利用回?zé)岢槠刂茀⑴c風(fēng)電系統(tǒng)調(diào)頻方法研究

郭 濤，秦 睿，馬呈霞，張世才，陳 強(qiáng)，郭鈺鋒

(1.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，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(yán)峻，全世界都在大力發(fā)展可替代清潔能源。風(fēng)力發(fā)電因清潔無污染、資源分布廣而受到人們的廣泛關(guān)注［1－2］。然而，由于風(fēng)能的間歇性，不可控、不可調(diào)性，造成風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)性，勢必會給電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［3－7］。早期對風(fēng)電特性的研究得到了較完備的風(fēng)速概率分布和頻譜的長期統(tǒng)計特性，為風(fēng)能資源評估、風(fēng)電建設(shè)和風(fēng)電場仿真模擬提供了依據(jù)，但難以應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)時控制和調(diào)度。

在不增加系統(tǒng)裝機(jī)容量的前提下，為保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，占系統(tǒng)發(fā)電份額最多的火電機(jī)組的一次調(diào)頻回路主要承擔(dān)風(fēng)電快變分量所帶來的波動。汽輪機(jī)參與一次調(diào)頻實(shí)質(zhì)上是通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的位置，來改變汽輪機(jī)的功率，使其轉(zhuǎn)速基本保持不變。但當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開度已達(dá)到極限時，應(yīng)當(dāng)考慮其他方法增加發(fā)電功率，本文重點(diǎn)研究回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽效應(yīng)對汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響。

再熱式汽輪機(jī)采用多級給水回?zé)峒訜?，即從汽輪機(jī)的中間級抽出一部分蒸汽，在給水加熱器中對鍋爐給水進(jìn)行加熱。當(dāng)回?zé)崞魍度脒\(yùn)行時，其回?zé)崞魅莘e內(nèi)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(jī)的動態(tài)特性具有明顯影響。負(fù)荷突然增加時，汽輪機(jī)進(jìn)汽閥開大，進(jìn)汽量增加，抽汽點(diǎn)壓力升高，汽水飽和溫度升高，疏水溫度低于汽側(cè)溫度，回?zé)岢槠縿討B(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(dāng)負(fù)荷突然間降低，進(jìn)汽閥關(guān)小，進(jìn)汽量減少，抽汽點(diǎn)壓力降低，則凝結(jié)水由飽和水變成過熱水，這樣就會蒸發(fā)出蒸汽，回?zé)岢槠縿討B(tài)過量降低?；?zé)岢槠繉ζ啓C(jī)功率的影響是明顯的，通常切除高加抽汽會使汽輪機(jī)的功率增加10%左右?；?zé)岢槠康淖兓瘯绊懫啓C(jī)功率，所以，減少回?zé)崞鞒槠山档推啓C(jī)的頻率變化。

文獻(xiàn)［8－11］中，對高風(fēng)電滲透電網(wǎng)，如何提高火電機(jī)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(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開度達(dá)到極限時，通過改變回?zé)嵯到y(tǒng)的抽汽量來調(diào)節(jié)頻率。本文基于以上文獻(xiàn)的研究成果，通過對風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)頻率的影響展開研究，對再熱式汽輪機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究了高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開度達(dá)到極限的工作情況下，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽效應(yīng)對汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響。

1 風(fēng)功率波動特性分析

選取我國某地風(fēng)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)，將風(fēng)電功率數(shù)據(jù)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(fēng)電功率分鐘級以下波動分量主要由電力系統(tǒng)一次調(diào)頻來平抑。將風(fēng)功率的平均值提取出來，用風(fēng)電功率分鐘級以下波動成分的標(biāo)準(zhǔn)差除以平均功率即可得到對應(yīng)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(fēng)電功率的增加所產(chǎn)生的變化，圖1中兩根曲線分別代表單機(jī)風(fēng)功率和風(fēng)場風(fēng)功率輸出特性。由圖1可以看出單臺風(fēng)機(jī)的風(fēng)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(fēng)場的風(fēng)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(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中加入XMW的風(fēng)電功率時，其分鐘級以下風(fēng)電波動量將達(dá)到0.02 XMW。在電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰區(qū)，當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開度已達(dá)到極限時，為了平抑風(fēng)功率波動對系統(tǒng)帶來的擾動的影響，可以考慮發(fā)揮回?zé)嵯到y(tǒng)的儲能效應(yīng)，調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機(jī)組的抽汽量提高發(fā)電功率。

圖1 風(fēng)功率波動特性分析圖

2 用于仿真分析的數(shù)學(xué)模型

2.1 回?zé)岢闅庀到y(tǒng)工作原理

圖2 回?zé)崞飨到y(tǒng)工作簡圖

圖2為表面式加熱器的回?zé)嵯到y(tǒng)工作簡圖。文獻(xiàn)［12］詳細(xì)介紹了回?zé)岢槠到y(tǒng)的工作原理，并以表面式加熱器為例建立了回?zé)崞飨到y(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)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?zé)崞鞒槠髁?Dwi為第i級回?zé)崞鹘o水流量;Dci為第i級回?zé)崞髂Y(jié)水流量;PT為汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力;Pbi為第i級回?zé)崞鞒槠c(diǎn)壓力;Pri為第i級回?zé)崞鲏毫?αri為第i級回?zé)崞鞒槠蓊~系數(shù)，αri=Dri0/D'ms0。所有變量下角標(biāo)“0”均表示相應(yīng)量的額定值;下角標(biāo)i對應(yīng)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?zé)岢槠到y(tǒng)模型

文獻(xiàn)［12］根據(jù)給水回?zé)嵯到y(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?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為了配合風(fēng)電發(fā)電功率的變化對火電機(jī)組發(fā)電量進(jìn)行自動調(diào)整，在抽汽逆止閥處添加控制信號用于控制回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量，得到如圖3所示的抽汽逆止閥可控的回?zé)岢槠到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型。模型中，αri為抽汽份額系數(shù)，Wi(s)為回?zé)崞鱾鬟f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(guān)可調(diào)的回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.3 多機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

研究電網(wǎng)頻率的長周期行為時(如一次調(diào)頻，二次調(diào)頻)，可以認(rèn)為電網(wǎng)頻率是統(tǒng)一的，各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均相等，這樣的假定實(shí)際上是忽略了發(fā)電機(jī)之間的相對搖擺，認(rèn)為發(fā)電機(jī)之間嚴(yán)格地保持同步運(yùn)行。

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

3 控制回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量平抑風(fēng)電波動

以圖4所示的系統(tǒng)為例在MATLAB中進(jìn)行仿真，比較分析在回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥不同開度的工況下對電網(wǎng)頻率變化的影響，結(jié)果如圖5所示。仿真中取給定轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值為1，風(fēng)場風(fēng)速在仿真時間50 s左右降低，造成風(fēng)場功率降低5%。

圖4 用于二次調(diào)頻控制回路設(shè)計分析的M臺同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型

圖5 回?zé)嵯到y(tǒng)逆止閥開關(guān)對電網(wǎng)頻率的影響

圖5中對汽輪機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開度達(dá)到極限的工作情況下，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥在不同開度工況下對電網(wǎng)頻率變化進(jìn)行對比分析?；?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥全開時回?zé)崞鲏毫轭~定值，而抽汽逆止閥半開時回?zé)崞鲏毫β杂邢陆担槠嬷归y全關(guān)時，回?zé)崞鲏毫深~定值逐漸減小到0。隨著回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥開度的變化會影響火電機(jī)組的發(fā)電功率，當(dāng)逆止閥開度由全開到半開時，電網(wǎng)頻率標(biāo)幺值的超調(diào)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(jī)組的發(fā)電量是不容忽視的。因此，在汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，如遇到高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開度達(dá)到極限的工作情況，即可考慮回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽效應(yīng)對汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響，以增大功率輸出，從而減小電網(wǎng)頻率變化，保證電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

本文研究了在高風(fēng)電滲透率的電力系統(tǒng)中，風(fēng)速波動對電力系統(tǒng)頻率的影響。在負(fù)荷高峰且風(fēng)電欠發(fā)時，根據(jù)汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)工作原理，發(fā)揮回?zé)嵯到y(tǒng)蓄熱效應(yīng)，控制回?zé)岢槠嬷归y開度調(diào)節(jié)回?zé)岢槠酷尫拍芰??？紤]已有的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)靜態(tài)參數(shù)，得到了帶有回?zé)嵯到y(tǒng)的汽輪機(jī)動態(tài)模型，建立了用于分析調(diào)頻問題的含有風(fēng)電及火電機(jī)組的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(jī)在并網(wǎng)條件下，當(dāng)風(fēng)電波動引起頻率周波擾動時，高負(fù)荷運(yùn)行的工作情況下，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥不同開度狀態(tài)對汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響。用仿真結(jié)果證明了在以上工作情況下，與打開回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥相比，適當(dāng)關(guān)閉回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥，汽輪機(jī)功率會明顯增加，從而會對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定起到積極作用。因此，調(diào)整回?zé)岢槠渴且环N能夠提高汽輪機(jī)調(diào)峰調(diào)頻出力的可行方法。

［1］唐江豐，韓春在，王萍，等.離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)與仿真［J］.電網(wǎng)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(fēng)力發(fā)電并入微網(wǎng)電能質(zhì)量分析與檢測［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28(4):86－90.

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

［10］郭小江，趙麗莉，湯奕，等.風(fēng)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(jī)工程學(xué)報，2013(22):19－25.

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

［12］于達(dá)仁，郭鈺鋒，王曉娟，等.計及回?zé)崞餍顭嵝?yīng)的汽輪機(jī)動態(tài)模型［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005(14):84－88.