一种发电-储能系统的波动压力发电控制方法及系统与流程

1.本发明涉及发电-储能系统的发电控制技术，具体涉及一种发电-储能系统的波动压力发电控制方法及系统。


背景技术：

2.随着新能源发电的超常规发展与电网建设相对滞后的矛盾日益明显，大规模具有随机性、问歇性、反调节性及出力波动大等特点的风电/光伏能源接入电网对系统的电压稳定、暂态稳定和频率稳定都有较大的影响，风电/光伏能源并网难、并网后消纳难等问题严重制约着能源结构的变革。常规水电厂、抽液蓄能电厂在大规模新能源存储、能量转化方面作用有限，不能吸收丰沛的风电、太阳能等大规模可再生新能源电力，且对地势、地质有一定的要求。
3.申请号为202020451871.6的中国专利文献公开了一种发电-储能系统，该发电-储能系统包括高压气系统和气液混合系统，高压气系统包括储气容器和用于给储气容器供气的气体压缩装置，气液混合系统包括分别连接有补液循环系统和液力发电机组的气液混合容器，储气容器、气液混合容器之间通过调节阀相连，该发电-储能系统可通过储气容器、气液混合容器来实现储能、发电，也可以选择多种运行模式。该发电-储能系统作为一种新型发电系统，具有清洁无污染、布置灵活、运行寿命长等优点，对于大规模新能源消纳及提升电力系统的灵活性具有重要价值。然而，发电过程中气液混合系统内液体体积减小、压力趋向于下降，高压气系统通过压力调节阀对气液混合系统内补气，试图维持气压稳定，然而气压调节阀输出端气压难以维持恒定值，实践表明，气压调节阀输出气压波动幅度与输出气压平均值相比不小于5％。气液混合系统内气压的波动不仅严重影响了发电机组功率的稳定、机组的安全稳定运行，严重情况下会导致电力系统的低频振荡，因此提出维持气液混合系统气压稳定的控制方法对理论研究及工程实践具有重要的科学意义及实践价值。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种发电-储能系统的波动压力发电控制方法及系统，本发明通过多变量控制信号控制高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的流量大小以维持气液混合系统中气体气压恒定，能够提升发电机组功率的稳定性、机组的安全稳定运行，防止电力系统的低频振荡。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
6.一种发电-储能系统的波动压力发电控制方法，包括：
7.1)分别获取发电-储能系统的测量气压p
meas
、实测功率值n
meas
以及高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的实测流量值
8.2)根据测量气压p
meas
、设定气压值p
ref
之间的差值生成气压误差信号，根据实测功率值n
meas
、目标功率值n
ref
之间的差值生成有功功率误差信号，根据目标流量值实
测流量值之间的差值生成流量误差信号；
9.3)将气压误差信号、有功功率误差信号以及流量误差信号求和生成多变量控制信号；
10.4)通过多变量控制信号控制高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的流量大小以维持气液混合系统中气体气压恒定。
11.可选地，所述设定气压值p
ref
、目标功率值n
ref
均为常数值，所述目标流量值为根据气液混合系统的动态特性计算得到。
12.可选地，步骤2)中还包括根据气液混合系统的动态特性计算目标流量值的步骤：
13.s1)将高压气系统、气液混合系统之间的气体视为两个气体控制体，气液混合系统中的液体视为液体控制体，气液混合系统中的器壁视为器壁控制体，分别建立发电阶段气体控制体和液体控制体的温度、体积、压力动态变化特性方程、液体控制体的方程、与气体接触器壁控制体的方程以及与液体接触器壁控制体的方程；
14.s2)针对发电阶段气体控制体和液体控制体的温度、体积、压力动态变化特性方程、液体控制体的方程、与气体接触器壁控制体的方程以及与液体接触器壁控制体的方程采用“乒乓”策略求解得到最优的目标流量值
15.可选地，步骤s1)中建立的发电阶段气体控制体和液体控制体的温度、体积、压力动态变化特性方程为：
[0016][0017]
式(1)中，t
b,gas
,m
b,gas
分别为气液混合系统内空气控制体b的温度、质量，t
a,gas
,m
a,gas
分别为高压气系统内空气控制体a的温度、质量，t为时间，k为空气比热容的比值，为气液混合系统内空气控制体b的质量流入速率，h
l
表示气液混合系统的液体控制体
与器壁换热系数，a
l
表示气液混合系统的液体控制体与器壁接触的面积，t
l
表示气液混合系统的液体控制体的温度，表示气液混合系统内空气控制体b的空气定容比热容，u为与环境接触器壁的换热系数，ag为气液混合系统内空气控制体b与气体接触的器壁面积，t
b,gas,t
为气液混合系统内空气控制体b接触的器壁控制体温度，p
b,gas
为气液混合系统内空气控制体b的压力，为高压气系统内空气控制体a的质量流出速率，ρw为汽液混合容器内液体控制体的密度，t
a,gas,t
为气液混合系统内空气控制体a接触的器壁控制体温度，表示气液混合系统内空气控制体a的空气定容比热容，为汽液混合容器内液体控制器的质量流出流率，为高压气系统内空气控制体a、气液混合系统内空气控制体b之间的交换速率，且满足rg为空气气体常数；
[0018]
液体控制体的方程为：
[0019][0020]
式(2)中，ρ
l
为液体密度，a
l
为液体控制体水平面的面积，c
l
为液体控制体的比热容，z
l
为液体控制体的液位，p
gas
为气液混合容器内空气压力,p
gas
＝p
b,gas
，为液体控制体出口液体温度，为液体控制体出口的质量流率，h
gas,l
为液体控制体与气体控制体之间的换热系数，h
l,t
为液体与汽液混合容器器壁之间的换热系数，t
gas
为气液混合容器的空气温度，a
l,t
为液体控制体与汽液混合容器器壁接触的面积，t
l,t
为与液体控制体接触的容器器壁温度，表示抽液过程中的质量流量；
[0021]
与气体接触器壁控制体的方程为：
[0022][0023]
式(3)中，m
gas,t
为与空气接触的容器器壁控制体质量，c
t
为气液混合容器器壁的比热容，t
gas,t
为与汽液混合容器器壁接触的气体控制体的温度，a
gas,t
为气体控制体与汽液混合容器器壁接触的面积，t
gas
为气液混合容器的空气温度，ho为气液混合容器器壁与外部环境之间换热系数，a
o,gas
为与气液混合容器内部空气接触的器壁暴露在外部环境的面积，t
amb
为外部环境温度；
[0024]
发电过程中与液体接触器壁控制体的方程为：
[0025][0026]
式(4)中，m
l,t
为与液体接触的容器器壁控制体质量，a
o,l
为与液体接触的容器器壁和外部环境的接触面积。
[0027]
可选地，步骤s2)包括：
[0028]
s2.1)初始化迭代变量n为1，初始化目标流量以及状态变量；根据nδt时
刻的目标流量以及状态变量，结合式(1)中气液混合系统内空气控制体b的压力p
b,gas
的计算函数表达式计算得到nδt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力
[0029]
s2.2)将nδt时刻的状态变量代入式(1)～(4)，并采用数值差分的方法计算出(n 1)δt时刻的状态变量；
[0030]
s2.3)根据(n 1)δt时刻的状态变量结合式(1)中气液混合系统内空气控制体b的压力p
b,gas
的计算函数表达式计算得到(n 1)δt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力
[0031]
s2.4)判断nδt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力(n 1)δt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力两者之间的差值的绝对值小于预设阈值是否成立，若成立，则将当前的目标流量作为求解得到的最优的目标流量值输出，结束并退出；否则，根据下式更新当前的目标流量
[0032][0033]
式(5)中，为更新后的目标流量，δ为质量流量的搜索步长，a为质量流量搜索范围的宽度，σ为质量流量搜索范围宽度的缩放因子，m为第m次动态调整质量流量的搜索范围。
[0034]
可选地，步骤2)中根据测量气压p
meas
、设定气压值p
ref
之间的差值生成气压误差信号是指将测量气压p
meas
、设定气压值p
ref
之间的差值输入气压闭环控制器得到气压误差信号。
[0035]
可选地，步骤2)中根据实测功率值n
meas
、目标功率值n
ref
之间的差值生成有功功率误差信号是指将实测功率值n
meas
、目标功率值n
ref
之间的差值输入有功功率闭环控制器得到有功功率误差信号。
[0036]
可选地，步骤2)中根据目标流量值实测流量值之间的差值生成流量误差信号是指将目标流量值实测流量值之间的差值输入流量闭环控制器得到流量误差信号。
[0037]
此外，本发明还提供一种发电-储能系统的波动压力发电控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述发电-储能系统的波动压力发电控制方法的步骤。
[0038]
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述发电-储能系统的波动压力发电控制方法的计算机程序。
[0039]
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明包括分别获取发电-储能系统的测量气压、实测功率值以及高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的实测流量值，并以此生成有功功率误差信号、气压误差信号以及生成流量误差信号；将气压误差信号、有功功率误差信号以及流量误差信号求和生成多变量控制信号并控制高压气系统、气液混合系统之
间气压调节阀的流量大小以维持气液混合系统中气体气压恒定。本发明通过多变量控制信号控制高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的流量大小以维持气液混合系统中气体气压恒定，能够提升发电机组功率的稳定性、机组的安全稳定运行，防止电力系统的低频振荡。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例方法的控制原理图。
[0041]
图2为本发明实施例中求解目标流量值的流程示意图。
具体实施方式
[0042]
为了解决发电-储能系统中与高压气系统、气液混合系统相联结的压力调节动态调节导致气液混合系统内气压波动问题，如图1所示，本实施例发电-储能系统的波动压力发电控制方法包括：
[0043]
1)分别获取发电-储能系统的测量气压p
meas
、实测功率值n
meas
以及高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的实测流量值
[0044]
2)根据测量气压p
meas
、设定气压值p
ref
之间的差值生成有功功率误差信号，根据实测功率值n
meas
、目标功率值n
ref
之间的差值生成气压误差信号，根据目标流量值实测流量值之间的差值生成流量误差信号；
[0045]
3)将气压误差信号、有功功率误差信号以及流量误差信号求和生成多变量控制信号；
[0046]
4)通过多变量控制信号控制高压气系统、气液混合系统之间气压调节阀的流量大小以维持气液混合系统中气体气压恒定。
[0047]
本实施例中，设定气压值p
ref
、目标功率值n
ref
均为常数值，所述目标流量值为根据气液混合系统的动态特性计算得到。
[0048]
本实施例中，步骤2)中还包括根据气液混合系统的动态特性计算目标流量值的步骤：
[0049]
s1)将高压气系统、气液混合系统之间的气体视为两个气体控制体，气液混合系统中的液体视为液体控制体，气液混合系统中的器壁视为器壁控制体，分别建立发电阶段气体控制体和液体控制体的温度、体积、压力动态变化特性方程、液体控制体的方程、与气体接触器壁控制体的方程以及与液体接触器壁控制体的方程；
[0050]
s2)针对发电阶段气体控制体和液体控制体的温度、体积、压力动态变化特性方程、液体控制体的方程、与气体接触器壁控制体的方程以及与液体接触器壁控制体的方程采用“乒乓”策略求解得到最优的目标流量值
[0051]
本实施例中，步骤s1)中建立的发电阶段气体控制体和液体控制体的温度、体积、压力动态变化特性方程为：
[0052][0053]
式(1)中，t
b,gas
,m
b,gas
分别为气液混合系统内空气控制体b的温度、质量，t
a,gas
,m
a,gas
分别为高压气系统内空气控制体a的温度、质量，t为时间，k为空气比热容的比值，为气液混合系统内空气控制体b的质量流入速率，h
l
表示气液混合系统的液体控制体与器壁换热系数，a
l
表示气液混合系统的液体控制体与器壁接触的面积，t
l
表示气液混合系统的液体控制体的温度，表示气液混合系统内空气控制体b的空气定容比热容，u为与环境接触器壁的换热系数，ag为气液混合系统内空气控制体b与气体接触的器壁面积，t
b,gas,t
为气液混合系统内空气控制体b接触的器壁控制体温度，p
b,gas
为气液混合系统内空气控制体b的压力，为高压气系统内空气控制体a的质量流出速率，ρw为汽液混合容器内液体控制体的密度，t
a,gas,t
为气液混合系统内空气控制体a接触的器壁控制体温度，表示气液混合系统内空气控制体a的空气定容比热容，为汽液混合容器内液体控制器的质量流出流率，为高压气系统内空气控制体a、气液混合系统内空气控制体b之间的交换速率，且满足rg为空气气体常数；
[0054]
液体控制体的方程为：
[0055][0056]
式(2)中，ρ
l
为液体密度，a
l
为液体控制体水平面的面积，c
l
为液体控制体的比热容，z
l
为液体控制体的液位，p
gas
为气液混合容器内空气压力,p
gas
＝p
b,gas
，为液体控制体
出口液体温度，为液体控制体出口的质量流率，h
gas,l
为液体控制体与气体控制体之间的换热系数，h
l,t
为液体与汽液混合容器器壁之间的换热系数，t
gas
为气液混合容器的空气温度，a
l,t
为液体控制体与汽液混合容器器壁接触的面积，t
l,t
为与液体控制体接触的容器器壁温度，表示抽液过程中的质量流量；
[0057]
与气体接触器壁控制体的方程为：
[0058][0059]
式(3)中，m
gas,t
为与空气接触的容器器壁控制体质量，c
t
为气液混合容器器壁的比热容，t
gas,t
为与汽液混合容器器壁接触的气体控制体的温度，a
gas,t
为气体控制体与汽液混合容器器壁接触的面积，t
gas
为气液混合容器的空气温度，ho为气液混合容器器壁与外部环境之间换热系数，a
o,gas
为与气液混合容器内部空气接触的器壁暴露在外部环境的面积，t
amb
为外部环境温度；
[0060]
发电过程中与液体接触器壁控制体的方程为：
[0061][0062]
式(4)中，m
l,t
为与液体接触的容器器壁控制体质量，a
o,l
为与液体接触的容器器壁和外部环境的接触面积。
[0063]
本实施例控制方法的控制目标为气液混合系统中气体气压恒定；本实施例控制方法为多变量控制方法，所述控制方法考虑了发电过程中高压气系统、气液混合系统中气体、液体、容器器壁温度的动态变化特性，将气液混合系统内气压信号、有功功率信号、开度信号、气压调节阀流量信号引入到控制器中形成了流量闭环控制、气压闭环控制、有功功率闭环控制器，实现了发电过程功率的稳定控制。控制方法中的流量闭环控制设定流量通过乒乓求解方法求出。压力误差信号、功率误差信号、流量误差信号分别经过各自控制器形成控制信号输出到气压调节阀，实现对气压调节阀过流量的控制。采用“乒乓”策略求解得到最优的目标流量值的基本原理为：首先假设出一个然后根据(1)-(4)求解出m
a,gas
和m
b,gas
和气压值，判断气压值是否满足误差需要，如果气压误差满足要求则假设质量流量值满足要求；否则修正数值。修正时采用“乒乓”策略：搜索到了第一个质量流量则以该质量流量为中心，在有限区域内遍历搜索下一个质量流量，当在该区域内寻找不到解答时，动态扩展该求解区域，直到搜索到解答。如图2所示，本实施例步骤s2)包括：
[0064]
s2.1)初始化迭代变量n为1，初始化目标流量以及状态变量；根据nδt时刻的目标流量以及状态变量，结合式(1)中气液混合系统内空气控制体b的压力p
b,gas
的计算函数表达式计算得到nδt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力
[0065]
s2.2)将nδt时刻的状态变量代入式(1)～(4)，并采用数值差分的方法计算出(n 1)δt时刻的状态变量；
[0066]
s2.3)根据(n 1)δt时刻的状态变量结合式(1)中气液混合系统内空气控制体b的
压力p
b,gas
的计算函数表达式计算得到(n 1)δt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力
[0067]
s2.4)判断nδt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力(n 1)δt时刻的气液混合系统内空气控制体b的压力两者之间的差值的绝对值小于预设阈值是否成立，若成立，则将当前的目标流量作为求解得到的最优的目标流量值输出，结束并退出；否则，根据下式更新当前的目标流量
[0068][0069]
式(5)中，为更新后的目标流量，δ为质量流量的搜索步长，a为质量流量搜索范围的宽度，σ为质量流量搜索范围宽度的缩放因子，m为第m次动态调整质量流量的搜索范围。
[0070]
本实施例中，步骤2)中根据测量气压p
meas
、设定气压值p
ref
之间的差值生成气压误差信号是指将测量气压p
meas
、设定气压值p
ref
之间的差值输入气压闭环控制器得到气压误差信号。作为一种可选的实施方式，本实施例中有功功率闭环控制器采用pid控制器，此外也可以根据需要采用模糊控制器等其他控制器。
[0071]
本实施例中，步骤2)中根据实测功率值n
meas
、目标功率值n
ref
之间的差值生成有功功率误差信号是指将实测功率值n
meas
、目标功率值n
ref
之间的差值输入有功功率闭环控制器得到有功功率误差信号。作为一种可选的实施方式，本实施例中压闭闭环控制器采用pid控制器，此外也可以根据需要采用模糊控制器等其他控制器。
[0072]
本实施例中，步骤2)中根据目标流量值实测流量值之间的差值生成流量误差信号是指将目标流量值实测流量值之间的差值输入流量闭环控制器得到流量误差信号。作为一种可选的实施方式，本实施例中流量闭环控制器采用pid控制器，此外也可以根据需要采用模糊控制器等其他控制器。
[0073]
综上所述，本实施例方法针对高压气系统和气液混合系统共同发电阶段气液混合系统内气压波动导致发电机组功率难以稳定的问题，考虑了气体、液体、容器器壁温度的动态变化，提出了高压气系统和气液混合系统动态模型的乒乓求解方法，将气液混合系统内气压控制问题转化为气压调节阀的流量控制，并将气液混合系统内气压信号、有功功率信号、开度信号、气压调节阀流量信号引入到控制器中，通过闭环控制和控制策略实现了发电过程功率的稳定控制，为该发电-储能系统实现压力波动下发电机组功率恒定输出提供了一种控制方法，为提升电力系统灵活性提供了重要的理论支撑与实践依据。
[0074]
此外，本实施例还提供一种发电-储能系统的波动压力发电控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述发电-储能系统的波动压力发电控制方法的步骤。
[0075]
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述发电-储能系统的波动压力发电控制方法的计算机程序。
[0076]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0077]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。