劉 超，司瑞才，柳春暉，李 明

（1.國(guó)能雙遼發(fā)電有限公司，吉林 四平 136400；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021）

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進(jìn)，新能源裝機(jī)占比逐漸上升，火電機(jī)組占比逐漸下降，由于新能源發(fā)電的不確定性，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力明顯不足，電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定機(jī)理復(fù)雜，難以保障在極端天氣、系統(tǒng)擾動(dòng)等復(fù)雜情況下的電網(wǎng)安全運(yùn)行。電鍋爐儲(chǔ)熱裝置因調(diào)節(jié)能力快、儲(chǔ)能能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于火電靈活性改造的研究和應(yīng)用中，國(guó)家能源局自2016年開(kāi)展火電機(jī)組靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目以來(lái)，北方地區(qū)已有30多家電廠配置了電鍋爐儲(chǔ)熱系統(tǒng)。然而，電鍋爐儲(chǔ)熱裝置作為一種靈活性較高的用電負(fù)載，可以在電網(wǎng)線路故障時(shí)，快速參與協(xié)同調(diào)節(jié)，維持鍋爐、汽輪機(jī)的功率與負(fù)載平衡，使機(jī)組孤網(wǎng)帶電、熱負(fù)荷運(yùn)行，避免機(jī)組停機(jī)，提高機(jī)組快速并網(wǎng)和供熱經(jīng)濟(jì)性的價(jià)值并未得到充分認(rèn)識(shí)，同時(shí)在解除故障后機(jī)組快速并網(wǎng)等方面的研究和應(yīng)用尚未開(kāi)展。

本文從帶電鍋爐運(yùn)行的機(jī)組負(fù)荷平衡系統(tǒng)、機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行決策、負(fù)荷切換、汽輪機(jī)控制和鍋爐控制等方面進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)電鍋爐輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的控制功能，保障機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)，能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，有效保障居民供熱和快速恢復(fù)電網(wǎng)供電。

1 帶電鍋爐運(yùn)行的機(jī)組負(fù)荷平衡系統(tǒng)

某發(fā)電廠為響應(yīng)國(guó)家火電靈活性改造政策要求和地區(qū)供熱發(fā)展需要，提高新能源消納能力、機(jī)組供熱期深度調(diào)峰能力和供熱能力，配置了可實(shí)現(xiàn)快速降負(fù)荷和寬范圍變負(fù)荷的蓄熱式電鍋爐。通過(guò)對(duì)機(jī)組及電鍋爐控制策略的設(shè)計(jì)，使電鍋爐系統(tǒng)擁有常規(guī)調(diào)峰運(yùn)行模式和輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行模式。

1.1 常規(guī)調(diào)峰運(yùn)行模式

常規(guī)調(diào)峰運(yùn)行模式，主要是通過(guò)電鍋爐消耗機(jī)組發(fā)電機(jī)出口的電功率，減少上網(wǎng)負(fù)荷，在原有供熱機(jī)組降負(fù)荷速率的基礎(chǔ)上消耗了部分原來(lái)應(yīng)該上網(wǎng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)快速降負(fù)荷。利用電鍋爐產(chǎn)生蒸汽彌補(bǔ)供熱機(jī)組減少的供熱蒸汽，保證供熱穩(wěn)定，解耦了機(jī)組部分必發(fā)電量，降低了供熱機(jī)組的發(fā)電下限，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍降負(fù)荷。配置電鍋爐后機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 配置電鍋爐后機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 孤網(wǎng)輔助運(yùn)行模式

孤網(wǎng)輔助運(yùn)行模式，實(shí)質(zhì)上是將電鍋爐作為一個(gè)大容量可控負(fù)荷，其功率部件能大量消耗電能，能夠在控制部件的控制下快速變負(fù)荷。當(dāng)電鍋爐的容量與電網(wǎng)中的負(fù)荷沖擊容量相當(dāng)時(shí)，其實(shí)時(shí)性控制在300 ms以內(nèi)，電負(fù)荷平衡系統(tǒng)能夠平衡內(nèi)部電網(wǎng)中的負(fù)荷沖擊。電負(fù)荷平衡系統(tǒng)對(duì)火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差進(jìn)行計(jì)算，生成電鍋爐投入或切除邏輯，實(shí)現(xiàn)電鍋爐的最優(yōu)運(yùn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組帶電鍋爐及廠用電負(fù)荷孤島運(yùn)行。

2 電鍋爐輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的控制策略

當(dāng)因極端天氣、系統(tǒng)擾動(dòng)等復(fù)雜情況引起火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電鍋爐等儲(chǔ)熱裝置輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行決策控制系統(tǒng)使機(jī)組主動(dòng)脫離大電網(wǎng)進(jìn)行自主運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部機(jī)組出力和電鍋爐負(fù)載供需平衡且穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)故障時(shí)，機(jī)組穩(wěn)定轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，有效保障居民供熱和快速恢復(fù)電網(wǎng)供電的功能。整個(gè)過(guò)程主要分為：孤網(wǎng)運(yùn)行決策模塊、負(fù)荷切換控制模塊、鍋爐控制模塊和汽輪機(jī)控制模塊。

2.1 孤網(wǎng)運(yùn)行決策模塊

孤網(wǎng)運(yùn)行決策模塊包括線路側(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)位置檢測(cè)判斷、主變壓器線路參數(shù)檢測(cè)判斷和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)判斷3個(gè)回路。孤網(wǎng)運(yùn)行決策模塊，采用某廠K系列控制器，該系列控制器從信號(hào)采集、運(yùn)算、控制信號(hào)輸出總時(shí)間不大于40 ms，滿足孤網(wǎng)運(yùn)行決策模塊對(duì)快速性的要求［1］。

該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電廠與外電網(wǎng)連接開(kāi)關(guān)的位置狀態(tài)及廠內(nèi)2條配電線路主變壓器的電壓、電流、功率，根據(jù)孤網(wǎng)判據(jù)，自動(dòng)判斷電廠是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)。當(dāng)2條供電線路均出現(xiàn)故障時(shí)，觸發(fā)孤網(wǎng)運(yùn)行信號(hào)，使火電機(jī)組主動(dòng)斷開(kāi)電廠與外電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，并根據(jù)孤網(wǎng)前機(jī)組出力情況自動(dòng)匹配電鍋爐運(yùn)行方式，使火電機(jī)組能夠穩(wěn)定地帶“電鍋爐及廠用電負(fù)荷”孤島運(yùn)行，從而有效保障居民供熱和快速恢復(fù)電網(wǎng)供電的功能［2］。

通過(guò)孤網(wǎng)運(yùn)行決策模塊，判斷電廠是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)，判斷觸發(fā)孤網(wǎng)模式后，并將觸發(fā)信號(hào)送至機(jī)組汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（digital electric hydraulic control system，DEH）、分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）和電鍋爐控制系統(tǒng)。孤網(wǎng)觸發(fā)由以下3個(gè)條件判定。

1）條件1：線路側(cè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)位置檢測(cè)判斷回路（以下條件相“與”）。線路甲線開(kāi)關(guān)處于分閘位置；線路乙線開(kāi)關(guān)處于分閘位置。

2）條件2：主變壓器線路參數(shù)檢測(cè)判斷回路（以下條件相“與”）。甲、乙線功率突變量均大于啟動(dòng)定值；甲、乙線電流突變量均大于啟動(dòng)定值；線路故障前0.2 s，甲、乙線功率和大于有線路在運(yùn)行狀態(tài)下的功率判定值，且功率方向均為正；線路故障后甲、乙線功率和小于2條線路均停運(yùn)狀態(tài)下的功率判定值；甲、乙線均有兩相或三相電流值小于2條及以上線路停運(yùn)狀態(tài)下的電流判定值；甲、乙線均有兩相或三相電流20 ms內(nèi)突變量大于2條及以上線路電流突變電流判定值。

3）條件3：機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)判斷回路（以下條件相“與”）。油開(kāi)關(guān)閉合；主蒸汽門(mén)全開(kāi)；鍋爐主保護(hù)未動(dòng)作。

條件1與條件2相“或”，再與條件3相“與”后，即輸出孤網(wǎng)觸發(fā)，孤網(wǎng)觸發(fā)信號(hào)通過(guò)硬接線的方式送至機(jī)組DEH、DCS和電鍋爐控制系統(tǒng)。孤網(wǎng)觸發(fā)邏輯見(jiàn)圖2。

圖2 孤網(wǎng)觸發(fā)邏輯

2.2 負(fù)荷切換控制模塊

負(fù)荷切換控制模塊主要是為電鍋爐運(yùn)行模式判斷回路。該控制回路對(duì)火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)機(jī)組出力和廠用負(fù)載的偏差，生成電鍋爐投入或切除邏輯，實(shí)現(xiàn)電鍋爐的最優(yōu)運(yùn)行組合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組帶電鍋爐及廠用電負(fù)荷孤島運(yùn)行。具體情況如下。

1）孤網(wǎng)前電鍋爐均未運(yùn)行的模式下，若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負(fù)載，聯(lián)鎖啟動(dòng)所有電鍋爐。

2）孤網(wǎng)前電鍋爐均未運(yùn)行的模式下，若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負(fù)載，在保持機(jī)組出力略大于電鍋爐等廠用負(fù)載的前提下，聯(lián)鎖啟動(dòng)部分電鍋爐。

3）孤網(wǎng)前電鍋爐均運(yùn)行的模式下，若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負(fù)載，電鍋爐保持現(xiàn)狀運(yùn)行；若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負(fù)載，在保持機(jī)組出力略大于電鍋爐等廠用負(fù)載的前提下，聯(lián)鎖停運(yùn)部分電鍋爐。

4）孤網(wǎng)前電鍋爐未均運(yùn)行的模式下，若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負(fù)載，在保持機(jī)組出力略大于電鍋爐等廠用負(fù)載的前提下，聯(lián)鎖啟動(dòng)部分電鍋爐；若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負(fù)載，在保持機(jī)組出力略大于電鍋爐等廠用負(fù)載的前提下，聯(lián)鎖停運(yùn)部分電鍋爐。

2.3 鍋爐控制模塊

鍋爐控制模塊主要是為鍋爐燃燒系統(tǒng)快速調(diào)整控制回路。根據(jù)火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差，該控制回路可以實(shí)現(xiàn)鍋爐燃料的精準(zhǔn)控制，從而保證熱力系統(tǒng)的工質(zhì)平衡［3］。

機(jī)組DCS接收到孤網(wǎng)觸發(fā)信號(hào)后，切除機(jī)組鍋爐主控自動(dòng)，同時(shí)燃料主控的指令切換為廠用負(fù)載所對(duì)應(yīng)的燃料量，并根據(jù)火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差增加燃料主控的前饋回路，從而實(shí)現(xiàn)燃料量的快速精準(zhǔn)控制；孤網(wǎng)發(fā)生后，增加給水控制系統(tǒng)火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差前饋回路，防止因燃料的迅速變化造成的煤水比失調(diào)。

2.4 汽輪機(jī)控制模塊

汽輪機(jī)控制模塊，主要包括2個(gè)回路，分別為孤網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速及一次調(diào)頻控制回路和汽輪機(jī)孤網(wǎng)精準(zhǔn)前饋控制回路。機(jī)組在孤網(wǎng)觸發(fā)后，DEH切除遠(yuǎn)方DCS遙控，汽輪發(fā)電機(jī)由功率控制立即轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制方式。由于機(jī)組帶負(fù)荷和空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，被控對(duì)象特性存在較大不同，需要增設(shè)孤網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速及一次調(diào)頻控制回路。同時(shí)根據(jù)孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差，生成汽輪機(jī)精準(zhǔn)前饋量，從而確保整個(gè)過(guò)渡過(guò)程的轉(zhuǎn)速變化在允許范圍內(nèi)，并在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定［4］。

孤網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速及一次調(diào)頻控制回路分為轉(zhuǎn)速控制回路和一次調(diào)頻控制回路。孤網(wǎng)發(fā)生的瞬間，汽輪機(jī)由功率控制轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制，由于DEH 自帶轉(zhuǎn)速控制回路整定的控制參數(shù)只適用于機(jī)組帶空負(fù)荷運(yùn)行，所以須增設(shè)適用于孤網(wǎng)帶負(fù)荷控制的轉(zhuǎn)速回路，同時(shí)為確?？梢詫?duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速能夠快速穩(wěn)定控制，還須在轉(zhuǎn)速控制回路上增加一次調(diào)頻控制。目前火電機(jī)組一次調(diào)頻高限值為10%的機(jī)組額定負(fù)荷，當(dāng)因極端天氣、系統(tǒng)擾動(dòng)等復(fù)雜情況引起火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，若火電機(jī)組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差大于10%機(jī)組額定負(fù)荷時(shí)，一次調(diào)頻功能無(wú)法滿足單機(jī)帶孤網(wǎng)運(yùn)行的調(diào)整幅度要求。因此，將一次調(diào)頻回路按照5%轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置一次調(diào)頻量修正函數(shù)，并放開(kāi)一次調(diào)頻修正函數(shù)高限值，綜合考慮機(jī)組出力和廠用負(fù)載的偏差以及調(diào)門(mén)迅速關(guān)閉對(duì)鍋爐安全運(yùn)行帶來(lái)的影響，將一次調(diào)頻修正函數(shù)低限值設(shè)置為35%。

汽輪機(jī)孤網(wǎng)精準(zhǔn)前饋控制回路，主要是根據(jù)孤網(wǎng)前機(jī)組閥位指令、孤網(wǎng)前機(jī)組出力以及孤網(wǎng)前機(jī)組出力與電鍋爐等廠用負(fù)載偏差，計(jì)算出汽輪機(jī)控制回路的前饋量，通過(guò)引入汽輪機(jī)精準(zhǔn)前饋，減少機(jī)組孤網(wǎng)對(duì)轉(zhuǎn)速控制帶來(lái)的不利影響。

3 電鍋爐實(shí)例分析

為模擬電鍋爐輔助機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，利用本文的控制策略，基于Matlab／Simulink平臺(tái)建立了完整的帶電鍋爐負(fù)載的300 MW 機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型。其中汽輪機(jī)采用原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型，鍋爐模型采用含輔機(jī)故障減負(fù)荷功能的典型模型，勵(lì)磁系統(tǒng)為三機(jī)勵(lì)磁模型，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）采用PSS2A模型，發(fā)電機(jī)采用電磁暫態(tài)模型。通過(guò)仿真得出，當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，電鍋爐能夠及時(shí)根據(jù)機(jī)組出力與廠用及電鍋爐負(fù)載的偏差進(jìn)行投切。當(dāng)機(jī)組出力大于廠用和電鍋爐負(fù)載時(shí)，在投切的瞬間，存在轉(zhuǎn)速的小幅度飛升，但均未達(dá)到超速保護(hù)的動(dòng)作條件；當(dāng)機(jī)組出力小于廠用和電鍋爐負(fù)載時(shí)，在投切的瞬間，存在轉(zhuǎn)速的小幅度降低，但經(jīng)過(guò)短時(shí)間調(diào)整后，機(jī)組頻率均能維持50 Hz穩(wěn)定運(yùn)行。仿真結(jié)果，驗(yàn)證了電鍋爐輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的可行性，為此技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［5］。

4 結(jié)論

針對(duì)因極端天氣、系統(tǒng)擾動(dòng)等復(fù)雜情況引起火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行，電網(wǎng)失穩(wěn)的難題，引入電鍋爐輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷平衡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行決策、機(jī)組負(fù)荷切換控制策略，優(yōu)化汽機(jī)和鍋爐控制策略，實(shí)現(xiàn)了電鍋爐輔助火電機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行的控制功能，保障了機(jī)組在電網(wǎng)故障時(shí)，能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，具備良好的抗負(fù)荷沖擊能力，在各種事故工況下，均能夠安全準(zhǔn)確調(diào)整和動(dòng)作，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。