1.本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法。
背景技术：2.目前，传统产能过剩、化石能源资源短缺、弃风弃光现象严重等问题严重制约着能源产业的发展。亟待开展含高比例可再生能源的热电联产系统的协调控制方法研究，提升可再生能源消纳能力和系统稳定运行能力。
3.热电联产系统充分利用电能和热能的互补特性，实现了电热协同供应和综合利用。混合热-电站中能量来源为可再生能源发电，站内通过电力电子变换器、热电储能以及热电转换装置分别实现电能的变换、能量存储和电热转换。各环节的运行方式和出力特性差异较大，尤其是快速响应的电力系统和缓慢大惯性的热力系统之间存在时间尺度上的不匹配关系，使得混合热-电站的控制具有多时间尺度的特点。现有的研究工作大多集中在是基于稳态模型进行的运行方式优化，少有考虑动态过程的控制方法。现有控制方法并不能综合考虑热-电站内储能装置、热电转换装置等设备的运行与控制特性，不能充分发挥电热两种系统结合的优势，缺少支撑混合热-电站的稳定可靠运行的控制方法。
技术实现要素：4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，其目的在于实现混合热-电站系统稳定可靠运行，满足用户的多能源需求，提高系统的稳定性和可再生能源的消纳能力，为满足用户的多能量需求提供新的解决方案。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，所述系统包括：风电机组、电储能设备、第一直流变换器、电热锅炉、第二直流变换器、储热设备、换热器；所述方法包括：
6.s1，分别将第一直流变换器和第二直流变换器等效为虚拟直流电机，并根据所述虚拟直流电机的机械方程与电枢方程，分别对其进行控制，使其具有直流电机的动态特性；
7.s2，实时检测系统供水温度tw，通过pi控制调节流入换热器的储热工质质量流量m3，使得tw与其参考值t
wref
的偏差达到设定阈值，实现供水温度控制；
8.实时检测热罐内工质液位高度hh及工质温度th，将hh与其参考值h
href
做差，并将th与其参考值t
href
做差后乘以附加修正系数β，将上述计算结果叠加作为输入进行pi控制，将输出值与m3进行叠加，得到m3的共模分量k1；
9.实时检测电热锅炉液位高度hb，将hb与设定的液位高度参考值h
bref
做差后作为输入进行pi控制，输出m3的差模分量k2；
10.将k1与k2叠加，得到流入电热锅炉的储热工质质量流量m2，将k1与k2做差，得到流出电热锅炉的储热工质质量流量m1，实现对热罐液位高度控制、热罐温度附加控制以及电热
锅炉液位高度控制。
11.优选地，系统供水温度参考值t
wref
的计算公式为：
[0012][0013][0014]
其中，为相对供暖热负荷，tn为设计室内温度，to为室外实际温度，to′
为室外计算温度，tw′
为用户侧设计供水温度，th′
为用户侧设计回水温度，b为散热器传热指数。
[0015]
优选地，所述虚拟直流电机的机械方程为：
[0016][0017]
其中，j为虚拟转动惯量；d为阻尼系数；ω和ω0分别为实际角速度和额定角速度；tm和te分别为机械转矩和电磁转矩；pe为直流电机的电磁功率.
[0018]
优选地，所述虚拟直流电机的电枢方程为：
[0019][0020]
式中，u
dc
为直流母线电压；ra为电枢回路总的等效电阻；c
t
和φ分别为转矩系数和每极磁通。
[0021]
优选地，所述第一变换器和第二变换器均包括由开关管构成的桥臂结构、电容和滤波电感。
[0022]
优选地，s1包括：
[0023]
s11，将实时检测的直流母线电压u
dc
与系统直流母线电压参考值u
dcref
做差后进行pi控制，输出得到变换器输出电流的参考值i
oref
，将i
oref
与直流母线电压参考值u
dcref
相乘得到变换器有功功率参考值pm；
[0024]
s12，将pm除以额定角速度ω0，得到虚拟直流电机的机械转矩tm，通过构建虚拟直流电机的机械方程与电枢方程，得到电枢电流参考值ia；
[0025]
s13，将ia乘以变换器变比k，得到变换器电感电流参考值i
ref
，将实时检测的变换器电感电流i
es
与i
ref
的差值作为pi控制器的输入，通过pi控制和脉冲宽度调制，得到变换器中开关管的开断控制信号。
[0026]
按照本发明的另一方面，提供了一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0027]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0028]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。
[0029]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
[0030]
(1)本发明提供的可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，针对以可再生能源为能量输入的混合热-电站，充分考虑了热-电站内储能装置、热电转换装置等设备的运行与控制特性，并结合供热管网及热负荷的特性，构建了基于虚拟直流电机控制和热能流控制的双层协调控制方法，能够达到电能、热能协调运行的效果，协同完成了混合热-电站内可再生能源波动的平滑调节，有效实现了热电互补和热、电的稳定输出。
[0031]
(2)本发明提供的可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，热能流控制均采用pi控制实现，响应特性良好、控制复杂度低，易于工程实现。热能流控制能够使得供水温度、热罐内液位高度和温度、电热锅炉液位高度紧密跟随设定值，灵活地存储和释放热能，通过调节热能流的工质流量，确保满足热负荷需求，提高了热力系统的可控性和灵活性。同时，充分考虑了热负荷的动态特性，使得在外界环境温度变化时能够紧密跟随负荷变化，实时调节供水温度，以保证稳定的供热水平。
[0032]
(3)本发明提供的可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，电池变换器与电热锅炉变换器的直流电压控制环节和电流控制环节采用pi控制形式，能够使各逆变器的输出直流电压跟随设定的直流母线参考值，使各逆变器的输出电流跟随设定的输出电流参考值，电路实际物理量能够很好地跟踪控制器参考值，使变换器具有良好的响应特性。另一方面，虚拟直流电机环节能够模拟实际直流电机的机械方程和电枢方程，使变换器输出端外特性表现出与直流电机相一致的下垂特性和动态特性。再者，本发明完全根据直流母线电压和本地输出电流的采样值实现控制，能够使得经过电路连接的两个变换器之间自动实现功率分配，无需额外的通信从而具备良好的可靠性。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例提供的基于可再生能源的混合热-电站系统结构图之一；
[0034]
图2为本发明实施例提供的基于可再生能源的混合热-电站系统结构图之二
[0035]
图3为本发明提供的虚拟直流电机控制框图；
[0036]
图4为本发明提供的变换器结构图；
[0037]
图5为本发明提供的热能流控制框图；
[0038]
图6为本发明提供的风速波动情况下混合热-电站内功率波形图；
[0039]
图7为本发明提供的直流母线电压波形图；
[0040]
图8中的(a)、(b)、(c)、(d)分别为本发明提供的热网侧各物理量波形图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042]
本发明实施例提供一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，如图1-2所示，所述系统包括：风电机组、电储能设备、第一直流变换器、电热锅炉、第二直流变换器、储热设备、换热器。
[0043]
其中，图中带箭头的实线条、虚线条和点线条分别代表电能、热能以及实际检测信息的流动方向。图中m1为流出电热锅炉的储热工质质量流量，m2为流入电热锅炉的储热工质质量流量，m3为流入换热器的储热工质质量流量。
[0044]
具体地，所述可再生能源混合热-电站系统包括风电机组、电储能、电热锅炉、储热设备(热罐和冷罐)、换热器，系统利用风电机组产生电能，电池与电热锅炉作为储能装置用于消纳、平抑风力发电，使系统能够平稳地向电网输送电力，电热锅炉将吸收的电能转化为热能，加热储热介质，储热设备将存储的热能输送至换热器，换热器用于站内储热介质与循环热水供水系统之间进行能量交换，以满足用户侧的热负荷需求。
[0045]
本发明实施例提供的协调控制方法以系统各处的电力和热力状态信息为基础，结合系统运行特性建立相应控制模型，实现整个混合热-电站系统协调稳定运行，该方法包括：
[0046]
s1，分别将第一直流变换器和第二直流变换器等效为虚拟直流电机，并根据所述虚拟直流电机的机械方程与电枢方程，分别对其进行控制，使其具有直流电机的动态特性；
[0047]
具体地，实时检测系统中直流母线电压、电池与电热锅炉变换器的电感电流，基于直流电机基本原理，分别建立电储能变换器(即第一直流变换器)与电热锅炉变换器(即第二直流变换器)的虚拟直流电机控制。通过对第一直流变换器的控制，控制电储能设备(例如：电池)的输入/输出电能；通过对第二直流变换器的控制，控制向电热锅炉变换器输入的电能。
[0048]
在电网侧，电池与电热锅炉变换器采用虚拟直流电机控制，其目的在于增强直流母线电压的惯性和稳定能力。虚拟直流电机控制包括直流电压控制环节、虚拟直流电机控制环节、电流控制环节，其控制框图如图3所示。
[0049]
优选地，根据虚拟直流电机的机械转矩、额定角速度、虚拟转动惯量、阻尼系数、电磁功率和实际角速度构建虚拟直流电机机械方程，如下式所示：
[0050][0051]
其中，j为虚拟转动惯量；d为阻尼系数；ω和ω0分别为实际角速度和额定角速度；tm和te分别为机械转矩和电磁转矩；pe为直流电机的电磁功率，为电枢绕组感应电动势e与电枢电流ia的乘积。
[0052]
本发明提供的虚拟直流电机的机械方程，通过引入虚拟转动惯量和阻尼系数，能够有效提高直流母线的等效惯性和系统阻尼，能够很好地抑制功率波动时母线电压超调，阻止母线电压突变，减小因功率波动造成的冲击，大大提高了混合热-电站地稳定运行能力。再者，本发明能够通过调节不同虚拟转动惯量和阻尼系数较好地匹配各设备动态响应特性，具备良好的适应性和可拓展性。
[0053]
优选地，根据实际测量的直流母线电压、感应电动势、电枢回路总的等效电阻构建虚拟直流电机电枢方程，如下式所示：
[0054][0055]
式中，u
dc
为直流母线电压；ra为电枢回路总的等效电阻；c
t
和φ分别为转矩系数和每极磁通，均为一固定常数。
[0056]
值得注意的是，计算得到的指令电流ia为高压侧的值，假设变换器的效率为100％，低压侧输入能量与高压侧输出能量相等，那么低压侧指令电流i
ref
＝u
dcref
×
ia/u
esref
。即控制框图中的k＝u
dcref
/u
esref
。
[0057]
优选地，如图4所示，所述第一变换器和第二变换器均包括由开关管构成的桥臂结构、电容和滤波电感。
[0058]
优选地，s1包括：
[0059]
s11，直流电压控制环节：将实时检测的直流母线电压u
dc
与系统直流母线电压参考值u
dcref
做差后进行pi控制，输出得到变换器输出电流的参考值i
oref
，将i
oref
与直流母线电压参考值u
dcref
相乘得到变换器有功功率参考值pm。
[0060]
s12，虚拟直流电机环节：将pm除以额定角速度ω0，得到虚拟直流电机的机械转矩tm，通过构建虚拟直流电机的机械方程与电枢方程，得到电枢电流参考值ia；
[0061]
s13，电流控制环节：将ia乘以变换器变比k，得到变换器电感电流参考值i
ref
，将实时检测的变换器电感电流i
es
与i
ref
的差值作为pi控制器的输入，通过pi控制和脉冲宽度调制，得到变换器中开关管的开断控制信号。
[0062]
本发明充分考虑了混合热-电站各设备的动态运行特性，从热-电站站级角度出发，通过基于虚拟直流电机控制和热能流控制的双层协调控制策略，有效地支撑了混合热-电站的稳定运行。虚拟直流电机控制能够有效增加系统的惯性和阻尼，抑制负载突变和风力波动对系统的影响，增强储能维持混合热-电站功率平衡的能力，提高热-电站供电质量。热能流控制适应了热力特性，能够有效维持热能流的正常流动，保证热负荷的正常供给，维持热循环系统的稳定，提高系统的控制裕度。
[0063]
实时检测站内热循环各处的液位高度和温度、供水温度(至用户侧的供水温度)、用户侧室外温度，建立通过调节站内热循环中储热介质质量流量的热能流控制。整个对于热能流的控制主要通过pi控制调节工质的质量流量，实现热能传输与贮存的灵活调配。热负荷会随室外温度的改变而变化，因此需要对供热量进行调控以维持建筑物室内所要求的温度，供热调节主要以质调节为主，即在供热面积一定的条件下，供水质量流量不变，通过调节供水温度来满足热负荷。为了保证换热后供水温度满足要求，这里通过调节m3来实现。通过调节m1和m2来保证电热锅炉和储热罐的蓄热工质液位维持在合适的范围内。所述的热能流控制包括供水温度控制、热罐液位高度控制、热罐温度附加控制以及电热锅炉液位高度控制，其控制框图如图5所示。
[0064]
s2，供水温度控制：实时检测系统供水温度tw，通过pi控制调节流入换热器的储热工质质量流量m3，使得tw与其参考值t
wref
的偏差达到设定阈值，实现供水温度控制。
[0065]
具体地，所述供水温度控制是将实时检测的供水温度与系统供水温度的参考值做差后进行pi控制，输出得到流入换热器的储热工质质量流量m3的设定值。
[0066]
热罐液位高度控制：实时检测热罐内工质液位高度hh及工质温度th，将hh与其参考
值h
href
做差，并将th与其参考值t
href
做差后乘以附加修正系数β，将上述计算结果叠加作为输入进行pi控制，将输出值与m3进行叠加，得到m3的共模分量k1；
[0067]
具体地，所述热罐液位高度控制是将实时检测的热罐内液位高度与设定的热罐内液位高度参考值做差，将其结果与热罐温度附加控制的结果叠加作为pi控制的输入量进行pi控制，加上供水温度控制输出值得到储热工质质量流量的共模分量。
[0068]
考虑到可再生能源短期内不能满足热需求的情况，储热罐需要释放更多蓄热工质参与热交换以满足热负荷需求。为减缓储热罐工质温度下降速率，因此在调节储热罐的液位高度的pi控制回路中加入了储热罐工质温度附加修正环节，图5中β为修正系数，0《β《1，其取值根据实际需求设定，若需要热罐温度下降速率越小，则β设置越大。所述热罐温度附加控制是将实时检测的热罐内工质温度与设定的热罐内工质温度做差，将差值乘以附加修正系数β得到热罐温度附加控制的结果。
[0069]
实时检测电热锅炉液位高度hb，将hb与设定的液位高度参考值h
bref
做差后作为输入进行pi控制，输出m3的差模分量k2；
[0070]
具体地，所述电热锅炉液位高度控制是将实时检测的电热锅炉内液位高度与设定的液位高度参考值做差后进行pi控制，输出得到储热工质质量流量的差模分量；
[0071]
将k1与k2叠加，得到流入电热锅炉的储热工质质量流量m2，将k1与k2做差，得到流出电热锅炉的储热工质质量流量m1，实现对热罐液位高度控制、热罐温度附加控制以及电热锅炉液位高度控制。
[0072]
具体地，将储热工质质量流量的共模分量与差模分量叠加，得到流入电热锅炉的储热工质质量流量m2的设定值。将储热工质质量流量的共模分量与差模分量做差，得到流出电热锅炉的储热工质质量流量m1的设定值。
[0073]
优选地，在某一室外温度的运行工况下，如果要保持室内温度不变，进入供暖热用户的供水温度t
wref
应满足下式：
[0074][0075][0076]
其中，为相对供暖热负荷，tn为设计室内温度，to为室外实际温度，to′
为室外计算温度，tw′
为用户侧设计供水温度，th′
为用户侧设计回水温度，b为散热器传热指数，根据用户的换热器型式确定。
[0077]
下面以一个具体的例子对本发明提供的可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法进行进一步说明。
[0078]
如图1所示，混合热-电站系统由可再生能源及其接口装置、电储能装置、站内热循环系统(其中包含电热锅炉、工质储罐、换热装置以及工质泵等部件)及热-电站系统对电网、热网输出接口等构成。站内热循环采用熔盐作为储热介质，具有不燃烧、无毒、成本低、与普通管道材料、腐蚀率低等优点。在热网中采用热水作为热载体，具有热能利用率高，蓄热能力强，加热半径大的优点。
[0079]
整理各类模块或设备的参数如表1所示。
[0080]
表1混合热-电站部分参数
[0081][0082]
虚拟直流电机参数设计如下：
[0083]
参考实际直流电机参数，虚拟直流电机采用单波绕组，电枢绕组的总导体数na＝186，并联支路对数a＝1，极对数p＝2，则转矩常数为：
[0084][0085]
设定直流电机额定感应电动势为1300v，额定角速度ω0＝2π
×
50rad/s，则每极磁通为0.0699wb。
[0086]
可以理解的是，本发明实施例以单波绕组为例，在实际运用中，也可以采用单叠绕组等。
[0087]
控制参数中的虚拟转动惯量j和阻尼系数d应该根据所接入设备的动态响应时间来选择。考虑到电热转换装置的响应时间比电储能响应时间长，因此电热转换装置的虚拟转动惯量的值应该设置得比电储能的值大。
[0088]
图6为风速波动情况下混合热-电站内功率波形图，其中pb为电池充放电功率，p
hin
为电热锅炉功率，pw为风机发出的功率，pg为输送给电网的功率，p
out
为混合热-电站系统对热网的放热功率。从图中可以看到电热储能能够有效平抑短时间尺度上的功率波动，保证对电网输出电能平稳，保证整个系统功率平衡。
[0089]
整个调节过程中，直流母线电压u
dc
在稳态值附近小幅度波动，如图7所示。在所提出的协调控制策略下，风速波动时电压缓慢变化，电压趋于稳定的时间增长，母线电压的支撑能力大大提高。所提出的协调控制策略增大了系统的惯性和阻尼，能够很好地抑制负荷波动时母线电压超调，阻止母线电压突变，减小因功率波动造成的冲击。混合热-电站稳定运行能力大大提升。
[0090]
热网侧各物理量波形图分别如图8中的(a)、(b)、(c)、(d)所示，其中t
room
表示室内温度，t
water
表示供水温度，tb、th、tc分别表示电热锅炉、储热罐、冷罐内工质温度，hb、hh、hc分别表示电热锅炉、储热罐、冷罐内工质液位高度。从图中可以看出，热网侧供热稳定，室内温度维持在适合的温度，供水温度基本与参考水温一致，风速波动对热网侧的影响很小。电热
锅炉、冷罐以及储热罐的液位高度和温度基本维持在设定值附近，控制效果良好。整个系统能够在较长时间尺度上保持稳定运行，维持功率平衡，保证热负荷的正常供给。
[0091]
下面对本发明提供的一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制系统进行描述，本发明实施例提供一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制，包括：
[0092]
计算机可读存储介质和处理器；
[0093]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0094]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。
[0095]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制方法，所述系统包括：风电机组、电储能设备、第一直流变换器、电热锅炉、第二直流变换器、储热设备、换热器；其特征在于，所述方法包括：s1，分别将第一直流变换器和第二直流变换器等效为虚拟直流电机，并根据所述虚拟直流电机的机械方程与电枢方程，分别对其进行控制，使其具有直流电机的动态特性；s2，实时检测系统供水温度t
w
，通过pi控制调节流入换热器的储热工质质量流量m3，使得t
w
与其参考值t
wref
的偏差达到设定阈值，实现供水温度控制；实时检测热罐内工质液位高度h
h
及工质温度t
h
，将h
h
与其参考值h
href
的差值，与t
h
和其参考值t
href
做差后乘以附加修正系数β的结果叠加作为输入进行pi控制，将输出值与m3进行叠加，得到m3的共模分量k1；实时检测电热锅炉内工质液位高度h
b
，将h
b
与设定的液位高度参考值h
bref
做差后作为输入进行pi控制，输出m3的差模分量k2；将k1与k2叠加，得到流入电热锅炉的储热工质质量流量m2，将k1与k2做差，得到流出电热锅炉的储热工质质量流量m1，实现热罐液位高度控制、热罐温度附加控制及电热锅炉的液位高度控制。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，系统供水温度参考值t
wref
的计算公式为：的计算公式为：其中，为相对供暖热负荷，t
n
为设计室内温度，t
o
为室外实际温度，t
o
′
为室外计算温度，t
w
′
为用户侧设计供水温度，t
h
′
为用户侧设计回水温度，b为散热器传热指数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚拟直流电机的机械方程为：其中，j为虚拟转动惯量；d为阻尼系数；ω和ω0分别为实际角速度和额定角速度；t
m
和t
e
分别为机械转矩和电磁转矩；p
e
为直流电机的电磁功率。4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述虚拟直流电机的电枢方程为：式中，u
dc
为直流母线电压；r
a
为电枢回路总的等效电阻；c
t
和φ分别为转矩系数和每极磁通。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一变换器和第二变换器均包括由开关管构成的桥臂结构、电容和滤波电感。6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，s1包括：
s11，将实时检测的直流母线电压u
dc
与系统直流母线电压参考值u
dcref
做差后进行pi控制，输出得到变换器输出电流的参考值i
oref
，将i
oref
与直流母线电压参考值u
dcref
相乘得到变换器有功功率参考值p
m
；s12，将p
m
除以额定角速度ω0，得到虚拟直流电机的机械转矩t
m
，通过构建虚拟直流电机的机械方程与电枢方程，得到电枢电流参考值i
a
；s13，将i
a
乘以变换器变比k，得到变换器电感电流参考值i
ref
，将实时检测的变换器电感电流i
es
与i
ref
的差值作为pi控制器的输入，通过pi控制和脉冲宽度调制，得到变换器中开关管的开断控制信号。7.一种可再生能源混合热-电站系统的协调控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-6任一项所述的方法。
技术总结本发明公开了一种可再生能源混合热-电站的协调控制方法，根据系统实时检测的直流母线电压、电池与电热锅炉变换器的电感电流、站内热循环各处液位高度和温度、供水温度和用户侧室外温度，基于直流电机基本原理和系统运行基本特性对电池变换器及电热锅炉变换器进行控制以及基于调节站内热循环中储热介质质量流量的热能流控制的双层协调控制方法，通过调节热能流的工质流量，确保满足热负荷需求，提高了热力系统的可控性和灵活性。该方法能够有效保证系统稳定可靠运行，满足用户的多能源需求，提高系统的稳定性和可再生能源的消纳能力。力。力。
技术研发人员：陈霞 雷轩昂 林钰钧 杨丘帆 周建宇 文劲宇
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/7/5
