郭 濤，秦 睿，馬呈霞，張世才，陳 強，郭鈺鋒

(1.甘肅電力科學研究院，甘肅 蘭州 730050;2.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著化石燃料的逐漸枯竭和環(huán)境污染問題的日益嚴峻，全世界都在大力發(fā)展可替代清潔能源。風力發(fā)電因清潔無污染、資源分布廣而受到人們的廣泛關注［1－2］。然而，由于風能的間歇性，不可控、不可調性，造成風力發(fā)電出力的隨機性，勢必會給電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經濟性帶來嚴峻挑戰(zhàn)［3－7］。早期對風電特性的研究得到了較完備的風速概率分布和頻譜的長期統(tǒng)計特性，為風能資源評估、風電建設和風電場仿真模擬提供了依據，但難以應用于電力系統(tǒng)實時控制和調度。

在不增加系統(tǒng)裝機容量的前提下，為保證電網的頻率穩(wěn)定，占系統(tǒng)發(fā)電份額最多的火電機組的一次調頻回路主要承擔風電快變分量所帶來的波動。汽輪機參與一次調頻實質上是通過調節(jié)汽輪機進汽閥的位置，來改變汽輪機的功率，使其轉速基本保持不變。但當汽輪機進汽閥的開度已達到極限時，應當考慮其他方法增加發(fā)電功率，本文重點研究回熱系統(tǒng)抽汽效應對汽輪機頻率調節(jié)的影響。

再熱式汽輪機采用多級給水回熱加熱，即從汽輪機的中間級抽出一部分蒸汽，在給水加熱器中對鍋爐給水進行加熱。當回熱器投入運行時，其回熱器容積內便儲存了一定容積的蒸汽和疏水，這部分蒸汽和疏水對汽輪機的動態(tài)特性具有明顯影響。負荷突然增加時，汽輪機進汽閥開大，進汽量增加，抽汽點壓力升高，汽水飽和溫度升高，疏水溫度低于汽側溫度，回熱抽汽量動態(tài)過量增加，一方面平衡給水量增加所需的加熱量增加，一方面提供疏水的附加吸熱;而當負荷突然間降低，進汽閥關小，進汽量減少，抽汽點壓力降低，則凝結水由飽和水變成過熱水，這樣就會蒸發(fā)出蒸汽，回熱抽汽量動態(tài)過量降低?；責岢槠繉ζ啓C功率的影響是明顯的，通常切除高加抽汽會使汽輪機的功率增加10%左右?；責岢槠康淖兓瘯绊懫啓C功率，所以，減少回熱器抽汽可降低汽輪機的頻率變化。

文獻［8－11］中，對高風電滲透電網，如何提高火電機組的發(fā)電能力都有了不少研究成果，但目前現(xiàn)有的研究尚未考慮在高負荷運行，主汽閥開度達到極限時，通過改變回熱系統(tǒng)的抽汽量來調節(jié)頻率。本文基于以上文獻的研究成果，通過對風電并網對電力系統(tǒng)頻率的影響展開研究，對再熱式汽輪機并網運行進行仿真，重點研究了高負荷運行，主汽閥開度達到極限的工作情況下，回熱系統(tǒng)抽汽效應對汽輪機頻率調節(jié)的影響。

1 風功率波動特性分析

選取我國某地風場實際測量數(shù)據，將風電功率數(shù)據用小波分解的方法分為分鐘級以下及分鐘級以上多個尺度。風電功率分鐘級以下波動分量主要由電力系統(tǒng)一次調頻來平抑。將風功率的平均值提取出來，用風電功率分鐘級以下波動成分的標準差除以平均功率即可得到對應于任一平均功率其特定波動成分所占的比重。圖1為分鐘級以下波動量隨著風電功率的增加所產生的變化，圖1中兩根曲線分別代表單機風功率和風場風功率輸出特性。由圖1可以看出單臺風機的風功率波動與其平均功率相比波動較大，在額定功率附近其波動量大概占13%左右;對于風場的風功率輸出特性，其分鐘級以下波動分量所占比重明顯減小，在額定功率附近其波動分量大概占2%左右。即隨著風力發(fā)電的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中加入XMW的風電功率時，其分鐘級以下風電波動量將達到0.02 XMW。在電力系統(tǒng)負荷高峰區(qū)，當汽輪機進汽閥的開度已達到極限時，為了平抑風功率波動對系統(tǒng)帶來的擾動的影響，可以考慮發(fā)揮回熱系統(tǒng)的儲能效應，調節(jié)汽輪發(fā)電機組的抽汽量提高發(fā)電功率。

圖1 風功率波動特性分析圖

2 用于仿真分析的數(shù)學模型

2.1 回熱抽氣系統(tǒng)工作原理

圖2 回熱器系統(tǒng)工作簡圖

圖2為表面式加熱器的回熱系統(tǒng)工作簡圖。文獻［12］詳細介紹了回熱抽汽系統(tǒng)的工作原理，并以表面式加熱器為例建立了回熱器系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型。

圖2中，Dms為上級組流量;D'ms為下級組流量; Dri為第i級回熱器抽汽流量;Dwi為第i級回熱器給水流量;Dci為第i級回熱器凝結水流量;PT為汽輪機的進汽壓力;Pbi為第i級回熱器抽汽點壓力;Pri為第i級回熱器壓力;αri為第i級回熱器抽汽份額系數(shù)，αri=Dri0/D'ms0。所有變量下角標“0”均表示相應量的額定值;下角標i對應1、2;高加，除氧器及低加1，2的符號表示分別為GJ、CY、DJ1、DJ2。

2.2 抽氣逆止閥可控的回熱抽汽系統(tǒng)模型

文獻［12］根據給水回熱系統(tǒng)的工作流程及以上建模思路，已研究出傳遞函數(shù)形式的逆止閥全開時回熱加熱系統(tǒng)的數(shù)學模型，為了配合風電發(fā)電功率的變化對火電機組發(fā)電量進行自動調整，在抽汽逆止閥處添加控制信號用于控制回熱系統(tǒng)抽汽量，得到如圖3所示的抽汽逆止閥可控的回熱抽汽系統(tǒng)數(shù)學模型。模型中，αri為抽汽份額系數(shù)，Wi(s)為回熱器傳遞函數(shù)，βi為抽汽逆止閥前后壓損系數(shù)，Ci為級組功率系數(shù)。

圖3 逆止閥開關可調的回熱加熱系統(tǒng)數(shù)學模型

2.3 多機系統(tǒng)數(shù)學模型

研究電網頻率的長周期行為時(如一次調頻，二次調頻)，可以認為電網頻率是統(tǒng)一的，各發(fā)電機轉速均相等，這樣的假定實際上是忽略了發(fā)電機之間的相對搖擺，認為發(fā)電機之間嚴格地保持同步運行。

在本文所用仿真模型中，取再熱式汽輪機、水輪機組的發(fā)電份額占整個電網的發(fā)電份額分別為50%、30%，風電機組發(fā)電份額為20%。

3 控制回熱系統(tǒng)抽汽量平抑風電波動

以圖4所示的系統(tǒng)為例在MATLAB中進行仿真，比較分析在回熱系統(tǒng)抽汽逆止閥不同開度的工況下對電網頻率變化的影響，結果如圖5所示。仿真中取給定轉速標幺值為1，風場風速在仿真時間50 s左右降低，造成風場功率降低5%。

圖4 用于二次調頻控制回路設計分析的M臺同步發(fā)電機并列運行的數(shù)學模型

圖5 回熱系統(tǒng)逆止閥開關對電網頻率的影響

圖5中對汽輪機高負荷運行，主汽閥開度達到極限的工作情況下，回熱系統(tǒng)抽汽逆止閥在不同開度工況下對電網頻率變化進行對比分析?；責嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥全開時回熱器壓力為額定值，而抽汽逆止閥半開時回熱器壓力略有下降，抽汽逆止閥全關時，回熱器壓力會由額定值逐漸減小到0。隨著回熱系統(tǒng)抽汽逆止閥開度的變化會影響火電機組的發(fā)電功率，當逆止閥開度由全開到半開時，電網頻率標幺值的超調量由－1.8%減小至－0.8%，即隨著逆止閥開度減小，抽汽量減小，所提高的火電機組的發(fā)電量是不容忽視的。因此，在汽輪機實際運行中，如遇到高負荷運行，主汽閥開度達到極限的工作情況，即可考慮回熱系統(tǒng)抽汽效應對汽輪機頻率調節(jié)的影響，以增大功率輸出，從而減小電網頻率變化，保證電網運行安全。

4 結論

本文研究了在高風電滲透率的電力系統(tǒng)中，風速波動對電力系統(tǒng)頻率的影響。在負荷高峰且風電欠發(fā)時，根據汽輪機回熱系統(tǒng)工作原理，發(fā)揮回熱系統(tǒng)蓄熱效應，控制回熱抽汽逆止閥開度調節(jié)回熱抽汽量釋放能量?？紤]已有的汽輪機回熱系統(tǒng)靜態(tài)參數(shù)，得到了帶有回熱系統(tǒng)的汽輪機動態(tài)模型，建立了用于分析調頻問題的含有風電及火電機組的電力系統(tǒng)數(shù)學模型，增加了抽汽逆止閥的控制回路，通過仿真分析比較了汽輪機在并網條件下，當風電波動引起頻率周波擾動時，高負荷運行的工作情況下，回熱系統(tǒng)抽汽逆止閥不同開度狀態(tài)對汽輪機頻率調節(jié)的影響。用仿真結果證明了在以上工作情況下，與打開回熱系統(tǒng)抽汽逆止閥相比，適當關閉回熱系統(tǒng)抽汽逆止閥，汽輪機功率會明顯增加，從而會對電網頻率穩(wěn)定起到積極作用。因此，調整回熱抽汽量是一種能夠提高汽輪機調峰調頻出力的可行方法。

［1］唐江豐，韓春在，王萍，等.離網小型風力發(fā)電系統(tǒng)的建設與仿真［J］.電網與清潔能源，2012，28(3):74－78.

［2］Ummels B C，Gibescu M，Pelgrum E，et al.Impacts of Wind Power on Thermal Generation Unit Commitment and Dispatch［J］.Energy Conversion，IEEE Transactions on.2007，22(1):44－51.

［3］Tongdan J，Zhigang T.Uncertainty analysis for wind energy production with dynamic power curves［C］//Probabilistic Methods Applied to Power Systems(PMAPS)，Singapore: 2010 IEEE 11th International Conference，2010:745－750.

［4］Keko H，Da Rosa M A，Sumaili J，et al.Wind power forecast uncertainty in daily operation of wind park combined with storage［C］//European Energy Market(EEM)，Zagreb: 2011 8th International Conference，2011:773－778.

［5］Bessa R J，Mendes J，Miranda V，et al.Quantilecopula density forecast for wind power uncertainty modeling［C］//PowerTech，Trondheim:2011 IEEE Trondheim，2011:1－8.

［6］Zhiying X，Gengyin L，Ming Z.Credibility theory applied for estimating operating reserve consideringwind power uncertainty［C］//PowerTech，Trondheim:2011 IEEE Trondheim，2011:1－8.

［7］Bessa R J，Matos M A，Costa IC，etal.Reserve Setting and Steady－State Security Assessment Using Wind Power Uncertainty Forecast:A Case Study［J］.Sustainable Energy，IEEE Transactions on.2012，3(4):827－836.

［8］李婉娉，李鵬，劉承注，等.風力發(fā)電并入微網電能質量分析與檢測［J］.電網與清潔能源，2012，28(4):86－90.

［9］肖雅麗，方瑞明，李文彭.雙饋感應風力發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測方法綜述［J］.電網與清潔能源，2012，28(3):67－73.

［10］郭小江，趙麗莉，湯奕，等.風火打捆交直流外送系統(tǒng)功角暫態(tài)穩(wěn)定研究［J］.中國電機工程學報，2013(22):19－25.

［11］朱藝穎，董鵬，胡濤，等.大規(guī)?！帮L火打捆”經直流外送數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)［J］.電網技術，2013(5):1329－1334.

［12］于達仁，郭鈺鋒，王曉娟，等.計及回熱器蓄熱效應的汽輪機動態(tài)模型［J］.中國電機工程學報，2005(14):84－88.