袁岑頡,戴敏敏,周 旭,黃啟東,蔣宇軒,馬 寧,周建偉
(1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司,浙江 嘉興 314201;2.浙江浙能電力股份有限公司,杭州 310014)
輔助服務(wù)是電力現(xiàn)貨市場的重要組成部分,主要用于電能從發(fā)電側(cè)傳輸?shù)截摵蓚?cè)的過程中,為輸電系統(tǒng)的可靠性提供支持,維護電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。其中,調(diào)頻輔助服務(wù)是輔助服務(wù)中最重核心的內(nèi)容。近些年,隨著浙江省電力現(xiàn)貨市場建設(shè)工作的快速推進,調(diào)頻輔助服務(wù)市場在保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、優(yōu)化調(diào)頻資源配置、促進電源側(cè)調(diào)頻能力提升以及培育主體市場意識等方面的作用愈發(fā)凸顯[1-4]。截至2021年底,浙江省已經(jīng)開展了4次電力現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行工作,作為市場主體的發(fā)電企業(yè)對調(diào)頻輔助服務(wù)的關(guān)注度和參與的積極性也不斷提高,如何在電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)中取得理想的效益,已經(jīng)成為擺在發(fā)電企業(yè)面前的共同課題[5]。
目前電力市場試運行結(jié)算采用發(fā)電側(cè)零和模式,市場化輔助服務(wù)費用由市場化輔助服務(wù)收入減去市場化輔助服務(wù)分攤費用得到,其中市場化輔助服務(wù)暫僅包括調(diào)頻輔助服務(wù),而調(diào)頻服務(wù)主要針對機組AGC(自動發(fā)電控制)。按照《浙江電力現(xiàn)貨市場結(jié)算試運行工作方案》中的規(guī)定,發(fā)電企業(yè)在市場平臺中提報的信息包括容量報價、調(diào)頻容量和里程報價,系統(tǒng)根據(jù)每臺機組的歷史調(diào)頻性能指標(歸一化后)對報價進行調(diào)整,得到調(diào)整容量報價和調(diào)整里程報價,調(diào)整容量報價為容量報價/調(diào)頻性能指標,調(diào)整里程報價為里程報價/調(diào)頻性能指標。發(fā)電企業(yè)填報的容量報價和里程報價會影響機組調(diào)頻中標結(jié)果,但是以上2個報價均經(jīng)過調(diào)頻性能指標的修正,因此調(diào)頻性能指標對機組調(diào)頻中標結(jié)果起著決定性作用[6-8]。
目前浙江省調(diào)頻性能指標的計算由浙江省電力調(diào)度中心負責,機組調(diào)頻性能指標K包括調(diào)節(jié)速率K1、響應(yīng)時間K2、調(diào)節(jié)精度K3這3 個因子,其加權(quán)計算方法如下:
式中:Rrate為發(fā)電單元實測速率;Ravg為系統(tǒng)內(nèi)AGC發(fā)電單元平均標準調(diào)節(jié)速率;Tdely為發(fā)電單元響應(yīng)延遲時間;Paccu為發(fā)電單元調(diào)節(jié)誤差;Ppermit為發(fā)電單元調(diào)節(jié)允許誤差(額定出力的1.5%);μ1、μ2、μ3分別為K1、K2、K3的權(quán)重系數(shù),目前μ1系數(shù)為2,μ2和μ3系數(shù)均為1。
目前浙江省電力調(diào)控中心暫未公布Rrate、Tdely、Paccu以及發(fā)電單元調(diào)節(jié)里程Preg等指標的具體計算方法,通過參考《華東區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《華東區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》(以下簡稱“兩個細則”)中AGC 部分相關(guān)指標的計算方法和電力市場實際運行情況,上述指標可作如下解讀:對于發(fā)電機組響應(yīng)連續(xù)兩個調(diào)節(jié)指令的出力曲線,如圖1 所示,在T1時刻發(fā)電單元出力為P1,此時下發(fā)控制指令,目標出力為P4,經(jīng)過一定響應(yīng)時間后,在T2時刻發(fā)電單元出力達到P2,大于發(fā)電單元動作死區(qū),認為發(fā)電單元開始有效響應(yīng)控制指令。在T3時刻發(fā)電單元實際出力達到P3,第一次達到目標出力死區(qū)帶,此時認為發(fā)電單元響應(yīng)完成控制指令,進入精度計算時間,直調(diào)T4時刻下發(fā)新的控制指令值,下發(fā)新指令時其實際出力為P5。
圖1 發(fā)電單元調(diào)節(jié)過程示意圖
Rrate是指發(fā)電單元在指令調(diào)節(jié)過程中有效動作出力與有效調(diào)節(jié)時間之商:
Tdely是指發(fā)電單元開始響應(yīng)指令時刻與指令下發(fā)時刻之差:
Paccu是指發(fā)電單元最后穩(wěn)定負荷和目標值之間的差值:
Preg計算時,如果未有效捕捉到發(fā)電單元開始響應(yīng)指令時刻,則計Preg為0;如果有效捕捉到發(fā)電單元開始響應(yīng)指令時刻,則計算Preg如下:
1)如果有效捕捉到發(fā)電單元進入目標出力死區(qū)時刻,則調(diào)節(jié)里程Preg等于發(fā)電單元進入目標出力Pstart與指令開始時刻出力Pdes之差:
2)如果未有效捕捉到發(fā)電單元進入目標出力死區(qū)時刻,則調(diào)節(jié)里程Preg等于發(fā)電單元調(diào)節(jié)過程中實際出力Pgen與指令開始時刻實際出力Pstart偏差最大值:
以浙江省為例,目前燃氣機組仍然處于缺氣的被動局面,雖然其調(diào)頻性能優(yōu)于燃煤機組,但因運行小時數(shù)受制,對整體市場影響不大。隨著浙江省電力現(xiàn)貨市場建設(shè)工作的持續(xù)推進,作為市場主體的煤電公司已普遍認識到爭取更高的調(diào)頻收入才是正確方向。而機組的調(diào)頻性能指標直接影響輔助服務(wù)的收入,在此背景下,省內(nèi)火電機組均已開展各項機組調(diào)頻性能指標提升工作。
截至2021 年浙江電力現(xiàn)貨市場第4 次結(jié)算試運行結(jié)束,除去不參與調(diào)頻的某發(fā)電廠,浙江省63 臺統(tǒng)調(diào)燃煤機組調(diào)頻性能指標如表1 所示,總體來看省內(nèi)火電機組的調(diào)頻性能仍然不夠理想。電力市場運行期間AGC 指令下發(fā)頻次明顯增加,以浙江省內(nèi)某大型火力發(fā)電廠為例,如圖2 所示,2021年3—5月浙江電力現(xiàn)貨市場第四次結(jié)算運行期間,該廠某百萬機組收到AGC指令下發(fā)頻次較6—7 月增加近3 倍,該廠8 臺燃煤機組3—5 月AGC 調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度較其他月份明顯偏低。在幾次電力市場試運行結(jié)算中,該廠AGC性能不佳導(dǎo)致機組調(diào)頻性能指標偏低,調(diào)頻輔助服務(wù)收入不足,由于輔助服務(wù)分攤費用既定,該廠合計輔助服務(wù)費用一直處于虧損狀態(tài)。
圖2 某百萬機組3—7月AGC數(shù)據(jù)
表1 統(tǒng)調(diào)燃煤機組性能指標
結(jié)合電力市場下省內(nèi)各臺煤機調(diào)頻性能表現(xiàn)綜合情況,目前導(dǎo)致火電機組調(diào)性能指標偏低的原因主要有以下幾個方面:
1)電力市場模式下協(xié)調(diào)控制策略未作出適應(yīng)性調(diào)整。
電力市場模式下,AGC 指令下發(fā)頻率明顯增加,且多為小幅高頻指令。部分機組AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)無法滿足調(diào)節(jié)要求,在AGC指令頻繁擾動的情況下,汽輪機主控指令對負荷變動的響應(yīng)能力不足。
某火電機組的協(xié)調(diào)控制策略中汽輪機主控兼顧負荷和主汽壓調(diào)節(jié),且無負荷變動汽輪機主控指令前饋調(diào)節(jié),在低負荷和高負荷段為了保證主汽壓平穩(wěn),主汽壓控制占比較大。如圖3 所示,AGC 指令頻差下發(fā)過程中,ULD(限速后負荷指令)按照10 MW/min 速率開始響應(yīng),汽輪機主控指令響應(yīng)能力不足且明顯滯后,導(dǎo)致實際負荷和AGC 指令幾乎“完美錯開”,該時段的AGC 速率均為負值,且負向數(shù)值較大。
圖3 電力市場模式下某機組汽輪機主控的響應(yīng)曲線
2)電力市場模式下未統(tǒng)籌考慮“兩個細則”中一次調(diào)頻部分。
機組一次調(diào)頻頻繁動作會給AGC響應(yīng)效果帶來較大影響,電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)市場運行前,部分發(fā)電企業(yè)根據(jù)自身經(jīng)營情況比較側(cè)重于避免“兩個細則”中一次調(diào)頻的考核,機組一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置較低[9]。電力市場模式下,越過死區(qū)的頻率擾動明顯增加,這部分發(fā)電企業(yè)雖然在“兩個細則”一次調(diào)頻考核上有所優(yōu)勢,但是由于機組調(diào)頻死區(qū)設(shè)置較低,一次調(diào)頻的頻繁動作影響AGC的正??刂疲瑥亩绊懥藱C組的調(diào)頻性能指標。
3)機組滑壓曲線設(shè)定偏低。
部分采用BF(鍋爐跟隨模式)為基礎(chǔ)協(xié)調(diào)控制的超超臨界機組,協(xié)調(diào)控制方式下汽輪機主控負荷,負荷控制較為精準,但是前提是汽輪機調(diào)門留有裕度。目前部分機組滑壓曲線定值設(shè)定較低,導(dǎo)致機組在中高負荷段調(diào)門一直處在全開狀態(tài),雖然提高了機組的經(jīng)濟性,但是影響了AGC的調(diào)節(jié)效果,進而影響了機組的調(diào)頻性能指標。
4)運行操作規(guī)范性不足。
火電機組AGC 控制一般均設(shè)置有HOLD 按鈕,主要用于擴容段和深度調(diào)峰段機組性能無法滿足AGC指令、AGC爬坡啟磨階段,通過HOLD按鈕暫時保持機組指令。電力市場模式下,機組控制參數(shù)的波動或超調(diào)現(xiàn)象顯著增加,為了減少參數(shù)擾動給機組帶來的影響,運行操作人員會頻繁使用AGC-HOLD 操作,由于該操作未進行規(guī)范化管理,容易出現(xiàn)AGC-HOLD 操作后未及時恢復(fù)的情況。如圖4所示,調(diào)取某機組12 h時段的AGC-HOLD 操作記錄,可見將近一半時間都處于AGC-HOLD狀態(tài),這種狀態(tài)下AGC調(diào)節(jié)無法正常進行。
圖4 電力市場下某機組12 h內(nèi)AGC-HOLD操作記錄
5)其他因素影響。
除以上幾個主要因素以外,在電力市場模式下,還有以下因素也會影響機組調(diào)頻性能:部分機組AGC 速率設(shè)定偏低,無法滿足調(diào)頻性能要求;部分機組協(xié)調(diào)控制邏輯中,鍋爐前饋、主汽壓慣性時間和負荷調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置保守;隨著煤炭供應(yīng)緊張,火電機組燃煤熱值較低影響機組負荷響應(yīng)能力。機組運行期間,磨煤機組啟停、吹灰控制等環(huán)節(jié)上存在的一些問題同樣會給機組調(diào)頻性能帶來影響。
針對電力市場模式下導(dǎo)致機組調(diào)頻性能偏低的主要原因,可以通過以下措施進行改進和完善。
由機組調(diào)頻性能指標K值的計算方法可知,機組AGC速率指標權(quán)重占50%,2020年4月份開始,浙江省根據(jù)2019 年新版“兩個細則”的規(guī)定,將機組AGC實測速率正式納入考核范圍,且考核費用比例較大,考核公式如下:
式中:F為考核費用;K為機組AGC 平均調(diào)節(jié)速率系數(shù),當K大于1時,按K=1執(zhí)行;PN為機組額定容量;t考核為2 h;aAGC為AGC 考核系數(shù),數(shù)值一般為1;C機組為機組批復(fù)的上網(wǎng)電價;V實測為機組實測AGC 調(diào)節(jié)速率;V基本為機組基本相應(yīng)速率。
2020 年5 月,《關(guān)于加強浙江電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)機組AGC 運行管理工作》中對機組的AGC 速率設(shè)置提出了明確要求:600 MW及以下容量的燃煤發(fā)電機組實際變負荷速率需達到1.5%Pe/min(其中,Pe為額定負荷),深度調(diào)峰1.0%Pe/min;1 000 MW機組實際變負荷速率達到1.2%Pe/min,深度調(diào)峰0.8%Pe/min,同時以上設(shè)置納入定值管理。由此可見,無論是電力市場調(diào)頻服務(wù)還是“兩個細則”考核,均以提高機組AGC調(diào)節(jié)速率作為導(dǎo)向。
綜上分析,發(fā)電企業(yè)在電力市場運行前應(yīng)進行各項機組AGC性能試驗,通過實際負荷擺動了解機組的AGC性能情況,在不影響機組安全穩(wěn)定運行的前提下盡可能地提高機組AGC 速率設(shè)定。在多臺機組應(yīng)用案例中表明,該方法對提高機組調(diào)頻性能最為直接有效,但是對機組控制帶來的擾動頻率也明顯增加。
為了提高電力市場下機組調(diào)頻性能指標,協(xié)調(diào)控制策略需要作適應(yīng)性調(diào)整。調(diào)頻市場下發(fā)的AGC指令具有較高的隨機性,且多為小幅高頻指令,協(xié)調(diào)控制優(yōu)化應(yīng)重點關(guān)注汽輪機主控邏輯的適應(yīng)性。針對AGC指令小幅高頻下發(fā)時汽輪機主控指令響應(yīng)能力不足且明顯滯后的問題,在協(xié)調(diào)控制中汽輪機主控應(yīng)適當增加負荷控制權(quán)重,增加負荷變動時汽輪機主控指令前饋調(diào)節(jié)邏輯。適當提高汽輪機主控回路中的汽壓拉回回路定值設(shè)置,在主蒸汽壓力超出額定汽壓后再加強汽輪機主控中控壓回路的作用。如圖5所示,某機組針對電力市場下汽輪機主控指令響應(yīng)能力不足且明顯滯后問題,增加了電力市場模式下汽輪機主控優(yōu)化邏輯,并取得了良好效果。
圖5 某機組汽輪機主控邏輯優(yōu)化
在對汽輪機主控邏輯優(yōu)化的同時,還應(yīng)適當加強鍋爐主控負荷前饋調(diào)節(jié),加強主汽壓微分回路的作用,適當調(diào)整主汽壓慣性時間和負荷調(diào)節(jié)死區(qū)。文獻[10]針對調(diào)節(jié)速率K1、響應(yīng)時間K2、調(diào)節(jié)精度K3的影響環(huán)節(jié),通過對協(xié)調(diào)控制邏輯進行優(yōu)化,機組調(diào)頻性能指標有了顯著提高,市場日中標次數(shù)提高90%以上,由此可見,協(xié)調(diào)控制邏輯適應(yīng)性調(diào)整對機組調(diào)頻性能指標提升起到了關(guān)鍵作用。除此以外,部分先進的控制算法在火電機組AGC 優(yōu)化方面也有很好的工程應(yīng)用案例[11-15],也能較好地提升機組調(diào)頻性能,電力市場下應(yīng)加強此方面的關(guān)注。
電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)市場未運行前,發(fā)電企業(yè)對AGC和一次調(diào)頻的管理主要以各個區(qū)域發(fā)布的“兩個細則”為依據(jù)。電力市場運行后,由于調(diào)頻輔助服務(wù)市場的費用占比較高,發(fā)電企業(yè)需要有針對性地對電力市場輔助服務(wù)和“兩個細則”收入進行分析權(quán)衡,尋找經(jīng)營利潤的平衡點,而不是僅考慮滿足“兩個細則”。
以浙江省內(nèi)某大型火力發(fā)電廠為例,在浙江電力現(xiàn)貨市場第4次結(jié)算運行期間調(diào)頻輔助服務(wù)和“兩個細則”中該廠一次調(diào)頻、AGC部分的收支占比情況如圖6所示,在試運行的3個月時間內(nèi),調(diào)頻輔助服務(wù)收支占比高達98.2%。隨著電力市場的持續(xù)擴容,調(diào)頻輔助服務(wù)市場份額將進一步擴大,因此發(fā)電企業(yè)應(yīng)該更加關(guān)注電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)的收支情況,同時可適當降低對“兩個細則”中一次調(diào)頻部分的關(guān)注度。
圖6 浙江電力市場第4次試運行期間某電廠費用收支占比情況
為了避免機組一次調(diào)頻正確率受到考核,部分機組的調(diào)頻死區(qū)一般設(shè)置較小,從而導(dǎo)致一次調(diào)頻頻繁動作,給機組AGC響應(yīng)效果帶來了較大影響。如圖7所示,電力市場試運行期間,某亞臨界機組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能和正確率完全滿足“兩個細則”的考核標準,同時與考核線相比其調(diào)整的空間較大,但同時期該機組調(diào)頻性能指標并不理想,經(jīng)調(diào)頻轉(zhuǎn)速死區(qū)調(diào)整后,機組調(diào)頻性能提高了18%。因此,在進行一次調(diào)頻性能管理時,在機組一次調(diào)頻性能指標能夠滿足考核要求的前提下,應(yīng)適當調(diào)整調(diào)頻轉(zhuǎn)速死區(qū),降低一次調(diào)頻對AGC控制的擾動。
圖7 某亞臨界機組一次調(diào)頻月性能指標
部分超超臨界機組滑壓曲線定值設(shè)定較低,在中高負荷段機組調(diào)門經(jīng)常處在全開狀態(tài)。以某上汽-西門子TC4F 型機組為例,如圖8 所示,機組的供電煤耗隨著調(diào)門開度的減小而顯著增加,因此部分發(fā)電企業(yè)為了提高機組運行的經(jīng)濟性,通常會盡可能地降低滑壓曲線設(shè)定值[16]。采用該方法雖然提高了機組的經(jīng)濟性,但是較大程度影響了AGC的調(diào)節(jié)效果,進而影響了機組的調(diào)頻性能指標。
圖8 某TC4F機組汽門開度和供電煤耗的關(guān)系
該類型機組提高AGC調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度最直接的方法是適當調(diào)整滑壓曲線設(shè)定??紤]到其他月份“兩個細則”考核相對不多的情況,建議在電力市場運行前可適當提高滑壓曲線設(shè)定,電力市場運行結(jié)束后恢復(fù)至原設(shè)定,以提高電力市場運行期間“兩個細則”和電力市場輔助服務(wù)收入。
電力市場交易時,機組調(diào)頻性能指標中AGC調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度的測定采用抽測方法,即在電力市場運行前某一時段,抽取100 h 內(nèi)機組AGC調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度,加權(quán)平均后生成機組調(diào)頻性能指標。因此電力市場交易前,機組AGC性能測定時間段運行操作人員應(yīng)將機組擺至最佳狀態(tài),從而提高機組的調(diào)頻性能指標。
對于設(shè)置有AGC-HOLD 功能的機組,在電力市場運行期間,發(fā)電企業(yè)應(yīng)完善各項操作規(guī)范,運行人員盡可能減少AGC-HOLD 的使用頻率,避免投撤的隨意性。某大型火力發(fā)電廠通過規(guī)范運行AGC投撤和AGC-HOLD操作,當月機組調(diào)頻性能提升幅度在60%以上,效果非常明顯。
火電機組由于自身條件的限制,其調(diào)頻性能的提升空間相對有限。目前,通過電儲能提升火電機組調(diào)頻性能的方式已經(jīng)得到了廣泛認可。如圖9 所示,當電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)下發(fā)AGC 指令時,電儲能系統(tǒng)同步接收AGC指令,一般電儲能系統(tǒng)響應(yīng)速率能到達秒級,可快速響應(yīng)彌補燃煤機組響應(yīng)遲緩造成的AGC 指令和實發(fā)功率之間的差值。待機組出力提升后,儲能系統(tǒng)出力相應(yīng)降低,反之亦然,從而提升機組的調(diào)頻性能。
圖9 儲能聯(lián)合調(diào)頻的理論出力曲線
目前對電儲能參與機組調(diào)頻的研究已經(jīng)相對比較成熟,并得到了較好的應(yīng)用。儲能參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場是用戶側(cè)儲能主要的商業(yè)模式之一,儲能技術(shù)參與機組調(diào)頻輔助服務(wù)具備響應(yīng)時間快、調(diào)度性能好的優(yōu)勢,儲能調(diào)頻項目在山西、甘肅、廣東等省均已經(jīng)有了較好的工程應(yīng)用案例[17-20]。截至2019 年底,廣東電網(wǎng)部分聯(lián)合儲能調(diào)頻機組的調(diào)頻性能超越水電機組和燃氣機組,位列全網(wǎng)第一[21]。從投資成本上分析,采用電池儲能技術(shù)參與機組AGC調(diào)頻具有良好的經(jīng)濟效益,按照某項目財務(wù)評價分析,3 年左右即可收回投資成本[22]。儲能技術(shù)的協(xié)同配合不僅極大改善了發(fā)電企業(yè)的調(diào)頻性能,也解決了儲能需要外部電源維持其工作的問題,提高了發(fā)電企業(yè)在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中的收益。
2021 年后,浙江省內(nèi)燃煤機組加裝儲能設(shè)備已經(jīng)成為趨勢,部分大型火電機組儲能技術(shù)應(yīng)用項目進入實施階段,其經(jīng)濟性也已逐年體現(xiàn)。在此背景下,各發(fā)電企業(yè)應(yīng)盡快開展調(diào)研和經(jīng)濟性測算工作,如若此項工作進度過慢,可能會對企業(yè)近期在“兩個細則”和電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)上的收益帶來影響。
電力現(xiàn)貨市場下提高調(diào)頻輔助服務(wù)市場份額已經(jīng)成為趨勢。發(fā)電企業(yè)以往較為關(guān)注滿足“兩個細則”的盈虧,而對電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)給企業(yè)收支帶來的影響程度分析不足,對機組調(diào)頻性能指標提升重視程度不夠,導(dǎo)致企業(yè)在電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)中收入偏低甚至虧損。發(fā)電企業(yè)應(yīng)及時開展火電機組調(diào)頻性能的分析工作,了解新版“兩個細則”修訂后的考核導(dǎo)向,找出性能指標偏低的主要原因并進行針對性地改進。本文所提出的火電機組調(diào)頻性能提升方法經(jīng)過實際應(yīng)用,結(jié)果表明能夠有效解決部分機組調(diào)頻性能指標偏低的問題。
儲能參與機組調(diào)頻對提升發(fā)電企業(yè)“兩個細則”和電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)收入具有較大作用,由于項目改造內(nèi)容較大且調(diào)頻市場初期實施的效益明顯,建議盡早開展經(jīng)濟性測算和項目改造工作。