一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法与流程

1.本发明属于风光火耦合相关技术领域，更具体地，涉及一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法。


背景技术：

2.电能在工、农业生产和人们的生活中起着非常重要的作用，随着经济的快速发展，各行各业对电能的需求量逐渐增加，为了保证能源供应的稳定和减少传统火电对环境的破坏，可再生能源的开发和利用成了现在能源领域重要的研究方向。
3.在可再生能源中，风能和太阳能是我国资源最丰富并且发电技术较成熟的清洁能源，然而远离负荷中心的偏远地区弃风弃光问题十分严重，为了解决弃风弃光问题，必须将新能源经长距离运输至负荷中心。由于风能太阳能具有波动性大随机性强的特点，现在采用火电、风电和光伏耦合的方式来适应风能和太阳能波动所引起的调峰变化。然而，风电、火电和光伏耦合时为了保证电网的稳定性，火电机组需要作为调峰电源来完成调峰任务进行频繁的变负荷运行，这对火电机组的安全性产生了影响。因此，如何评估风电光电火电耦合系统中火电机组的安全性对我国大规模新能源消纳和外送模式的研究有着十分重要的意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法，该方法可以精确评估风光火耦合系统中火电机组的安全性，对火电机组的运动具有十分重要的指导意义。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法，所述方法包括：s1：基于风速构建风电机组功率模型并且基于环境参数构建光电机组功率模型；s2：将所述风电机组功率模型、光电机组功率模型以及火电机组模型进行耦合获得功率追踪系统模型，根据所述功率追踪系统追踪模型获得火电机组功率；s3：根据所述火电机组功率基于无内热源空心圆柱一维非稳态导热原理获得火电机组中汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系；s4：根据汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系和一维不稳定导热方程获得汽轮机转子的热应力，进而获得火电机组转子的疲劳损耗；s5：对风电机组发电机和光电机组的逆变装置的输出电压波形分别进行傅里叶变换获得风电机组和光电机组的谐波；s6：将所述风电机组的谐波和光电机组的谐波进行叠加作用于火电机组的轴系，即可获得谐波对火电机组轴系的冲击；s7：基于所述火电机组转子的疲劳损耗和谐波对火电机组轴系的冲击进行火电机组安全评估。
6.优选的，步骤s6还包括对火电机组的轴系进行等效处理，具体为：将火电机组的多个段轴系的每个轴段均等效为集中质量块，各质量块之间等效为无质量的弹簧连接。
7.优选的，所述火电机组的轴系方程为：
[0008][0009]
其中，δδi为第i段轴上转子的角位移，δωi为第i段轴上转子的角速度增量；δt
ei
为第i段轴的电磁转矩增量，hi为第i段轴上转子的惯性常数，d
ii
为第i段轴上转子自阻尼系数，k
i，i+1
，k
i，i-1
表示为各个相邻集中质量块之间的弹性系数。
[0010]
优选的，步骤s1中风电机组功率模型pw为：
[0011][0012]
其中，c为叶片的风能转换效率系数，ρ为空气密度，a为风电机扇叶旋转时气流所形成的圆形面积，v为风速。
[0013]
优选的，所述光电机组功率模型pv为：
[0014]
pv＝ηvsi[1-0.005(t0+25)]
[0015]
其中，ηv为光伏电池转化效率，s为光伏阵列面积，i为太阳辐照强度，t0为温度。
[0016]
优选的，所述功率追踪系统模型l(t)为：
[0017]
l(t)＝pw(t)+pv(t)+p
t
(t)
[0018][0019]
其中，pw(t)为t时段风电机组功率，pv(t)为t时段光电机组功率，p
t
(t)为t时刻待求的火电机组功率，l(t)为t时刻负荷随时间变化的预设输出功率，pi(t-1)为第t-1时段火电机组第i段轴的有功功率，pi(t)为第t时段火电机组第i段轴的有功功率，为火电机组第i段轴系单个时刻的最大下降功率；为火电机组第i段轴系单个时刻的最大上升功率。
[0020]
优选的，步骤s3中，汽轮机转子各轴段不同半径处温度t随时间τ的变化关系为：
[0021][0022]
其中，η＝f(p
t
，tq)，η为蒸汽温升率，p
t
为火电机组功率，tq为蒸汽的温度，t0为转子的初始值，r0为转子外径，a为热扩散率，r为转子任一点的半径，b为单元节点位移列阵系数，β为转子材料线膨胀系数，n为待求温度值的节点个数，j0为单元内进行变分计算的初始值，f0为集中力的等效节点力的初始值。
[0023]
优选的，步骤s4中汽轮机转子的热应力σ
th
的表达式为：
[0024][0025]
其中，e为转子材料的弹性模量，υ为转子材料的泊桑比，c为转子的材料比热，ρ0为转子材料密度，λ为转子导热系数，r为转子厚度，r＝r
b-r0，rb为转子内径，f为形状因子，ηg为第g次蒸汽温升率，η
g-1
为第g-1次蒸汽温升率，k为时间修正因子，τg为第g次蒸汽温升变化的时间，τ
g-1
为第g-1次蒸汽温升变化的时间。
[0026]
优选的，所述谐波对火电机组轴系的冲击造成的电磁转矩增量δte为：
[0027][0028]
其中，ω0为风电机组的谐波和光电机组的谐波叠加后谐波的扰动频率，e
g0
为火电机组端电压，u
a0
为风电机组和火电机组并网处的母线电压的初始值，δ0为火电机组的机端电压相角的初始值，xg为火电机组的电路阻抗，δδ为火电机组的机端电压相角的变化值，k
p
为系数，kq为系数，xw为风电光机组的总电路阻抗，e
w0
为风机机端和光伏机端电压，θ0为风电光机组并网的机端电压初始相角。
[0029]
优选的，步骤s4通过对汽轮机的转子的热应力进行有限元分析获得火电机组转子的疲劳损耗。
[0030]
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，本发明提供的风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法具有如下有益效果：
[0031]
1.本技术通过热应力分析可以得知风光火耦合系统中火电机组转子的疲劳损耗以及风电机组和火电机组的谐波对转子转轴的冲击影响进而可以实现火电机组全轴系的安全评估，评估更加全面；
[0032]
2.通过构建风电机组功率模型和光电机组功率模型求得火电机组的耦合功率，进而根据功率反推转子温度场和转子的热应力，方法简单，易于实现；
[0033]
3.在进行火电机组的轴系分析过程中采用弹簧等效的方式将轴系分开分别计算谐波对每段轴的影响，计算更加精准，可以获知每个轴端的谐波冲击，从而为后续安全评估提供准确高效的指导。
附图说明
[0034]
图1是风光电耦合系统中火电机组安全性的评估方法的步骤图；
[0035]
图2是风光电耦合系统中火电机组安全性的评估方法的流程图。
具体实施方式
[0036]
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。
[0037]
请参阅图1及图2，本发明提供了一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法，具体包括如下步骤s1～s7。
[0038]
s1：基于风速构建风电机组功率模型并且基于环境参数构建光电机组功率模型。
[0039]
在风能预测领域，风速与风功率有着很密切的关系，风电机组功率模型pw为：
[0040][0041]
其中，c为叶片的风能转换效率系数，ρ为空气密度，a为风电机扇叶旋转时气流所形成的圆形面积，v为风速。
[0042]
光伏电站的输出功率受多种因素的影响，如太阳辐照强度、风速、相对湿度、温度、天气等，所述光电机组功率模型pv为：
[0043]
pv＝ηvsi[1-0.005(t0+25)]
[0044]
其中，ηv为光伏电池转化效率，s为光伏阵列面积，i为太阳辐照强度，t0为温度。
[0045]
s2：将所述风电机组功率模型、光电机组功率模型以及火电机组模型进行耦合获得功率追踪系统模型，根据所述功率追踪系统追踪模型获得火电机组功率。
[0046]
风光电耦合系统对外输出的过程应满足能量平衡原则以及火电机组爬坡速率约束，则功率追踪系统模型l(t)为：
[0047]
l(t)＝pw(t)+pv(t)+p
t
(t)
[0048][0049]
其中，pw(t)为t时段风电机组功率，pv(t)为t时段光电机组功率，p
t
(t)为t时刻待求的火电机组功率，l(t)为t时刻负荷随时间变化的预设输出功率，pi(t-1)为第t-1时段火电机组第i段轴的有功功率，pi(t)为第t时段火电机组第i段轴的有功功率，为火电机组第i段轴系单个时刻的最大下降功率；为火电机组第i段轴系单个时刻的最大上升功率。
[0050]
s3：根据所述火电机组功率基于无内热源空心圆柱一维非稳态导热原理获得火电机组中汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系。
[0051]
将汽轮机视为有中心孔的无限圆柱体且初温均匀则该问题就简化为无内热源空心圆柱一维非稳态导热问题，当转子初始温度处于均匀状态并与初始汽温相一致，如汽温随时间呈线性变化，汽轮机转子各轴段不同半径处温度t随时间τ的变化关系为：
[0052][0053]
其中，η＝f(p
t
，tq)，η为蒸汽温升率，p
t
为火电机组功率，tq为蒸汽的温度，t0为转子的初始值，r0为转子外径，a为热扩散率，r为转子任一点的半径，b为单元节点位移列阵系数，β为转子材料线膨胀系数，n为待求温度值的节点个数，j0为单元内进行变分计算的初始值，f0为集中力的等效节点力的初始值。
[0054]
s4：根据汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系和一维不稳定导热方程获得汽轮机转子的热应力，进而获得火电机组转子的疲劳损耗。
[0055]
汽轮机转子的热应力σ
th
的表达式为：
[0056]
[0057]
其中，e为转子材料的弹性模量，υ为转子材料的泊桑比，c为转子的材料比热，ρ0为转子材料密度，λ为转子导热系数，r为转子厚度，r＝r
b-r0，rb为转子内径，f为形状因子，ηg为第g次蒸汽温升率，η
g-1
为第g-1次蒸汽温升率，k为时间修正因子，τg为第g次蒸汽温升变化的时间，τ
g-1
为第g-1次蒸汽温升变化的时间。
[0058]
可以通过对汽轮机的转子的热应力进行有限元分析获得火电机组转子的疲劳损耗。
[0059]
s5：对风电机组发电机和光电机组的逆变装置的输出电压波形分别进行傅里叶变换获得风电机组和光电机组的谐波。
[0060]
对于风电并网系统来说，由于其采用了大功率变流状态，变流装置中电力电子器件是风电装置中最重要的谐波源。此处以便速恒频风力发电机为例。现代风力发电机都采用双馈异步发电机，目前主要从定子绕组和转子绕组分析风力发电机。其中，转子侧交流励磁系统产生的高次谐波是风电系统并网运行时的主要谐波来源，对其输出电压u波形进行傅里叶分析可得：
[0061][0062]
其中，uk为各谐波电压最大值，可以看出其谐波次数为6n
±
1(n＝1，2，3
…
)，当k＝6n+1时表示各正序谐波电压分量，当k＝6n-1时表示各次负序谐波电压分量，加入直流侧电压发生脉冲式的变化，这种变化会通过逆变装置给整个系统带来费基频整数倍谐波。
[0063]
光伏发电系统中的逆变装置产生的谐波是电网中主要的谐波来源，现在的逆变器控制使用异步调制方式，同步调制可以看为异步调制的特殊情况，因此可以从异步调制的方式来分析谐波产生的问题。根据谐波特性分析可以先求出一个半桥的傅里叶基础展开式，再使用谐波叠加原理求出电压傅里叶级数谐波展开式，则在异步调制模式下，傅里叶级数展开具体谐波的特性如下：
[0064]
(1)n＝1，3，5
……
时，k＝3(2m-1)，n＝1，2，3时
[0065][0066]
(2)n＝2，4，6
……
时，k＝6m+1，m＝0，1，2，3...；k＝6m-1，m＝0，1，2，3...时
[0067][0068]
其中，u
ab
为线电压基波分量，u
d/2
为直流电容半电压几波分量，jk为贝塞尔数，ω0为信号波角频率，ωs为载波角频率，φ为初相角。
[0069]
s6：将所述风电机组的谐波和光电机组的谐波进行叠加作用于火电机组的轴系，即可获得谐波对火电机组轴系的冲击。
[0070]
该步骤还包括对火电机组的轴系进行等效处理，具体为：
[0071]
将火电机组的多个段轴系的每个轴段均等效为集中质量块，各质量块之间等效为
无质量的弹簧连接。
[0072]
等效之后的所述火电机组的轴系方程为：
[0073][0074]
其中，δδi为第i段轴上转子的角位移，δωi为第i段轴上转子的角速度增量；δt
ei
为第i段轴的电磁转矩增量，hi为第i段轴上转子的惯性常数，d
ii
为第i段轴上转子自阻尼系数，k
i，i+1
，k
i，i-1
表示为为各个相邻集中质量块之间的弹性系数，i最大值为轴段数。
[0075]
所述谐波对火电机组轴系的冲击造成的电磁转矩增量δte为：
[0076][0077]
其中，ω0为风电机组的谐波和光电机组的谐波叠加后谐波的扰动频率，e
g0
为火电机组端电压，u
a0
为风电机组和火电机组并网处的母线电压的初始值，δ0为火电机组的机端电压相角的初始值，xg为火电机组的电路阻抗，δδ为火电机组的机端电压相角的变化值，k
p
为系数，kq为系数，xw为风电光机组的总电路阻抗，e
w0
为风机机端和光伏机端电压，θ0为风电光机组并网的机端电压初始相角。
[0078]
s7：基于所述火电机组转子的疲劳损耗和谐波对火电机组轴系的冲击进行火电机组安全评估。
[0079]
以此可以管理人员可以通过分析热应力危险部位和谐波冲击危险截面综合评价火电机组安全性。热应力疲劳分析主要针对高中压缸内部位转子，谐波冲击分析主要针对缸外联轴器部位。
[0080]
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：
1.一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法，其特征在于，所述方法包括：s1：基于风速构建风电机组功率模型并且基于环境参数构建光电机组功率模型；s2：将所述风电机组功率模型、光电机组功率模型以及火电机组模型进行耦合获得功率追踪系统模型，根据所述功率追踪系统追踪模型获得火电机组功率；s3：根据所述火电机组功率基于无内热源空心圆柱一维非稳态导热原理获得火电机组中汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系；s4：根据汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系和一维不稳定导热方程获得汽轮机转子的热应力，进而获得火电机组转子的疲劳损耗；s5：对风电机组发电机和光电机组的逆变装置的输出电压波形分别进行傅里叶变换获得风电机组和光电机组的谐波；s6：将所述风电机组的谐波和光电机组的谐波进行叠加作用于火电机组的轴系，即可获得谐波对火电机组轴系的冲击；s7：基于所述火电机组转子的疲劳损耗和谐波对火电机组轴系的冲击进行火电机组安全评估。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s6还包括对火电机组的轴系进行等效处理，具体为：将火电机组的多个段轴系的每个轴段均等效为集中质量块，各质量块之间等效为无质量的弹簧连接。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述火电机组的轴系方程为：其中，δδ
i
为第i段轴上转子的角位移，δω
i
为第i段轴上转子的角速度增量；δt
ei
为第i段轴的电磁转矩增量，h
i
为第i段轴上转子的惯性常数，d
ii
为第i段轴上转子自阻尼系数，k
i，i+1
，k
i，i-1
表示为各个相邻集中质量块之间的弹性系数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中风电机组功率模型p
w
为：其中，c为叶片的风能转换效率系数，ρ为空气密度，a为风电机扇叶旋转时气流所形成的圆形面积，v为风速。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光电机组功率模型pv为：pv＝ηvsi[1-0.005(t0+25)]其中，ηv为光伏电池转化效率，s为光伏阵列面积，i为太阳辐照强度，t0为温度。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率追踪系统模型l(t)为：l(t)＝p
w
(t)+pv(t)+p
t
(t)
其中，p
w
(t)为t时段风电机组功率，pv(t)为t时段光电机组功率，p
t
(t)为t时刻待求的火电机组功率，l(t)为t时刻负荷随时间变化的预设输出功率，p
i
(t-1)为第t-1时段火电机组第i段轴的有功功率，p
i
(t)为第t时段火电机组第i段轴的有功功率，为火电机组第i段轴系单个时刻的最大下降功率；为火电机组第i段轴系单个时刻的最大上升功率。7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤s3中，汽轮机转子各轴段不同半径处温度t随时间τ的变化关系为：其中，η＝f(p
t
，t
q
)，η为蒸汽温升率，p
t
为火电机组功率，t
q
为蒸汽的温度，t0为转子的初始值，r0为转子外径，a为热扩散率，r为转子任一点的半径，b为单元节点位移列阵系数，β为转子材料线膨胀系数，n为待求温度值的节点个数，j0为单元内进行变分计算的初始值，f0为集中力的等效节点力的初始值。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤s4中汽轮机转子的热应力σ
th
的表达式为：其中，e为转子材料的弹性模量，υ为转子材料的泊桑比，c为转子的材料比热，ρ0为转子材料密度，λ为转子导热系数，r为转子厚度，r＝r
b-r0，r
b
为转子内径，f为形状因子，η
g
为第g次蒸汽温升率，η
g-1
为第g-1次蒸汽温升率，k为时间修正因子，τ
g
为第g次蒸汽温升变化的时间，τ
g-1
为第g-1次蒸汽温升变化的时间。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述谐波对火电机组轴系的冲击造成的电磁转矩增量δt
e
为：其中，ω0为风电机组的谐波和光电机组的谐波叠加后谐波的扰动频率，e
g0
为火电机组端电压，u
a0
为风电机组和火电机组并网处的母线电压的初始值，δ0为火电机组的机端电压相角的初始值，x
g
为火电机组的电路阻抗，δδ为火电机组机端电压相角变化值，k
p
为系数，k
q
为系数，x
w
为风电光机组的总电路阻抗，e
w0
为风机机端和光伏机端电压，θ0为风电光机组并网的机端电压初始相角。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4通过对汽轮机的转子的热应力进行有限元分析获得火电机组转子的疲劳损耗。

技术总结
本发明属于风光火耦合相关技术领域，其公开了一种风光火耦合系统中火电机组安全性的评估方法，方法包括：构建风电机组功率模型和光电机组功率模型；将风电机组功率模型、光电机组功率模型以及火电机组模型进行耦合获得功率追踪系统模型，根据功率追踪系统追踪模型获得火电机组功率；根据火电机组功率获得火电机组中汽轮机转子各轴段不同半径处温度随时间的变化关系，进而获得火电机组转子的疲劳损耗；获得风电机组和光电机组的谐波，并进行叠加作用于火电机组的轴系，即可获得谐波对火电机组轴系的冲击；基于疲劳损耗和谐波进行火电机组安全评估。该方法可以精确评估风光火耦合系统中火电机组的安全性，对火电机组的应用具有十分重要的指导意义。有十分重要的指导意义。有十分重要的指导意义。


技术研发人员：鲁录义 陈识危 周桂平 吕旭明 王顺江 王磊 赵苑竹
受保护的技术使用者：国网辽宁省电力有限公司
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2022/3/7