辅助核电机组一次调频的飞轮储能阵列容量配置方法_武鑫.pdf

第 卷 第期 年月动力工程学报 收稿日期：修订日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）；中央高校基本科研业务费资助项目（）；国网宁夏电力有限公司科技项目资助项目（）作者简介：武鑫（），男，北京人，副教授，博士，研究方向为储能系统和发电系统建模、控制等。熊星宇（通信作者），男，副教授，博士，电话（）：；：。文章编号：（）：辅助核电机组一次调频的飞轮储能阵列容量配置方法武鑫，杨威鹏，熊星宇，马志勇，张爽，罗海荣（华北电力大学 先进飞轮储能技术研究中心，北京 ；国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，银川 ）摘要：针对核电机组一次调频能力不足的问题，采用飞轮储能阵列来辅助核电机组进行一次调频。首先，建立额定功率为、储存电量为 的飞轮储能单元模型和额定功率、储存电量飞轮储能阵列，并分析其充放电特性；其次，基于粒子滤波方法，以提升核电机组一次调频积分电量贡献指数倍为目标，提出了一种飞轮储能阵列容量配置方法；最后，根据某装机容量为 的核电机组历史运行数据，通过仿真验证所提出的飞轮储能阵列容量配置方法。结果表明：与采用集合经验模态分解（）方法的飞轮储能阵列容量配置方法相比，基于粒子滤波方法的飞轮储能阵列容量配置方法具有更好的调频效果。关键词：核电机组；一次调频；飞轮储能阵列；粒子滤波方法；容量配置方法中图分类号：文献标志码：学科分类号：，（，；，）：，（），：；随着全球能源的日益紧张，气候变暖、环境污染问题已引起世界各国的广泛重视。开发清洁能源，减少使用化石能源，逐步向以清洁能源为主的能源结构转型的理念得到了国内外的广泛认可，“十四五”现代能源体系规划 中明确提出要继续优化能源结构，推动电力系统向高比例新能源组成方向演进。然而，以风能、太阳能为主的可再生能源随机性与间歇性较强，且难以预测，当其大规模并网后会对电网频率的稳定性带来显著影响，而其本身不具备调频能力，从而加重了整个电网的调频负担。我国核电机组的装机容量日益增加，为了缓解电网的调频负担，对大容量核电机组参与一次调频的需求日益迫切。但是，核电机组参与一次调频最终会影响核电机组的反应堆控制，需通过调节反应堆的功率来完成一次调频。因此，核电机组的调频死区、幅值设置等都会受到反应堆控制的约束。考虑核电机组自身安全性和稳定性的要求，可以采用飞轮储能阵列辅助核电机组进行一次调频，且飞轮储能具有快速响应的优势，十分适合调节由于快速负荷扰动引起的一次调频。通过采用飞轮储能辅助核电机组参与调频的方式，可以很大程度上改善核电机组参与一次调频的效果，同时还可以降低核电机组进行调频时的风险。飞轮储能是一种物理储能技术，具有功率密度大、响应速度快、寿命长、可扩展性好、无污染等特点，其循环次数可高达 万次，响应时间是毫秒级，能够很好地匹配一次调频中功率频繁波动以及较小时间尺度的要求。近年来，飞轮储能技术不断发展，其成本也随之降低，迄今己接近锂电池储能成本。随着技术的发展以及成本的降低，飞轮储能技术将越来越受重视，应用前景十分广阔。国内外学者针对采用飞轮储能参与电网调频进行了大量研究。等建立了永磁同步电机的飞轮储能系统，通过频率信号调节飞轮转速进行充放电，以达到降低电网频率变化率的效果。等发现可以利用飞轮储能处理含有太阳能发电的微电网频率变动信号中的高频分量，有助于减少电池储能的循环次数，延长电池寿命。罗耀东等提出了一种储能电量持续性管理的火电机组飞轮储能协调控制策略，该方法能够减少机组磨损和抑制反向调频。王宪将电网负荷划分为不同周期，将其分配给飞轮储能与火电机组，使得整体的调频效果明显改善。隋云任等研究发现，利用飞轮储能辅助燃煤机组进行二次调频可以显著提高机组的调频性能，并减小主蒸汽压力波动范围。目前，对于飞轮储能参与核电机组一次调频的研究较少，而飞轮储能快速响应的优势十分适合调节由于快速负荷扰动引起的核电机组一次调频。因此，笔者采用飞轮储能阵列辅助核电机组进行一次调频。首先，建立了 飞轮储能单元模型和飞轮储能阵列，并分析其充放电特性。其次，采用粒子滤波方法，以提升核电机组一次调频积分电量贡献指数倍为目标，提出了一种飞轮储能阵列容量配置方法。最后，基于某装机容量 的核电机组历史运行数据，通过仿真实验验证了提出的飞轮储能阵列容量配置方法，将其与采用集合经验模态分解方法（，）的飞轮储能阵列容量配置方法进行对比。飞轮储能系统充放电特性飞轮储能属于机械式储能，飞轮储能系统包括飞轮转子、磁悬浮轴承、永磁同步电机、真空室等核心部件以及双向变流器、控制系统、抽真空系统和冷却系统等辅助设备。飞轮储能单元充放电特性根据文献 建立额定功率为、储存电量为 的飞轮储能单元模型，其飞轮储能单元模型如下：（）（）（），（）（）（）式中：为飞轮储能系统的额定功率；，为直流基准电压；为直流母线电容；为永磁磁链；为惯性常数；为角速度；为直流电压；为直流电流；为参考功率；为输出功率；为电机转矩；为轴电流；为轴电压；为时间。为验证该模型中飞轮储能系统跟随负荷的能动力工程学报第 卷力，对建立的飞轮储能单元模型进行仿真。如图所示，以额定功率对飞轮储能单元进行快速充放电，飞轮储能单元输出功率可以快速准确地跟随参考功率信号，并将功率稳定到新的给定值，且从图可以看到，到达新的给定值的稳态时间小于.。上述结果符合飞轮储能系统具备毫秒级调节能力的特性，说明该系统具备良好的负荷跟踪能力，可以满足辅助核电机组开展一次调频的需求。图飞轮储能单元动态性能 飞轮储能阵列充放电特性由于单个飞轮储能单元的容量难以满足核电机组一次调频的需求，故将若干个飞轮储能单元通过直流交流（）变流器并联起来，构成一个飞轮储能阵列。在飞轮储能阵列充放电的过程中，由于每个飞轮储能单元的状态并不完全相同，必须设计适当的策略来协调各个储能单元之间的运行。以各飞轮储能单元可充放电量占总储能系统可充放电量的比值进行功率分配，核心原则是放电时转速越高的飞轮单元分得的功率越多，转速越低的分得的越少，充电时相反。当某单元分配功率达到最大 值 时，将 超 额 参 考 功 率 分 量 分 配 到 其 他 单元，各单元基本分配功率见式（）。（）（）（），（）（）（），（）式中：为飞轮储能阵列总参考输入功率；（）和（）分别为第个飞轮储能单元当前可充电量和可放电量。对由台飞轮储能单元组成的 飞轮储能阵列进行快速充放电仿真，如图所示。给定总参考功率时，飞轮储能阵列总输出功率可以快速准确地跟踪参考功率信号，由图可知，其到达新的参考功率的稳态时间小于。个飞轮储能单元输出功率和当前转速分别见图和图。在整个飞轮储能阵列参考信号达到额定功率 时，个飞轮储能单元都以额定功率 运行。在整个储能阵列参考信号未达到额定功率时，转速较高的飞轮储能单元相较于转速较低的飞轮储能单元能够释放更多的电量，吸收更少的电量。在 时间中，个飞轮储能单元的荷电状态（，）逐渐趋于一致，验证了飞轮储能阵列模型的有效性。图飞轮储能单元输出功率 图飞轮储能单元转速 飞轮储能阵列容量配置方法 飞轮储能阵列辅助核电机组一次调频可再生能源占比增大会降低系统的动态响应速度，增加频率变动幅度，从而使电力系统的一次调频能力弱化。采用飞轮储能阵列辅助核电机组参与一次调频后，当电网频率发生波动，飞轮储能阵列与核电机组对频率变化信号共同给出反应，机械功率与电磁功率的差值减小，可以改善核电机组参与电网调频的效果，提高核电机组的一次调频能力。将飞轮储能系统作为辅助装置加入一次调频系统，接入核电机组的拓扑结构如图所示。此拓扑结构中，由飞轮本体、永磁同步电机（）、变换器组成模块化的飞轮储能单元，有利于扩建储能阵列的功率和容量。当核电机组调频降低负荷时，储能装置处于充电运行状态，由厂用电系统经干式变第期武鑫，等：辅助核电机组一次调频的飞轮储能阵列容量配置方法压器将电压由 降至 ，经整流装置整流后对飞轮储能阵列充电，消耗电能；当机组调频增加负荷时，储能装置处于放电运行状态，飞轮储能阵列的直流电经逆变器转换成交流电，经干式变压器注入厂用电系统，释放电能。图飞轮储能阵列接入核电机组拓扑结构 飞轮储能阵列容量配置方法在飞轮储能阵列辅助核电机组参与调频的方式下，为了得到更为合理的飞轮储能系统调频指令，同时避免机械振动信号在采集过程中受到复杂噪声干扰，选用粒子滤波方法进行处理。粒子滤波方法粒子滤波具有一个明显的优点，即能处理非平稳信号。粒子滤波方法与传统的滤波器方法不同，其本质不是在频率域对信号进行处理，而是一种状态估计手段，通过对有用信号和噪声信号的统计特性进行假定，然后建立比较符合真实特性的数学模型，利用观测信号对有用信号进行估计。粒子滤波算法主要使用一组采样粒子点的加权样本集合来近似获取后验概率密度的加权样本集合。最终得出的后验概率密度可表示为：（），（，）（）式中：（）为后验概率密度；为时刻的样本数据；为时刻的观测数据；，为时刻第个粒子的权重；，为的第个粒子；（）为狄拉克函数；为粒子总数。由于通常情况下无法直接从上述后验概率密度公式中采样，一般会使用连续重要性采样方法，从重要性密度函数（）中进行间接取样。取样过程中（）可以进一步分解为：（）（，）（）（）根据重样抽样的原则，非正态化重要性权重更新方程为：，（，）（，）（，：）（）式中：为时刻的观测数据。在粒子滤波跟踪算法应用过程中，会根据情况选择合适的（），且这项指标的选择对算法的影响较大。相关研究表明，在选取（）时应尽可能接近后验概率分布。结合大数定律可以看出，当式（）中的无限趋近于时，最终得到的后验概率分布近似等同于真实的后验概率分布。首先通过粒子滤波方法过滤掉核电机组输出功率信号中超高频部分，然后基于核电机组一次调频需求，设定核电机组一次调频目标响应功率，核电机组输出功率减去核电机组目标响应功率，获得飞轮储能阵列充放电指令。.集合经验模态分解方法经验 模 态 分 解（，）方法无需信号的先验知识，其分解完全依赖信号本身，数据分解真实可靠，因此被广泛应用于机械振动信号分析、声音处理等诸多领域。但是，在脉冲强干扰的影响下，分解出来的本征模态分量（，）会发生畸变，导致信号失真，且 本身存在一些不足，如模式混叠、端点效应、停止条件等。等 后来又提出 方法，解决了 中出现的模态混合问题。方法的本质是一种叠加高斯白噪声的多次经验模式分解，利用了高斯白噪声具有频率均匀分布的统计特性，通过每次加入同等幅值的不同白噪声来改变信号的极值点特性，之后对多次进行得到的相应 进行总体平均，来抵消加入的白噪声，从而有效抑制模态混叠的产生。分解步骤如下：（）设定总体平均次数。（）将一个具有标准正态分布的白噪声（）加到原始信号（）上，以产生新的信号（）（）（），（）表示第次试验的附加噪声信号，。动力工程学报第 卷（）对所得含噪声的信号（）进行分解，得到各自和的形式：（），（）（）（）式中：，（）为第次加入白噪声后分解得到的第个 分量；（）为第次加入白噪声后分解得到的残余分量，代表信号的平均趋势；为 的数量。（）重复步骤（）和步骤（）进行次，每次分解加入幅值不同的白噪声信号，得到 的集合为，（），（），（）。（）利用不相关序列的统计平均值为的原理，将上述对应的集合进行平均运算，得到 分解后最终的，即：（），（）（）式中：（）为 分解的第个。（）分解的最终结果为：（）（）（）（）式中：（）为最终的残余分量。常用的相关系数法是将本征模式分量与原信号之间的相关系数作为一个指标，来判断哪些本征模式分量是信号的真实分量，哪些是虚假的、无意义的本征模式分量，将这些虚假本征模式分量剔除，作为残差的一部分。为了避免幅值较小而又是真实的分量被去除，将所有的本征模式分量与原信号进行归一化处理。本征模式分量和原信号之间的归一化相关系数为：（）?（），（）?（）（）?（），（）?（）（）式中：（）为原始信号的第个数据点；为信号长度；，（）为第个 分量的第个数据点；?（）为第个 分量的平均值；?（）为原始信号的平均值。.一次调频积分电量贡献指数计算方法根据 火力发电机组一次调频性能验收导则 及 火力发电机组一次调频试验导则 等相关技术标准要求，机组参与一次调频的响应时间应小于；机组一次调频的负荷响应速度应满足达到 目标负荷的时间不超过，达到 目标负荷的时间不超过；机组参与一次调频的稳定时间小于 。一次调频积分电量贡献指数计算方式为：（）式中：为一次调频实际动作积分电量；为一次调频理论积分电量。（）（）式中：为调频时段内机组实时功率；为积分初始时刻机组功率；为机组额定功率；为额定频率；为频率偏差；为机组转速不等率。在积分电量考核的基础上，分别计算、的一次调频电量贡献指数、以及最终的机组一次调频积分电量贡献指数，对机组一次调频前期的控制品质提出更严格的要求。计算如下：（）式中：、和 分别为机组、和 时一次调频电量贡献指数的权重，.，.，.。根据核电机组额定功率为 ，频率偏差为 ，转速不等率为，由公式（）得出机组、和 的一次调频理论积分电量分别为：.，.，.。设定为一次调频考核综合指标，其表达式如下：，（）式中：为分段电量贡献指数合格率，目前按 执行。.飞轮储能阵列容量配置方法基于粒子滤波方法，获得飞轮储能阵列充放电指令。同时，为了避免飞轮储能系统由于电网很小的频率波动而进行不必要的频繁充放电动作，设置储能死区。飞轮储能系统的死区设置参照储能系统参与电网调频死区设置的常规方法，设为.。根据死区频率和飞轮储能频率调节系数将频率差转换为功率差，当核电机组实测功率与目标功率指令之差小于功率差时，飞轮储能系统不进行动作，调频指令为。由此，通过设置储能死区来调整飞轮储能系统充放电功率指令，不但对机组第期武鑫，等：辅助核电机组一次调频的飞轮储能阵列容量配置方法波动较大的输出功率进行了补偿，而且大幅缩短了飞轮储能系统的充放电切换时间，从而减少了飞轮储能系统的循环次数，延长了飞轮储能系统的使用寿命。根据得到的飞轮储能阵列的功率指令计算飞轮储能阵列电量需求变化，储能充放电电量计算公式为：（）（），（）（），（）（），（），（）（）式中：为采样数据的个数；（）为飞轮储能单元充放电功率；为放电效率；为充电效率；、分别为储能 上、下限值；为采样频率；为飞轮储能阵列初始 ；，为配置的储能容量；（）为飞轮储能阵列的充放电电量。充放电电量需求为负数时表示此时间段最终表现为充电，正数表示此时间段最终表现为放电。设定飞轮储能单元的放电深度为 ，初始 为，放 电 效 率 为，充 电 效 率为 。以提升核电机组一次调频积分电量贡献指数倍为目标，提出的飞轮储能阵列容量配置方法如图所示。图飞轮储能阵列容量配置方法 实例分析基于某核电机组 的原始输出功率数据，首先采用粒子滤波算法对核电机组原始功率数据进行处理，并与 方法对比，如图所示。图某核电机组 输出功率数据 基于核电机组一次调频需求，设定核电机组目标响应功率，如图所示。将核电机组输出功率减去其目标功率指令，并且设置死区，可获得飞轮储能阵列的充放电指令，如图所示。图核电机组输出功率与目标功率指令 图飞轮储能阵列充放电指令 采用式（），根据飞轮充放电指令计算飞轮储能阵列 内充放电指令电量变化的最大差值，粒子滤波方法中电量变化最大差值为 ，在 方法下电量变化最大差值为 。采用式（），计算出所需的飞轮储能阵列额定容量分别为 和 ，采用粒子滤波方法时需要台 的飞轮储能单元，采用 方法时需要台 的飞轮储能单元。动力工程学报第 卷在 充放电功率指令中，采用粒子滤波方法获得的调频信号功率范围为 ；采用 获得的 调频 信 号功 率 范围为 。为满足充放电最大功率需求，选择 台飞轮储能单元进行下一步处理，此配置同时也满足电量需求。种方法下飞轮储能阵列核电机组总输出功率如图所示，内飞轮储能阵列的 变化如图 所示。飞轮储能阵列辅助核电机组一次调频之后，系统中功率波动相较于未加飞轮储能时更加平缓，其中采用粒子滤波方法时飞轮储能阵列 变化范围较 方法更小。取其中波动最大的个时段计算一次调频指标，如表所示。选用一次调频积分电量贡献指数来评判飞轮储能阵列辅助核电机组一次调频的性能提升，计算一次调频电量贡献指数。通过表可知，采用基于粒子滤波方法的飞轮储能阵列容量配置方法可以提高核电机组的一次调频性能（积分电量贡献指数）平均 倍；采用基于 方法的飞轮储能阵列容量配置方法可以提图核电机组飞轮储能阵列总输出功率 图 内飞轮储能阵列的 变化 表一次调频积分电量贡献指数 参数第次第次第次第次第次第次调频时段无储能时 有储能时 提升倍数 无储能时 有储能时 提升倍数 高核电机组的一次调频性能平均 倍。结果表明，基于粒子滤波的飞轮储能阵列容量配置方法具有更好的调频效果。结论（）建立了 的飞轮储能单元及飞轮储能阵列模型，并对其快速充放电的动态特性进行了分析。（）基于粒子滤波方法，以提升核电机组一次调频积分电量贡献指数倍为目标，提出了一种飞轮储能阵列容量配置方法。（）与基于 方法的储能阵列容量配置方法相比，基于粒子滤波方法的飞轮储能阵列容量配置方法具有更好的调频效果。参考文献：陈国平，梁志峰，董昱基于能源转型的中国特色电力市场建设的分析与思考中国电机工程学报，（）：，（）：陆王琳，陆启亮，张志洪碳中和背景下综合智慧能源发 展 趋 势 动 力 工 程 学 报，（）：，第期武鑫，等：辅助核电机组一次调频的飞轮储能阵列容量配置方法 ，（）：卢峰核电机组汽轮机调节系统建模与仿真北京：华北电力大学，戴兴建，魏鲲鹏，张小章，等飞轮储能技术研究五十年 评 述 储 能 科 学 与 技 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