先进绝热压缩空气储能发电系统参与调频辅助服务控制优化方法

冯庭勇，钟晶亮，文贤馗，杨大慧，邓彤天

（1.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002；3.贵州电网有限责任公司研究生工作站，贵州 贵阳 550002）

先进绝热压缩空气储能（advanced adiabatic compressed air energy storage，AA-CAES）系统作为最有潜力的储能技术之一，具有效率高、容量大、存储时间长、成本相对低廉等优点[1-4]。国内外学者已针对AA-CAES 系统优化和机组参与电力系统优化等方面开展了相关研究：文献[5]提出一种S-CAES电站调相运行模式和热量优化方法；文献[6]提出了将多个喷射器和单个喷射器应用到绝热压缩空气储能系统的储能过程；文献[7]针对先进蓄热式压缩空气储能系统服务于执行峰谷分时电价的电力系统运行情景进行了热经济学分析；文献[8]研究了微型压缩空气储能系统的工作特性；文献[9]通过优化多个运行参数，提高了压缩空气储能系统的储能效率；文献[10]针对先进蓄热式压缩空气储能系统服务于执行峰谷分时电价的电力系统运行情景进行了热经济分析；文献[11]提出一种含压缩空气的复合储能系统在交直流混合微网中的主动控制策略；文献[12]提出了一种考虑压缩空气储能和基于滑动时间窗的电热综合响应需求的综合能源系统滚动优化规划框架和模型；文献[13]提出了含CAES 电站的源荷储协同调度策略；文献[14]提出了含AACAES 电站、常规机组和风电机组的电力系统实时优化调度策略。

然而，目前国内相关研究均未对AA-CAES 机组参与调频辅助服务性能指标进行计算与分析，同时缺乏相应的控制策略。本文基于模块化建模思想及APROS 仿真支撑系统，建立了AA-CAES 系统模型，设计了使用多套不同参数PID 控制器的控制策略，并基于现行《广东调频辅助服务市场交易规则》[15]相关要求对所提控制方法进行测试。

1 先进绝热压缩空气储能系统

1.1 系统介绍

AA-CAES 系统具有容量大、工作时间长、经济性能好、充放电循环次数多等特点，其不仅节约了其他能源投入且系统发电过程零污染。AA-CAES系统释能阶段基本结构如图1 所示。当电网电量紧缺时，储气罐中的高压空气经过主气阀、气动调节阀进入膨胀机进行膨胀释能，带动发电机发电。系统采用级间换热，释能阶段储热罐中的加压水经过膨胀机的级间换热器，加热膨胀机入口空气。

图1 AA-CAES 系统释能阶段基本结构Fig.1 Basic structure of the AA-CAES system during energy release stage

1.2 数学模型

1.2.1 储气罐

储气罐用于储存高压空气。采用质量平衡方程和能量平衡方程（定容条件）建立储气罐的动力学模型[16]：

式中：Mst为储气罐内气体质量，kg；mst,in为进入储气罐的气体流量，kg/s；mst,out为流出储气罐的气体流量，kg/s；Ust为气体单位质量内能，kJ；hst,in为进入储气罐的气体焓值，kJ/kg；hst,out为流出储气罐的气体焓值，kg/kg；Ken,st为储气罐和环境的传热系数，W/(m2·K)；Ast为储气罐和环境换热的表面积，m2；Tst、Ten分别为储气罐温度和环境温度，K。

1.2.2 膨胀机

空气进入膨胀机膨胀释能，膨胀机输出功率计算式为[16]：

式中：We为膨胀机输出功率，MW；me为空气质量流量，kg/s；he,in为膨胀机入口气体焓值，kJ/kg；he,out为膨胀机出口气体焓值，kJ/kg。

等熵效率为[17]：

式中：hs,e,out为膨胀机以等熵过程膨胀到相同出口压力时的出口比焓，kJ/kg。

1.2.3 换热器

空气与管壁换热量为：

初始阶段。对数据集进行预处理操作，由Job－Client把数据集切片为 的形式并发送到JobTracker，Job1启动时从InputSplit中加载切片信息作为Map函数的输入。

换热介质与管壁换热量为：

式中：δ为管壁厚度，m；Tc、Tw、Th分别为换热介质平均温度、管壁平均温度、管壁内空气温度，K；Kw为管壁导热系数，W/(m2·K)；αc、αh分别为内、外管壁换热系数，W/(m2·K)；Ac、Ah分别为内、外管壁面积，m2。

1.2.4 阀门

摩擦阻力和流动阻力共同构成了阀门压降，计算公式为[16]：

式中：ζ为阀门流动阻力系数；D为阀门直径，m；ρ为流体密度，kg/m3；m为阀门空气质量流量，kg/s；Δp为阀门压力损失，MPa。

1.3 数学模型

10 MW 级AA-CAES 系统（设计释能功率为10 MW）基本设计参数见表1。

表1 10 MW 级AA-CAES 系统基本设计参数Tab.1 Basic design parameters of 10 MW-level AA-CAES system

经仿真，系统释能阶段各级膨胀机额定工况运行参数见表2，膨胀机输出功率总和为10.41 MW，发电机端输出功率为9.99 MW，与设计值偏差为0.1%，在工程允许范围内，模型准确。

表2 各级膨胀机额定工况运行参数Tab.2 Operating parameters of various expanders under rated operating conditions

2 南方区域发电单元调频辅助服务指标分析

根据《广东调频辅助服务市场交易规则》[15]，发电单元每次响应AGC 调节指令时，主要从调节速率、响应时间、调节精度3 个方面对响应AGC 指令后的动作情况进行评价衡量。综合调频性能指标K指发电单元响应AGC 调节指令的综合性能表现，计算公式为：

以1 个交易周期为例，调频里程补偿收益等于调频里程、综合调节性能、市场出清价格的乘积。在相同的AGC 调节范围下，调频里程补偿收益正比于综合调节性能指标。由发电机组参与调频辅助服务的考核与补偿规则可知，调节速率K1权重最大，占50%。因此，着力提高调节速率是提升AACAES 辅助服务竞争力的重要手段。但是，为避免机组发电单元响应AGC 控制指令时过调节或超调节，《广东调频辅助服务市场交易规则》规定调节速率K1最大不超过5，否则调节速率合格率减少50%，会产生考核电量，给电站造成经济损失。因此，在不产生考核电量情况下，综合调节性能指标K越大，调频里程补偿收益也越大。

3 AA-CAES 参与调频辅助服务过程

3.1 参与调频辅助服务传统方法

目前，AA-CAES 机组响应AGC 控制指令的方法一般是采用1 套PID 控制器进行阀门开度控制,从而调节机组出力。PID 控制器比例作用能使机组快速响应，比例系数kp增大时，调节速率K1得到提升，但是系统稳定性下降，且比例环节无法消除系统原有的静态误差；积分作用可以消除静态误差，当减小积分系数ki，系统误差消除效果得到提升，但是调节速率K1降低。通过比例作用与积分作用相互配合，发挥各自优势，以满足《广东调频辅助服务市场交易规则》对调频性能指标的要求。

本文研究对象为10 MW AA-CAES 系统，机组常运行负荷段为额定负荷的80%～110%，AGC 指令波动范围一般为机组实测负荷上、下调节0.5 MW。常运行负荷段PID 控制器参与AGC 调频运算控制过程逻辑如图2 所示。通过测试模块得到机组实时功率，机组协调控制系统接收AGC 控制指令，实测功率与AGC 控制指令的差值进入AGC-PID 控制器进行运算，该输出作用于气动调节阀。

图2 常运行负荷段PID 控制器参与AGC 调频运算控制过程逻辑Fig.2 The control logic of PID controller participating AGC frequency modulation during normal load operation

通过测试发现，AA-CAES 机组在常运行负荷段参与AGC 调频，选择kp=56×10-6、ki=6 作为PID控制器参数，可使机组在不产生考核电量情况下综合调节性能指标K达到最大。

3.2 宽负荷段参与调频辅助服务

为了提高AA-CAES 的适用范围，机组应该具备在宽负荷段参与调频的能力。但是，通过测试，1 套PID 参数在不同负荷段控制效果不同，甚至不能满足要求。在机组功率分别为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0 MW 时，利用AGC 控制指令将机组输出功率向上调节0.5 MW 进行测试，结果见表3。

表3 宽负荷段调频性能指标（1 套PID 控制器）Tab.3 Frequency modulation performance indexes for wide load range (a set of PID controller)

从表3 可以看出：使用1 套PID 控制器的机组在表3 所示的5 组不同负荷段响应AGC 控制指令，只有机组负荷从9.0 MW 调至9.5 MW 时，调频速率K1不大于5，满足《广东调频辅助服务市场交易规则》要求；而其余4 组测试区间辅助调频，调频速率K1均大于5，会因超出规定而产生考核电量。

4 多套PID 控制器的设计和运用

4.1 控制回路结构

为解决上述问题，本文提出多级分段设置PID控制器参数的控制策略。为避免采用功率指令信号或差值信号带来的排列组合多、分段多、不易实现问题，该策略使用机组功率实测信号进行判断。将机组运行负荷段分为3 段，每段运用不同参数的PID 控制器。该策略下PID 控制器流程如图3 所示。

图3 PID 控制器选择流程Fig.3 Selection process of PID controller

发电机组接收到新AGC 控制指令时，立即将其锁定，并进行判断：如实测功率大于8 MW，则使用AGC-PID1作为输出；如实测功率大于6 MW且小于8 MW，则选用AGC-PID2作为输出；如实测功率小于6 MW，则选用AGC-PID3作为输出。此选择在调频过程中不发生改变，直至下一个AGC指令到来。机组每接收到新AGC 指令，即进行PID控制器选择的判断。

考虑机组在运行过程中因PID 控制器切换而产生功率波动问题，设计了PID 控制器追踪判断模块。将气动调节阀开度信号作为PID 控制器追踪信号，机组实测负荷锁定值作为判断条件，负荷锁定值对应的PID 控制器不进行阀门信号追踪，其余2 套PID 控制器追踪阀门开度信号。三级分段设置PID运算控制过程逻辑如图4 所示。将AGC 控制指令与机组实时功率进行偏差计算，并输入多个不同参数PID 控制器进行运算，但最终执行器只接收与机组实测功率相对应PID 控制器的运算结果，并作用于气动调节阀，实现对AA-CAES 机组的出力控制。

图4 3 套PID 控制器运算控制过程逻辑Fig.4 Logic diagram of operational control process of three PID controllers

4.2 测试分析

通过大量仿真测试，选择AGC-PID1、AGCPID2、AGC-PID3控制器kp为56×10-6、49×10-6、46×10-6，ki均为6。对上述不满足《广东调频辅助服务市场交易规则》要求的测试区间进行测试，调频性能指标见表4。从表4 可以看出，所有测试区间调节速率K1最大均不超过5，符合《广东调频辅助服务市场交易规则》要求。

表4 宽负荷段调频性能指标（3 套PID 控制器）Tab.4 Frequency regulation performance index of wide load section (three PID controllers)

使用不同套数PID 控制对调频性能关键指标的影响如图5 所示。从图5 可以看出，与使用1 套PID控制器相比，使用3 套PID 控制器参与AGC 调频，综合调频性能指标略有降低，但调节速率K1均不大于5，避免了考核电量的产生。

图5 不同套数PID 控制器对调频性能指标的影响Fig.5 The influence of different sets of PID controller on frequency modulation performance index

5 结论

1）使用1 套PID 控制器无法实现机组在宽负荷段参与AGC 调频。机组在非常运行负荷段参与调频，会因调节速率K1不满足要求而产生考核电量，造成经济损失；采用多级分段设置PID 控制器参数的控制策略，可使机组在宽负荷段参与调频性能指标满足要求，不产生考核电量。

2）选用功率实测信号作为判断信号，可以避免采用AGC 指令信号带来的排列组合多、分段多、不易实现的问题。通过设置非实测功率对应PID 控制器追踪阀门信号，可降低不同PID 控制器切换带来的功率扰动。

3）采用多级分段设置PID 控制器参数的控制策略解决了使用单套PID 控制器在宽负荷段调频过程产生的考核电量问题，多套PID 控制器参与AGC调频在AA-CAES 系统电站中具有一定的推广价值。