夏 榮，陶 鑫，陳歡樂，楊 康

（1.國家電投集團江蘇電力有限公司，南京 210000；2.國家電投集團協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500；3.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

0 引言

隨著當前能源結構變化和電力輔助服務（調(diào)頻）市場的發(fā)展，提高國內(nèi)現(xiàn)役發(fā)電機組效率，保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行，提高電網(wǎng)和并網(wǎng)電廠之間的網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力，成為當前電力行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。如今，大容量超（超）臨界燃煤發(fā)電機組已成為區(qū)域電網(wǎng)的主力機組，但超（超）臨界機組受鍋爐系統(tǒng)能量生產(chǎn)過程的大延遲慣性和鍋爐可利用蓄能相對不足的影響，在電網(wǎng)快速大幅負荷響應工況下和電力輔助服務市場化背景下，其實際變負荷響應性能較難滿足廠網(wǎng)要求[2]。

江蘇省電力現(xiàn)貨市場于2020年7月開展輔助服務調(diào)頻（AGC）市場建設，目前調(diào)頻輔助服務市場在保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，優(yōu)化調(diào)頻資源配置，促進電源側調(diào)頻能力提升以及培育主體市場意識等方面凸顯重要作用。當前江蘇電力市場在運行結算中仍然采用發(fā)電側“零和”模式，發(fā)電企業(yè)在輔助服務市場中的利潤由輔助服務收入減去輔助服務分攤費用得到。按照《江蘇電力輔助服務（調(diào)頻）市場交易規(guī)則》規(guī)定，調(diào)頻市場中根據(jù)“七日綜合調(diào)頻性能指標/調(diào)頻報價”由高到低進行排序出清，且最終調(diào)頻調(diào)用補償由調(diào)頻里程、調(diào)頻性能和調(diào)頻報價乘積決定。因此，可以看出調(diào)頻性能對火電機組在調(diào)頻市場中的收益起決定性作用，如何提升發(fā)電機組調(diào)頻性能，如何在電力調(diào)頻輔助服務市場中獲取更高的調(diào)頻效益，已經(jīng)成為擺在發(fā)電企業(yè)面前的重要課題[3]。

本文研究凝結水輔助調(diào)頻控制策略，在機組原有AGC調(diào)頻控制基礎上，通過判斷機組運行工況和在調(diào)頻市場中的實際調(diào)頻需求，利用回熱系統(tǒng)蓄能輔助提升機組AGC調(diào)頻響應能力，提升機組調(diào)頻性能指標，幫助機組獲取更多的調(diào)頻市場收益。

1 火電機組調(diào)頻市場現(xiàn)狀

1.1 江蘇省調(diào)頻性能指標計算方法

目前，江蘇省調(diào)頻性能指標的計算由省電力調(diào)度中心負責。機組調(diào)頻性能指標Kp主要涉及AGC調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度兩個方面，單次AGC指令的調(diào)頻性能指標計算方法為：

燃煤火電機組調(diào)頻報價依據(jù)是“七日綜合調(diào)頻性能指標”，綜合調(diào)頻性能指標計算方法為：

式（2）中：K ip為機組i的綜合調(diào)頻性能指標；D+i,j為機組i第j次AGC指令的正向調(diào)頻里程；n為機組i運行期間內(nèi)被AGC調(diào)用的次數(shù)。

1.2 典型火電機組調(diào)頻現(xiàn)狀

以江蘇電網(wǎng)內(nèi)某1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機組為研究對象，分析其日常參與調(diào)頻市場運行狀況。該機組正常參與江蘇調(diào)頻輔助服務市場運營，AGC變負荷速率能夠滿足1.5%Pe（額定負荷）/min要求。根據(jù)式（1）可知，該變負荷速率下的理論最佳調(diào)頻性能指標為4。但限于機組鍋爐整體蓄能不足，以及劣質(zhì)煤摻燒、鍋爐壁溫的超溫干預等因素影響，對機組參與AGC調(diào)頻過程完整評價下，機組綜合調(diào)頻性能指標較低。其綜合調(diào)頻性能指標在輔助服務（調(diào)頻）市場中標的情況下為3.6左右，不中標時為3.1左右。該機組2021年11月22日～29日的每日綜合調(diào)頻性能數(shù)據(jù)如圖1所示。且隨著調(diào)頻市場深入實施，機組AGC調(diào)頻調(diào)用補償逐月減少，中標的天數(shù)及價格也愈來愈低，甚至出現(xiàn)調(diào)頻調(diào)用補償小于分攤而造成“虧損”的狀況。

圖1 1000MW機組每日綜合調(diào)頻性能數(shù)據(jù)Fig.1 1000MW Unit daily comprehensive frequency modulation performance

為增加發(fā)電機組在調(diào)頻輔助服務市場中的整體收益，需要進一步提升機組AGC調(diào)頻性能指標。其中，回熱系統(tǒng)存儲有部分可利用蓄能，可以作為機組功率變化的補充手段。本文考慮將回熱系統(tǒng)蓄能應用至AGC調(diào)頻控制中，利用回熱系統(tǒng)蓄能加快AGC調(diào)頻響應速度，提升機組綜合調(diào)頻響應性能和整體調(diào)頻收益。

2 凝結水輔助調(diào)頻控制

利用回熱系統(tǒng)蓄能參與發(fā)電機組一次調(diào)頻控制已有相關研究和應用，但AGC調(diào)節(jié)與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)存在較大差異，凝結水輔助參與AGC調(diào)頻控制中如何解決AGC指令頻繁變化、鍋爐蓄能與回熱系統(tǒng)蓄能高效協(xié)同控制，以及回熱系統(tǒng)AGC調(diào)頻過程中如何維持安全控制等問題成為研究和應用實施關鍵點。通過研究凝結水輔助調(diào)頻控制策略解決上述控制難題，提升機組在調(diào)頻輔助服務市場中的整體調(diào)頻性能。

2.1 凝結水調(diào)頻控制原理

以鍋爐出口主蒸汽為基準點，其一部分能量將在汽輪機內(nèi)做功轉(zhuǎn)換為電能，一部分將在凝汽器內(nèi)成為冷源損失被循環(huán)水帶走，而另一部分流回汽輪機回熱加熱系統(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻o水焓被循環(huán)利用，凝結水調(diào)頻利用的即是這部分能量。通過改變凝結水流量，利用加熱器熱平衡特性，間接改變加熱器的抽汽流量，從而快速改變機組功率輸出[4]。

凝結水輔助調(diào)頻有別于傳統(tǒng)CBF協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和基于凝結水調(diào)負荷的節(jié)能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[5]，其在不改變機組原有協(xié)調(diào)控制框架基礎上，增設凝結水輔助調(diào)頻控制功能；完善協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，使AGC調(diào)頻控制系統(tǒng)與凝結水輔助調(diào)頻協(xié)同配合，實現(xiàn)機組調(diào)頻響應性能最大化，其控制原理如圖2所示。

圖2 凝結水輔助調(diào)頻控制原理圖Fig.2 Condensed water auxiliary AGC control schematic diagram

2.2 凝結水輔助調(diào)頻控制

火電機組參與AGC調(diào)頻市場運行時，以利用鍋爐蓄能調(diào)頻控制為主，通過判斷機組能量狀態(tài)和AGC調(diào)頻響應需求，按需利用機組低壓回熱系統(tǒng)蓄能輔助參與調(diào)頻控制。當機組能量狀態(tài)無法滿足調(diào)頻響應需求時，觸發(fā)輔助調(diào)頻請求，凝結水輔助調(diào)頻系統(tǒng)快速改變凝結水流量，改變低壓回熱系統(tǒng)抽汽流量，輔助改變汽輪機功率輸出，輔助提升機組調(diào)頻響應性能。判斷條件如下所示：①AGC單方向連續(xù)指令變化幅度超過閾值，發(fā)生大幅AGC調(diào)頻工況；②鍋爐能量狀態(tài)偏離機組調(diào)頻響應需求：AGC加負荷工況下，鍋爐初始能量狀態(tài)偏低；AGC減負荷工況下，鍋爐初始能量狀態(tài)偏高；③大幅AGC單向調(diào)節(jié)后的反方向AGC調(diào)節(jié)。

預估機組鍋爐能量狀態(tài)無法滿足快速調(diào)頻需求時，觸發(fā)凝結水輔助調(diào)頻請求信號。將調(diào)頻指令折算成凝結水流量設定值偏置，通過除氧器上水調(diào)閥對除氧器水位控制回路作用，快速改變凝結水流量，間接改變低壓回熱系統(tǒng)抽汽流量，快速改變汽輪機功率輸出。其中，調(diào)頻加負荷需求時，凝結水流量設定值偏置為負，除氧器上水調(diào)閥關小，凝結水流量降低；調(diào)頻減負荷需求時，凝結水流量設定值偏置為正，除氧器上水調(diào)閥開大，凝結水流量增加。

圖3 凝結水系統(tǒng)調(diào)頻控制策略Fig.3 Condensed water system AGC control strategy

當機組功率輸出達到AGC指令響應需求，或者除氧器水位、凝結水流量、凝結水壓力等參數(shù)達到安全邊界時，凝結水輔助調(diào)頻功能退出。其中，機組功率輸出達到調(diào)頻響應需求工況下，凝結水系統(tǒng)的調(diào)頻指令按照預設的速率恢復至0，凝結水輔助調(diào)頻功能逐步退出，后續(xù)調(diào)頻功率輸出由機組機爐系統(tǒng)提供；除氧器水位、凝結水流量、凝結水壓力等參數(shù)達到安全邊界時，凝結水輔助調(diào)頻功能直接退出。

2.3 凝結水輔助調(diào)頻安全控制

凝結水參與機組AGC輔助調(diào)頻控制過程中，導致凝結水流量大幅且快速地變化，將直接影響到除氧器、低加和凝汽器等凝結水系統(tǒng)和設備的安全穩(wěn)定運行[6]，為此需要針對性開展保護控制。

1）對低加常疏、危疏、疏水泵控制邏輯進行優(yōu)化，包括增加凝結水流量至低加常疏的前饋環(huán)節(jié)，優(yōu)化常疏、危疏調(diào)門的PID參數(shù)，修改低加疏水泵變頻設定等。此外，需對低加的保護、控制定值進行梳理和調(diào)整，以實現(xiàn)低加水位在凝水流量大幅波動時的平穩(wěn)控制，避免危疏開啟和低加保護動作。

2）凝結水系統(tǒng)平衡控制。凝結水輔助調(diào)頻過程是凝結水流量在除氧器和凝汽器間工質(zhì)轉(zhuǎn)移的過程，雖然除氧器和凝汽器水位波動較大，但凝結水系統(tǒng)總的凝結水量基本保持不變。因此，為了防止凝結水調(diào)頻過程中凝汽器水位的暫態(tài)降低，引起補水閥動作，而增加系統(tǒng)總水量，采用除氧器和凝汽器水位平衡控制方式，凝汽器補水閥將控制除氧器與凝汽器的加權水位，維持凝結水系統(tǒng)總的凝結水量平衡。

3 凝結水輔助調(diào)頻控制實施

以上述1000MW超超臨界機組為試驗對象，開展凝結水輔助AGC調(diào)頻控制策略的優(yōu)化實施。

為實現(xiàn)凝結水輔助調(diào)頻功能，需對高中低負荷工況下除氧器上水調(diào)閥對機組負荷變化的特性進行摸底試驗。其中，750MW負荷工況下的凝結水調(diào)頻特性試驗曲線如圖4所示。

圖4 凝結水系統(tǒng)功率響應特性Fig.4 Condensed water system power response characteristics

由圖4可知，通過改變凝結水流量可以實現(xiàn)機組功率的大幅變化，驗證了凝結水參與負荷調(diào)節(jié)的可行性?；诓煌摵晒r下的凝結水系統(tǒng)負荷調(diào)節(jié)特性，實施凝結水輔助AGC調(diào)頻控制策略，凝結水輔助參與AGC調(diào)頻控制曲線如圖5所示。

圖5 凝結水輔助AGC調(diào)頻控制曲線Fig.5 Condensed water auxiliary AGC control curve

由圖5可知，由于凝結水系統(tǒng)參與調(diào)頻，使得變負荷初期的機組實際功率響應加快，實際出力能夠很好地跟隨負荷指令變化，緩解了機組功率滯后于指令變化較多的情況，機組的AGC調(diào)頻性能得到一定程度的提高。凝結水輔助調(diào)頻控制系統(tǒng)投運后，機組參與調(diào)頻輔助服務市場的綜合調(diào)頻響應性能得到大幅提升，評價指標達到4.5左右，大幅提升機組在調(diào)頻市場中的經(jīng)濟收益。實施后的綜合調(diào)頻響應性能指標情況如圖6所示。

4 結論

當前能源變革潮流下，新能源發(fā)電裝機占比快速增加。為應對新能源發(fā)電的隨機性和波動性，電網(wǎng)調(diào)度對火電機組的調(diào)頻性能提出了更高要求，并采用電力調(diào)頻輔助服務市場的方式來促進火電機組不斷提升自身調(diào)頻性能以保障新型電力系統(tǒng)的調(diào)頻安全。但火電機組能量生產(chǎn)的大慣性延遲和自身鍋爐系統(tǒng)蓄能不足等問題，導致火電機組調(diào)頻性能受限。

為進一步提升火電機組在電力市場環(huán)境下的整體調(diào)頻性能，借助機組回熱系統(tǒng)蓄能，采用凝結水輔助調(diào)頻的控制方式，基于機組調(diào)頻需求和能量狀況協(xié)同調(diào)用機組鍋爐系統(tǒng)和回熱系統(tǒng)的蓄能參與調(diào)頻控制。在保證凝結水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，機組在調(diào)頻市場中的綜合調(diào)頻響應性能得到較大提升，增加機組在電力市場中的調(diào)頻收益，為提高電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制能力提供助力。