燃气轮机在电网调峰中调度问题研究

燃气轮机在电网调峰中调度问题研究

林庆海

华能济南黄台发电有限公司    山东济南    250000

摘要：随着风电大规模并网运行以及国家对环境保护的重视，调度中心不仅要虑经济因素还要促进风电消纳、考虑环境问题等多种影响电力系统的因素，这就使得电力系统机组调峰调度非常的困难，所以很多的专家研究了多因素下调峰的调度方案。构建了风电波动对风电并网系统调峰能力的规划模型，利用其仿真验证了机组启停方案的可行性，但是其模型中没有考虑调峰运行费用；建立了风电并网运行的经济调度模型，对经济性评价进行了研究；研究了风电并网运行以经济调度为目标的模型，但是对于弃风方面的问题并没有进行分析；建立了电力系统经济调度模型，并用混沌粒子群算法对其求解，仿真验证了模型的可行性；构建了以促进风电消纳和经济成本为目标的火电调峰模型。

关键词：燃气轮机；调峰；粒子群算法

引言

现代社会，电能是工业产品的一种，但由于电能产品的形式单一以及电能商品自身所具有的独特性质，集中体现为电能的产用具有同时性、瞬时性。电能质量的评定与其他工业产品也有所差异，主要体现在以下两方面:电力系统是一个动态变化系统，能量流动始终维持在动态平衡状态。电能从生产到传输再到最后被消费基本是同时完成的，电气连接把发输配用电环节连成一个整体，因此，任何一个发生电能质量问题都将波及到其余各个环节。电能质量扰动具有广泛的传播特性。如今，衡量电力系统运行与管理水平高低的主要影响因素就是电能质量的优劣情况，从电力系统自身发展出发，控制和改善电能质量也尤为必要，在此基础上，竭力追求全面的电能质量管理具有深远意义。

1燃气轮机在电网调峰中的应用分析

为积极推动我国能源转型，提升可再生能源并网的消纳能力，常规火电机组有必要积极开展灵活性改造，在降低其最小技术出力的同时为新能源出让并网运行空间。已有研究表明，火电机组处于调峰运行时，火电厂的运营成本会随着风电渗透率的增加而提高。根据影响火电机组调峰能力的因素，建立相关的电力系统能源效率模型，提供了调峰机组多角度经济性分析的方案，使得系统在经济性运行的前提下能有足够的调峰裕度。由于目前对火电机组的深度调峰研究还处于初步阶段，较多的文献还是针对深度调峰运行的影响因素、安全性以及经济性进行分析，而关于深度调峰后的负荷调节和频率调节等功能还未进行过深入研究。对此，本文在传统AGC模型中引入了新能源渗透率，细化了常规火电机组调峰时的AGC频率响应模型，并且对火电机组2种典型调峰方式和风电调频策略进行了分析研究。在火电机组层面探讨哪种调峰方式有利于频率稳定，在风电机组层面研究哪种风电调频策略有助于提高系统调峰运行时的频率调节能力，并基于以上2个层面提出了解决电网调峰运行时的频率稳定问题的新方法。

2燃气轮机参与调峰调度模型

在风电并网运行的系统中，调峰需求是日负荷波峰值与日负荷波谷值峰谷差。风电出力变化趋势与日内负荷变化趋势的相关性决定了风电并网对系统调峰需求的影响在风电并网系统中，为了提高能源利用率、响应国家节能减排的号召，同时为了降低经济成本，使经济价值最大化，建立了其他机组和燃气轮机机组两大类机组的调峰调度模型，需要对机组的启停策略进行最佳优化，还需要对负荷进行最优的分配也就是优化分配各类机组的功率，以总弃风量最小、调度系统成本最小为目的标函数。以功率平衡约束、旋转备用约束、风电场约束、其他机组约束、燃气轮机机组约束作为约束条件，其中燃气轮机机组的约束条件包括爬坡约束和出力约束，建立调峰制度多目标优化模型，建立了离散性、维度高等特点的调峰调度模型。在对模型求解的时候，选择惩罚函数法对各个约束条件进行处理，处理之后就是没有约束条件的目标函数，利用信息搜索法进行计算，对各机组的启停顺序进行优化，也就是其他机组和燃气轮机组分别有多少台机组参与调度，然后利用粒子群优化算法对其模型进行求解。可再生能源发电量预测如图1所示。

图1　可再生能源发电量预测

3燃气轮机在电网调峰中调度

3.1燃气轮机进气温度升高对燃气轮机出力和效率的影响

燃气轮机的工质为烟气，烟气的质量流量即烟气密度（最大体积流量受流体边界条件的限制不能随意增大）决定了其工质的总量，而工质的总量基本决定了燃气轮机的做功能力（在其他边界条件限定的情况下，工质的总量决定了工质携带能量的能力）。工质（烟气）的总量主要决定于压气机进口空气的总质量，在流体进气总容积受限和大气压稳定的情况下，进气的温度决定了进气的总质量即工质的总量，因此也决定了燃气轮机的出力。燃气轮机的出力随着进气温度的升高而降低。从燃气轮机循环的热力学原理上来讲，在其他边界条件不变的情况下，进气温度越高，燃机轮机的热效率越低。从性能计算数据上看，燃气轮机进气温度升高对燃气轮机出力的影响远大于对燃气轮机效率的影响。

3.2模型自治优化运行策略

多源微网补充和丰富了传统电网工作形式。受实际环境中光照、风速等条件的影响，风力发电和光伏发电的负荷波动性较大，微网存在的功率缺额还需要由大电网来承担，这就需要微网与大电网之间进行合理协调的交互运行，同时还要考虑符合经济要求，使微电网稳定高效运行，减少“峰上加峰”。

3.3微电网控制策略

微电网具有并网运行和独立运行两种模式。在并网模式下，微电网交流母线的电压和频率参考值由公用电网提供，此时，微电网系统控制目的是最大化DG出力，以实现可再生能源的充分消纳。微电网并网运行时极大地提高了供电可靠性。并网运行时，公用电网类似于混合微电网的无限容量的额外储能，作用是平衡电网的负荷需求与供应。当微电网内DG发出的总功率大于负荷时，微电网向公用电网馈电，反之，混合微电网DG出力不足时，公用电网向微电网馈电。在并网状态下，所有可再生能源转换系统都控制在最大功率点跟踪(MPPT)模式下运行，以最大化利用可再生能源。除此之外，在并网运行时，可由公共电网内的无功补偿装置向微电网提供无功功率，此时，微电网控制系统中无功功率参考值可设置为0。

4燃气轮机在电网调峰中调度应用前景

分析我国现阶段的电网结构持点，风电并网的比例逐渐增加，为了提高电网系统的安全经济运行，研究风电并网系统的调峰策略以及调峰模型是非常重要的。由于风电出力的不确定性以及负荷的不确定性，同时风电并网可能出现的反调峰现象，这样就会给电力系统的调峰需求造成很大的困难。电网调峰中燃气轮机是的一种较好选择，当风电并入电力系统中运行时，燃气轮机加入系统中时，可以减少弃风量同时能够提高经济性，建立了以以弃风量最小、成本最低以及弃风量最小和成本最低为目标函数的三种调峰调度模型，采用粒子群算法研究了该模型的求解方法。利用所研究调峰策略以及求解方法，对其进行了仿真研究，得到了三种调峰调度模型的总弃风量和一个调度周期内运行费用之间的不同，结果表明两种目标优化调度模型更能兼顾弃风和系统经济性两方面。但是文中的模型还可以进一步优化，将环保因素以及排放量最小等目标加入模型中，同时约束条件还可以考虑网络损耗等情况；在求解模型方面还可以考虑更加智能的算法；在成本上还可以考虑折旧和维护成本等多个方面，所以人们还可以对燃气轮机加入风电并网系统中的模型进一步优化，使得调峰机组的调峰能力被充分利用，从而进一步减少弃风量、降级经济成本和网络损耗、提高系统的稳定性和调峰容量。

结束语

上面分析了冷热电联供型微电网优化现状，并建立了一个典型的冷热电微电网优化模型，分析了各微电源工作原理及出力特点;提出了一种基于日前初始用电负荷需求并结合电价激励及用户侧用电舒适度的综合实时用电需求优化模型;采用遗传算法的多目标优化算法进行优化，考虑实时需求管理模式进行仿真分析。实际算例证明，考虑实时需求管理优化方法使得用电需求曲线明显平缓，各微电源在各时段处理情况较不考虑实时需求管理时更为均衡，改善了各微电源出力不均衡带来的资源浪费、能源利用率低等问题。

参考文献

[1]朱靖雯.时序下分布式电源接入配电网优化配置的研究[D].安徽理工大学,2020.

[4]孙超.基于需求响应的楼宇微网协调控制[D].长春工程学院,2020.

[3]夏小勇,张新仪,洪德全,程途.燃气-蒸汽联合循环分轴机组孤网运行分析[J].燃气轮机技术,2020,33(04):57-61.