火電與新能源打捆送出對(duì)火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻的影響

中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院 王 菲 奚蕓華 李文雄

內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司 邢耀敏 趙計(jì)平

目前，世界上許多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家正在大力發(fā)展風(fēng)能和太陽能等新能源，以應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的氣候變化和能源危機(jī)。中國也在推動(dòng)可再生能源的發(fā)展上做出了許多努力，主要是將風(fēng)電、光伏發(fā)電和火電打捆外送，同時(shí)根據(jù)新能源的特點(diǎn)分析，建設(shè)一定規(guī)模的火電廠，既能滿足新能源外送的調(diào)峰功率變化率要求，又能滿足用電市場調(diào)節(jié)和控制功率的需要。

但是風(fēng)能和太陽能作為一種比較特殊的能源，不具備傳統(tǒng)能源穩(wěn)定的特點(diǎn)，新能源的負(fù)荷因?yàn)槭軞夂蚝铜h(huán)境的影響具有較高的不確定性、也難以調(diào)節(jié)，且新能源功率預(yù)測(cè)手段準(zhǔn)確率還不高，對(duì)傳統(tǒng)火電機(jī)組的調(diào)峰調(diào)頻性能有較大的影響[1]。本文針對(duì)新能源火電打捆外送模式下，火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻所面臨的各種問題展開研究，并總結(jié)了主要受影響的因素。

1 新能源打捆對(duì)火電機(jī)組調(diào)峰的影響因素

一般情況下，火電廠可能處于深度調(diào)峰狀態(tài)以滿足新能源消納需求，但隨著近年來新能源和火電打捆外送的陸續(xù)投產(chǎn)，電網(wǎng)中的新能源裝機(jī)容量也在增加，導(dǎo)致新能源發(fā)電量過高，火電廠的負(fù)荷率下降以滿足新能源的消納需求，當(dāng)消納需求仍無法滿足時(shí)，甚至需要考慮火電機(jī)組停機(jī)調(diào)峰?；痣姍C(jī)組深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和靈活性都有一定影響。

由于熱力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原因，傳統(tǒng)火電機(jī)組理論上并不適合大范圍、運(yùn)行工況變化較大的運(yùn)行條件。對(duì)比常規(guī)負(fù)荷工況，設(shè)備的狀態(tài)以及熱力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)在機(jī)組深度調(diào)峰的情況下都會(huì)有較大變化，也導(dǎo)致了被控制對(duì)象有較大的差異[2]。

以一個(gè)典型的亞臨界汽包鍋爐單元機(jī)組為例，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控對(duì)象為燃料量-汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥開度對(duì)汽輪機(jī)前蒸汽壓力-發(fā)電負(fù)荷雙入雙出對(duì)象[3]，機(jī)組采用DEB（直接能量平衡）反饋加發(fā)電負(fù)荷指令前饋形式的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，以下影響因素會(huì)對(duì)機(jī)組的控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響，進(jìn)而傳統(tǒng)火電機(jī)組的調(diào)峰性能也受到影響。

燃料增益。隨著新能源打捆外送的增加，火電機(jī)組發(fā)電負(fù)荷減少，燃料增益逐漸減小[2]。

鍋爐蓄熱系數(shù)。鍋爐蓄熱系數(shù)定義為在鍋爐燃燒率不變時(shí)鍋爐每降低一個(gè)壓力所釋放出來的蒸汽與鍋爐額定蒸發(fā)量的比，表示鍋爐蓄熱能力的大小。隨著部分火電機(jī)組的退出，發(fā)電負(fù)荷降低、汽輪機(jī)前壓力降低，鍋爐蓄熱系數(shù)不斷升高[3]。

制粉系統(tǒng)延遲時(shí)間。新能源大量并網(wǎng)情況下，火電機(jī)組為超低負(fù)荷工況，煤在給煤機(jī)內(nèi)輸送的時(shí)間增長、在磨煤機(jī)內(nèi)堆積的時(shí)間增長、在一次風(fēng)粉管道內(nèi)輸送的時(shí)間也會(huì)增加，同時(shí)為了穩(wěn)定燃燒需要減小一次風(fēng)量和一次風(fēng)壓波動(dòng)，進(jìn)一步導(dǎo)致制粉系統(tǒng)延遲時(shí)間增加[3]。

制粉慣性時(shí)間。在制粉系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)確定的情況下，磨煤機(jī)平均給煤量、一次風(fēng)煤比、煤質(zhì)變化等因素會(huì)影響到制粉系統(tǒng)的慣性時(shí)間。平均給煤量越小，慣性時(shí)間越短；一次風(fēng)煤比越大，制粉慣性時(shí)間越短[3]。

上述因素的變化會(huì)對(duì)火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。同時(shí)，在進(jìn)行新電源并網(wǎng)前后的負(fù)荷控制擾動(dòng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，新電源并網(wǎng)時(shí)機(jī)組的主要控制指標(biāo)與新電源并網(wǎng)前的指標(biāo)有偏差，被控對(duì)象參數(shù)的變化幅度超過了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)PID控制器能夠保持穩(wěn)定的范圍，控制質(zhì)量不合格。改善措施為根據(jù)對(duì)象特性變化，對(duì)控制系統(tǒng)中鍋爐蓄熱系數(shù)、鍋爐主控PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2 新能源火電打捆對(duì)火電機(jī)組調(diào)頻的影響因素

大量的新能源與火電機(jī)組打捆外送，新能源發(fā)電的間歇性會(huì)導(dǎo)致新能源機(jī)組的有效發(fā)電量與系統(tǒng)的負(fù)荷之間的動(dòng)態(tài)失衡。如果火電機(jī)組不能對(duì)新能源的波動(dòng)做出快速反應(yīng)，將導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)明顯的頻率偏差，甚至超過閾值，這不僅會(huì)危及機(jī)組的安全，還可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下文將簡述新能源打捆外送對(duì)機(jī)組對(duì)傳統(tǒng)火電機(jī)組調(diào)頻性能的影響。

2.1 啟停調(diào)峰時(shí)火電機(jī)組關(guān)停并網(wǎng)機(jī)組臺(tái)數(shù)

當(dāng)新能源打捆外送時(shí)，部分火電機(jī)組被關(guān)停以便為新能源機(jī)組騰出空間，從而平衡整個(gè)電力系統(tǒng)的過剩產(chǎn)能，也被稱為啟停調(diào)峰。在啟停調(diào)峰模式下，新能源的引入修正了傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組的慣性，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性的減少，這大大降低了發(fā)電機(jī)組對(duì)干擾的抵抗力，并導(dǎo)致火電機(jī)組一次調(diào)頻性能下降。

2.2 深度調(diào)峰時(shí)火電機(jī)組響應(yīng)速率降低

不同于啟停調(diào)峰運(yùn)行，火電機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)保證機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行，保留系統(tǒng)中的常規(guī)同步發(fā)電機(jī)數(shù)量，可知電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量保持不變，提高了維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的能力。在實(shí)際系統(tǒng)中的深度調(diào)峰為當(dāng)新能源出力波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)火電機(jī)組的出力來適應(yīng)新能源機(jī)組的出力，保證系統(tǒng)發(fā)電量的平衡。

火電機(jī)組在深度調(diào)峰工況時(shí)，由于沒有關(guān)停常規(guī)的同步發(fā)電機(jī)組，當(dāng)新能源出力變化時(shí)，系統(tǒng)中的其它參數(shù)如系統(tǒng)慣量系數(shù)、旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)等將不發(fā)生變化?；痣姍C(jī)組處于深度調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)組負(fù)荷率較低，隨著機(jī)組負(fù)荷率的下降，慣性時(shí)間常數(shù)減小，機(jī)組的響應(yīng)速率也在隨之降低，并且火電機(jī)組輸出功率的變化量在相同時(shí)間內(nèi)也隨著負(fù)荷工況點(diǎn)的降低而不斷減小，火電機(jī)組的頻率調(diào)節(jié)出力在逐漸減小，一次調(diào)頻性能減弱[4]。

2.3 機(jī)組慣性響應(yīng)及一次調(diào)頻響應(yīng)容量不足

當(dāng)大量的新能源與火電打捆時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)組的慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻響應(yīng)容量是不夠的。因此，新能源機(jī)組并入電網(wǎng)后，可能造成系統(tǒng)在頻率突然下降時(shí)其減緩下降的慣性響應(yīng)慣量不足；且在恢復(fù)階段，若一次調(diào)頻響應(yīng)的作用效果不佳、未能有效恢復(fù)頻率，不僅會(huì)影響傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能造成電力系統(tǒng)的崩潰[5]。

總而言之，隨著新能源滲透率的增長，火電機(jī)組進(jìn)行啟停調(diào)峰或者深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組的一次調(diào)頻性能都會(huì)受到較大影響。為提高機(jī)組的一次調(diào)頻能力，現(xiàn)有的技術(shù)有凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻、可調(diào)整回?zé)岢槠{(diào)頻，以及輔助一次調(diào)頻技術(shù)、包括蓄電池儲(chǔ)能調(diào)頻以及飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻等。

綜上，本文分別從調(diào)峰和調(diào)頻性能角度對(duì)于大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)后對(duì)火電機(jī)組造成的影響進(jìn)行分析，確定了其影響的因素。主要因素為風(fēng)、光電的隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)峰特性及出力波動(dòng)大，相對(duì)穩(wěn)定的火電機(jī)組以調(diào)峰、調(diào)頻方式繼續(xù)完成發(fā)電任務(wù)，但機(jī)組負(fù)荷運(yùn)行工況變化較大對(duì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制性能產(chǎn)生影響。

對(duì)火電機(jī)組調(diào)峰產(chǎn)生影響的因素主要有燃料增益、鍋爐蓄熱系數(shù)、制粉系統(tǒng)延遲時(shí)間及慣性時(shí)間。對(duì)調(diào)頻產(chǎn)生影響的主要原因?yàn)樵趩⑼Ｕ{(diào)峰工況時(shí)，新能源大量并網(wǎng)導(dǎo)致火電機(jī)組的退出運(yùn)行，降低了機(jī)組一次調(diào)頻性能，深度調(diào)峰時(shí)機(jī)組的響應(yīng)速率降低、調(diào)頻性能降低等。