟1%Pm a x F C B) , 最大时可以达到 每分钟1. 5%Pm a x F C B, 最后达到最大发电功率, 并向 系统输出.依据试验过程, 建立 F C B机组在系统恢 复阶段的稳态模型, 如图3所示. 图3F C B机组在系统恢复阶段的稳态模型 F i g . 3S t e a d y stateo fF C Bu n i t i ns y s t e m r e s t o r a t i o np r o c e s s 图3中: 与NBSU不同, PF 为F C B机组甩负荷 后带厂用电运行的有功出力;

t F 为FCB机组在系统 崩溃后能维持厂用电运行的时间;

t c F C B为FCB机组 爬坡对外输送电能的时间.与NBSU一样, F C B机 组的爬坡过程无法简单量化.从优化的角度出发, ―

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1 3,

3 7 (

9 ) 用机组的最大平均爬坡速率 KF、 阶段爬坡速率 KF

1 和KF 2对机组爬坡能力进行评估. 2』槠舳呗缘挠呕Ｐ 2. 1∧勘旰 在建模之前, 假定机组启动以后可通过恢复相 应的负荷与之平衡, 因此整个系统的频率均可控制 在允许范围内[

1 3] . 取目标函数为在给定的总恢复时间内, 机组向 系统输送的电能最多[

1 7 ] , 即 m a x Nk=1 昙tsys0uk( t ) Pk g e n( t ) d t (

1 ) 式中: N 为需要恢复的机组总数;

u k( t ) 为机组k 在 时刻t的状态, u k( t ) =1表示机组k 在时刻t 运行, u k( t ) =0表示停运;

Pk g e n( t ) 为机组k 对电网的出力 函数, 等于机组总出力与机组启动功率之差. 所有 N 台待恢复机组包括n 台FCB机组、 m 台NBSU和q台BSU, 则式(

1 ) 等价于: m{axni=1 昙tsys0ui( t ) P i g e n( t ) d t+ mj=1 昙tsys0uj( t ) P j g e n( t ) d t+ qr=1 昙tsys0ur( t ) P r g e n( t ) d} t (

2 ) 式中3项分别表示 F C B 机组、 N B S U 和BSU向系 统输送的净电能. 2. 2≡际跫 约束条件主要指机组自身启动特性的限制, 包 括最大、 最小临界启动时间约束, 启动功率约束, 机 组状态约束以及支路充电时间约束. 2. 2. 1×俳缙舳奔湓际 受到缸温及化学条件的影响, 火电机组在冷启 动和热启动的不同条件下, 其 启动特性显著不同. 一般来说, 机组停机后, 在一定时间范围内可以进行 热启动;

随着缸温逐渐下降, 错过热启动条件后, 只 能进行冷启动[

1 6] .由此, 根据非黑启动火电机组具 有的不同的发电机特性, 需要考虑热启动机组的最 大临界热启动时间约束以及冷启动机组的最小临界 启动时间约束.

1 ) 最大临界热启动时间约束 0<

t j s ttjstmax(3)式中: t j s t为机组j的启动时间;

t j s t m a x为机组j热启动 时间上限值.具有t j s t m a x限制的机组若在该时间段 内不启动, 错过热启动条件后, 只有延长数小时后进 行冷启动.

2 ) 最小临界启动时间约束 t j s t m i ntjst t s y s (

4 ) 式中: t j s t m i n为机组j冷启动时间下限值.具有t j s t m i n 限制的机组只有在该时间段后才允许冷启动. 2. 2. 2∑舳β试际 N B S U 的启动需要系统提供一定的启动功率, 由2部分组成: 一部分是在恢复过程中可以用来启 动机组的初始功率( 可能来自于黑启动类型的机组、 F C B机组等) ;

另一部分是由恢复过程中已启动的 机组提供的功率.由此, 机组j 的启动功率约束可 描述为: ni=1 u i( t ) P i g e n( t ) + qr=1 u r( t ) P r g e n( t ) + mj=1 u j( t ) P j g e n( t ) - mj=1 ( 1-u j( t ) ) ・ u j( t+1 ) P j s t

0 (

5 ) ∈(

5 ) 由4项组成: 前3项分别代表 F C B机组、 B S U 以及已启动的 N B S U 向系统输出的净电能;

第 4项为机组j 启动所需的启动功率.从式( 5) 可以 看出, 只有当u j( t ) =0及u j( t +1 ) =1时, 才表明机 组j在时刻t启动了.仅当式( 5) 成立时, 机组j才 具备正常启动条件. 2. 2. 3』樽刺际 所有机组一旦被启动后, 应维持正常的运行状 态, 特别对于火电机组, 在其启动以后就假定它不再 停机, 因此有: u k( t )u k( t+1 ) k=1, 2, …, N (

6 ) 2. 2. 4≈烦涞缡奔湓际 在机组启动过程中, 还需要考虑支路( 包括线路 和变压器) 充电时间约束.但是很难将充电时间约 束在式(

1 ) 所示的目标函数中直接表达出来, 因此先 不计及支路充电时间, 求得最优机组启动顺序, 然后 结合机 组启动最短路径与支路充电时间分析并修正[

1 7] . 2. 3∧勘旰慕徊酱 目标函数包含积分过程, 求解较为费时, 本文从 物理本质出发提出一种改进面积法, 仅需简单的代 数运算, 有效地提高了计算效率. 式(

2 ) 中第1项表示 F C B机组向系统输送的净 电能, 它可以用图3中的蓝色区域面积来表示.优 化过程中爬坡速率用最大爬坡速率 KF [

1 4] 代替, 因此FCB机组向系统输送净电能的函数为: S i( t ) =

1 2 P i g e n( t [ ) ( t- t i c) ( + t- P i g e n( t ) Ki F - t i ) ] c (

7 ) ≡谙低郴指闯跗, 即使 B S U 启动了, 也不能迅 ―

5 2 ― ・学术研究・×躔┟, 等『焖偾懈汉晒δ芑鸬缁榈牡缌ο低澈谄舳呗 速输出大量功率来恢复其他机组, 此时就需要 F C B 机组能够及时爬坡对外输出功率, 供其他机组启动. 因此, 本文假设 F C B机组开始爬坡的时刻即是系统 开始恢复的时刻, 即t i c=0, 如此可以为其他 N B S U 的启动提供更多的电能.........