考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的頻率控制

徐 箭, 唐旭辰, 徐 琪, 王 豹, 雷若冰

(1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院, 湖北省武漢市 430072; 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 廣東省廣州市 510080;3. 廣州供電局有限公司, 廣東省廣州市 510620; 4. 國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司, 江蘇省蘇州市 215004)

0 引言

隨著化石能源的枯竭和用電需求的增長(zhǎng),風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源受到了越來(lái)越多的關(guān)注,全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。截至2016年底,風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量超過(guò)10 GW的國(guó)家共有9個(gè),其中中國(guó)以168.7 GW位居榜首,占全球總量的34.7%[1]。截至2016年底,中國(guó)的電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)中燃煤機(jī)組占比為56.2%[2],遠(yuǎn)高于具有快速爬坡能力的機(jī)組,如水電、燃?xì)馊加蜋C(jī)組等。由于風(fēng)電功率的快速波動(dòng)性,風(fēng)電的大規(guī)模并網(wǎng)可能會(huì)使得傳統(tǒng)燃煤機(jī)組難以維持系統(tǒng)的有功平衡,造成頻率偏差越限,嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從兩方面開(kāi)展了大量研究。一類(lèi)是通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制,如轉(zhuǎn)子慣性控制、轉(zhuǎn)子超速控制、變槳距控制等[4-5],來(lái)主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的頻率變化。但該方法受風(fēng)速和風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響,難以保證全風(fēng)況下風(fēng)機(jī)參與系統(tǒng)調(diào)頻的可信度。另一類(lèi)方法是從電網(wǎng)側(cè)采取控制措施,用儲(chǔ)能[6]來(lái)平抑風(fēng)電的波動(dòng)性。但依靠?jī)?chǔ)能來(lái)承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻需求,會(huì)造成儲(chǔ)能容量配置過(guò)大、經(jīng)濟(jì)性不佳的問(wèn)題。

考慮中國(guó)當(dāng)前以燃煤機(jī)組為主的電源結(jié)構(gòu),深入挖掘常規(guī)火電機(jī)組的調(diào)頻能力成為了解決頻率穩(wěn)定問(wèn)題的有效手段。由于傳統(tǒng)的火電機(jī)組深度調(diào)峰方式往往會(huì)造成機(jī)組參量波動(dòng)、污染物排放超標(biāo)、設(shè)備壽命降低、運(yùn)營(yíng)商深度調(diào)峰意愿不足和機(jī)組響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、變負(fù)荷速率難以進(jìn)一步提高等問(wèn)題,有學(xué)者對(duì)采用凝結(jié)水節(jié)流、供熱機(jī)組抽汽、凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流等協(xié)調(diào)控制方式,利用火電機(jī)組的深度快速變負(fù)荷能力來(lái)提升火電機(jī)組的變負(fù)荷范圍和變負(fù)荷速率進(jìn)行了大量研究[7-8]。本文所提的“火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力”,指的是從變負(fù)荷范圍和變負(fù)荷速率兩個(gè)方面對(duì)火電機(jī)組提出要求?，F(xiàn)有關(guān)于火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要集中在調(diào)度上[9-10]。其中,文獻(xiàn)[9]分析了火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力對(duì)含風(fēng)電電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響,仿真表明合理利用機(jī)組蓄熱來(lái)提升機(jī)組的爬坡能力,可以增加風(fēng)電利用率,減少棄風(fēng)。文獻(xiàn)[10]提出了一種考慮風(fēng)電與火電機(jī)組快速變負(fù)荷能力的自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)機(jī)組在線調(diào)度方法,將火電變負(fù)荷能力納入AGC優(yōu)化目標(biāo),使得變負(fù)荷速率快的機(jī)組分配更多的負(fù)荷。

由于凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷控制受到除氧器蓄能的制約、機(jī)組釋放蓄熱過(guò)程中凝汽器壓力會(huì)發(fā)生改變等原因,文獻(xiàn)[10]認(rèn)為火電機(jī)組的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)每次只能持續(xù)1 min,且至少需要再過(guò)1 min才能重新進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài),對(duì)火電機(jī)組的控制達(dá)到了1 min級(jí)。因此,火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力可以應(yīng)用于系統(tǒng)頻率控制。在風(fēng)電功率以較快速率持續(xù)向上或向下爬坡時(shí),火電機(jī)組的深度快速變負(fù)荷能力能夠在一定程度上緩解系統(tǒng)的調(diào)頻壓力,提高系統(tǒng)的頻率控制能力。

本文針對(duì)風(fēng)電接入后系統(tǒng)調(diào)頻能力不足的問(wèn)題,提出了一種考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的含風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率控制方法。該方法基于計(jì)及機(jī)組調(diào)節(jié)死區(qū)、爬坡速率、調(diào)節(jié)容量、AGC控制周期等非線性因素的非線性時(shí)域模型,首先在預(yù)測(cè)層面制定火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃,然后在實(shí)時(shí)層面利用所制定的開(kāi)關(guān)計(jì)劃進(jìn)行頻率控制。

1 火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷的基本原理

目前,常用的火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷手段有凝結(jié)水節(jié)流、供熱機(jī)組抽汽、凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流等,這些方法通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)側(cè)蓄能的合理利用大幅度提高了火電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性,縮短機(jī)組響應(yīng)時(shí)間,改善了機(jī)組一、二次調(diào)頻能力[7]。凝結(jié)水節(jié)流控制主要是利用凝結(jié)水水箱和除氧器水箱提供的工質(zhì)存儲(chǔ)能力,暫時(shí)利用了原本用于回?zé)嵯到y(tǒng)中通過(guò)加熱給水的能量,來(lái)提升機(jī)組的變負(fù)荷速率。供熱機(jī)組抽汽控制主要是將供熱抽汽蝶閥作為機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)手段,依據(jù)供熱參數(shù)允許變化范圍和機(jī)組安全運(yùn)行指標(biāo),通過(guò)供熱抽汽量調(diào)節(jié),提升供熱機(jī)組快速變負(fù)荷速率。凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流主要是指機(jī)組在一定的汽輪機(jī)負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),通過(guò)改變凝汽器冷卻工質(zhì)流量對(duì)機(jī)組背壓進(jìn)行調(diào)節(jié),從而改變機(jī)組的變負(fù)荷范圍和變負(fù)荷速率。結(jié)合以上控制手段,基于機(jī)組蓄能深度利用的機(jī)爐智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠同時(shí)控制主蒸汽、凝結(jié)水、供熱抽汽和冷卻系統(tǒng),以聯(lián)合控制方式改變機(jī)組的變負(fù)荷范圍和變負(fù)荷速率?；痣姍C(jī)組在一般狀態(tài)和深度快速變負(fù)荷狀態(tài)下的機(jī)組參數(shù)對(duì)比見(jiàn)附錄A表A1[11]。

從經(jīng)濟(jì)性角度考慮,凝結(jié)水節(jié)流與供熱機(jī)組抽汽是經(jīng)濟(jì)性良好的控制手段,凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流功率反向調(diào)節(jié)時(shí)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性會(huì)降低。安全性方面,火電機(jī)組若長(zhǎng)時(shí)間處于深度快速變負(fù)荷狀態(tài)會(huì)增加設(shè)備磨損,降低機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。因此,本文考慮只有在風(fēng)電波動(dòng)引起的區(qū)域控制偏差(ACE)進(jìn)入緊急調(diào)節(jié)區(qū),即|EACE|≥2(標(biāo)幺值)時(shí)[12],火電機(jī)組才進(jìn)入深度快速變負(fù)荷模式,且持續(xù)時(shí)間受到機(jī)組安全范圍限制。同時(shí),進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的火電機(jī)組在釋放蓄熱的過(guò)程中,除氧器水位、凝汽器壓力等會(huì)發(fā)生改變,機(jī)組蓄熱全部釋放后,至少需要再過(guò)1 min,機(jī)組的參數(shù)才能恢復(fù)到原來(lái)的水平。因此,火電機(jī)組是否進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)不僅受風(fēng)電出力水平的影響,也會(huì)受到機(jī)組本身的技術(shù)限制。

2 考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的含風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率控制方法的實(shí)現(xiàn)

由于火電機(jī)組當(dāng)前時(shí)刻的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)需要根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的ACE值和火電機(jī)組之前時(shí)刻是否處于深度快速變負(fù)荷狀態(tài)決定,且火電機(jī)組從接受控制指令到采取措施進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài),需要一定的準(zhǔn)備時(shí)間,因此需要首先在預(yù)測(cè)層面提前制定火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃,然后在實(shí)時(shí)層面根據(jù)所制定的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃,進(jìn)行含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率控制。預(yù)測(cè)誤差的存在會(huì)使機(jī)組提前或滯后進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)甚至增加或減少進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的次數(shù),影響改進(jìn)策略對(duì)頻率偏差的控制,因此需要采取快速、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。

2.1 預(yù)測(cè)層面

圖1為預(yù)測(cè)層面制定火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃的流程圖。圖中,Pn為機(jī)組額定負(fù)荷，KG為機(jī)組調(diào)速器的放大倍數(shù)，Δt表示仿真步長(zhǎng),tmax為仿真終止時(shí)間,t0為火電機(jī)組兩次進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的最小間隔時(shí)間,t1為深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間,根據(jù)工程實(shí)際設(shè)定t0=1 min,t1=1 min[9]。γ為ACE的閾值,γ=2(標(biāo)幺值)。在計(jì)算ACE時(shí),本文采用了一種考慮可再生能源接入下的頻率分析模型[13],在ACE信號(hào)中加入了風(fēng)電的預(yù)測(cè)誤差和傳統(tǒng)機(jī)組的發(fā)電偏差。由于對(duì)象是多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng),因此又在該文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,考慮了對(duì)聯(lián)絡(luò)線交換功率的控制,如式(1)所示。

EACE(t)=-BΔfave(t)+ΔPtie(t)+

ΔPGEN(t)+ΔPwind(t)

(1)

式中:B為當(dāng)前區(qū)域的頻率偏差系數(shù);Δfave(t)為當(dāng)前區(qū)域所有發(fā)電機(jī)的頻率偏差的平均值;ΔPtie(t)為當(dāng)前區(qū)域所有聯(lián)絡(luò)線交換功率的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差之和;ΔPGEN(t)為當(dāng)前區(qū)域所有發(fā)電機(jī)出力的實(shí)際值與計(jì)劃值的偏差之和;ΔPwind(t)為當(dāng)前區(qū)域所有風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的偏差之和。

圖1 預(yù)測(cè)層面制定開(kāi)關(guān)計(jì)劃的流程圖Fig.1 Flow chart of switching scheme at predictive level

開(kāi)關(guān)計(jì)劃的具體步驟如下。

步驟1:輸入系統(tǒng)參數(shù)、風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)結(jié)果,令深度快速變負(fù)荷狀態(tài)量的初始值state(0)=0,表示火電機(jī)組未進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)。

步驟2:在t時(shí)刻,預(yù)測(cè)層面上在各個(gè)AGC的執(zhí)行周期內(nèi)計(jì)算具有深度快速變負(fù)荷能力的火電機(jī)組所在區(qū)域的EACE(t)。

步驟3:判斷火電機(jī)組t時(shí)刻的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)量state(t)。若state(t)=0,執(zhí)行步驟4;否則,令火電機(jī)組的state(t+Δt)=1后,執(zhí)行步驟5。

步驟4:判斷條件a和b是否成立,條件a為|EACE(t)|>γ,條件b為火電機(jī)組前(t0-Δt)時(shí)刻的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)量state(t-t0+Δt)=0。若條件a和b同時(shí)成立,令(t+Δt)～(t+t1)時(shí)段各時(shí)刻火電機(jī)組的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)量均為1,(t+t1+Δt)～(t+t1+t0)時(shí)段各時(shí)刻火電機(jī)組的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)量均為0;否則,令state(t+Δt)=0。然后執(zhí)行子步驟5。

步驟5:令t=t+Δt,重復(fù)子步驟2至4,直至t>tmax,仿真終止并輸出整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃。

2.2 實(shí)時(shí)層面

實(shí)時(shí)風(fēng)電并網(wǎng)后,電網(wǎng)側(cè)多時(shí)間尺度的有功協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度模式通過(guò)日前計(jì)劃、滾動(dòng)計(jì)劃、實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃和AGC逐級(jí)消除風(fēng)電預(yù)測(cè)偏差,從而遞進(jìn)地減小頻率偏差。圖2給出了投入AGC后考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的系統(tǒng)頻率控制示意圖,采用的是基于直流潮流的頻率響應(yīng)分析模型[14],可以快速、準(zhǔn)確地體現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)后系統(tǒng)的有功功率—頻率動(dòng)態(tài)過(guò)程。AGC部分的模型分為以下3個(gè)部分。

1)ACE計(jì)算模塊。在AGC的執(zhí)行周期內(nèi)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行ACE計(jì)算。

2)所提控制策略模塊。根據(jù)預(yù)測(cè)層面得到的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃,在實(shí)時(shí)層面可以判斷機(jī)組是否處于深度快速變負(fù)荷狀態(tài),進(jìn)而確定機(jī)組的變負(fù)荷范圍、最大變負(fù)荷速率和調(diào)差系數(shù)。

圖2 考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的電力系統(tǒng)頻率控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of frequency control considering deep and fast load changing capability of thermal power unit

3)機(jī)組功率分配模塊。通過(guò)比例—積分(PI)控制器的作用得到總的二次調(diào)頻量,并在AGC的各控制周期內(nèi)對(duì)各AGC機(jī)組按照分配系數(shù)進(jìn)行功率分配,實(shí)現(xiàn)了考慮深度快速變負(fù)荷的頻率控制方法與傳統(tǒng)調(diào)頻方式的配合。

引入積分平方誤差EISE指標(biāo)[13]來(lái)量化分析火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)頻率控制效果的影響,有

(2)

式中:ΔPtie,j為區(qū)域j與其他區(qū)域間的總交換功率的偏移量；p為區(qū)域總數(shù);Δfi為系統(tǒng)中第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻率偏移量；q為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。EISE指標(biāo)較小,表示系統(tǒng)的頻率控制效果較好。

3 算例分析

本文以IEEE 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為仿真研究對(duì)象,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及仿真參數(shù)見(jiàn)附錄B。為了便于研究,將其劃分成3個(gè)互聯(lián)的區(qū)域,各區(qū)域間共有4條主要的聯(lián)絡(luò)線。

3.1 在5 min時(shí)間尺度上驗(yàn)證所提方法的有效性

在Area 2中的節(jié)點(diǎn)30上接入一個(gè)額定容量為1 200 MW的風(fēng)電場(chǎng),5 min(一個(gè)調(diào)度周期)內(nèi)其風(fēng)電功率的超短期預(yù)測(cè)曲線和實(shí)際出力曲線對(duì)比見(jiàn)附錄C圖C1。由圖可知,風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)能較好地跟蹤風(fēng)電功率的大致變化趨勢(shì),可以提供準(zhǔn)確的開(kāi)關(guān)計(jì)劃。

在預(yù)測(cè)風(fēng)電功率激勵(lì)下,采用改進(jìn)調(diào)頻模式時(shí)機(jī)組7的頻率響應(yīng)曲線、Area 2的ACE曲線和機(jī)組7的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的開(kāi)關(guān)計(jì)劃如圖3所示,可知機(jī)組7計(jì)劃在232～292 s進(jìn)行一次深度快速變負(fù)荷。

圖3 預(yù)測(cè)層面的頻率、ACE曲線及制定的開(kāi)關(guān)計(jì)劃Fig.3 Frequency, ACE curve and switching scheme at predictive level

圖4給出了實(shí)時(shí)風(fēng)電功率激勵(lì)下,系統(tǒng)分別采用改進(jìn)調(diào)頻模式、常規(guī)調(diào)頻模式時(shí),機(jī)組7的頻率響應(yīng)曲線以及所有聯(lián)絡(luò)線的功率波動(dòng)情況。

圖4 實(shí)時(shí)層面兩種不同模式下的頻率和聯(lián)絡(luò)線功率對(duì)比Fig.4 Comparison of frequency and tie-line power under different modes at real-time level

仿真過(guò)程中的某些時(shí)段雖然風(fēng)電預(yù)測(cè)精度較高,卻出現(xiàn)頻率波動(dòng)仍然十分劇烈的現(xiàn)象,這是由傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)范圍跟不上實(shí)際風(fēng)電的快速波動(dòng)造成的。以127～155 s時(shí)間段為例,風(fēng)電預(yù)測(cè)與實(shí)際曲線基本重合,但是由于該時(shí)間段風(fēng)電功率的變化速率達(dá)到了每秒0.02(標(biāo)幺值),而3個(gè)AGC機(jī)組全部投入使用時(shí)的機(jī)組調(diào)節(jié)速率經(jīng)計(jì)算也僅有每秒0.007 5(標(biāo)幺值)。此時(shí)由于機(jī)組向上調(diào)節(jié)速率不足,機(jī)組輸出功率小于凈負(fù)荷功率,導(dǎo)致頻率下降,若能夠通過(guò)火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷來(lái)提升變負(fù)荷范圍和速率就可以限制頻率的進(jìn)一步惡化。由圖4(a)的仿真結(jié)果可知,在風(fēng)電功率快速向上爬坡、系統(tǒng)頻率偏差越限之前,機(jī)組7按照預(yù)測(cè)層面得到的開(kāi)關(guān)計(jì)劃,進(jìn)入了深度快速變負(fù)荷狀態(tài)且持續(xù)了1 min,使得系統(tǒng)的頻率偏差得到了很好的控制。如若系統(tǒng)采用常規(guī)調(diào)頻模式,則機(jī)組7在258～273 s這段時(shí)間內(nèi)的頻率偏差會(huì)超過(guò)0.2 Hz。圖4(b)展現(xiàn)了兩種控制方法下各區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線交換功率的波動(dòng)曲線,可見(jiàn)系統(tǒng)采用改進(jìn)調(diào)頻模式后,區(qū)域間聯(lián)絡(luò)線交換功率波動(dòng)明顯減小。由于風(fēng)電場(chǎng)在Area 2接入,因此相對(duì)其他兩個(gè)區(qū)域來(lái)說(shuō),Area 2的聯(lián)絡(luò)線交換功率的波動(dòng)幅度會(huì)更大。

為了對(duì)機(jī)組7進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)后,系統(tǒng)頻率控制能力提高的原因作進(jìn)一步分析,附錄C圖C2和圖C3分別給出了兩種模式下系統(tǒng)所有機(jī)組的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量曲線、深度快速變負(fù)荷機(jī)組(機(jī)組7)的AGC調(diào)節(jié)量曲線。由圖C2可知,除了機(jī)組7以外,其他機(jī)組在常規(guī)調(diào)頻模式和改進(jìn)調(diào)頻模式下的一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量曲線與發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的頻率變化曲線一致,這是由于其調(diào)速器的放大倍數(shù)KG一直保持不變。而機(jī)組7在進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)后,其調(diào)速器放大倍數(shù)KG由20增大為50,響應(yīng)頻率偏差的能力增強(qiáng),因此一次調(diào)節(jié)量增大。

由附錄C圖C3可知,機(jī)組7進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)后,機(jī)組的變負(fù)荷范圍更寬,可以在低于常規(guī)發(fā)電機(jī)最小技術(shù)出力(50%Pn,對(duì)應(yīng)的當(dāng)前機(jī)組出力變化量為-0.6(標(biāo)幺值))的范圍內(nèi)運(yùn)行,且最大變負(fù)荷速率由每分鐘1.5%Pn變?yōu)槊糠昼?%Pn,變負(fù)荷速率更快。若AGC的控制指令與一次調(diào)頻動(dòng)作相反,應(yīng)先保證一次調(diào)頻效果,可仿照常規(guī)機(jī)組在頻率偏差大于門(mén)檻值時(shí)對(duì)AGC控制指令進(jìn)行閉鎖來(lái)對(duì)火電機(jī)組進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的指令閉鎖。本文的門(mén)檻值取自文獻(xiàn)[15],在|Δfi|>0.04 Hz時(shí)閉鎖進(jìn)入深度快速變負(fù)荷狀態(tài)的指令,以避免調(diào)整動(dòng)作次數(shù)的增多和調(diào)整量的浪費(fèi)。

3.2 在1 h時(shí)間尺度上驗(yàn)證所提方法的有效性

算例A驗(yàn)證了在5 min這一較短的時(shí)間尺度上所提方法的有效性。本算例將在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上,尤其是在風(fēng)電功率波動(dòng)更快速、劇烈,機(jī)組深度快速變負(fù)荷多次開(kāi)關(guān)的情況下對(duì)比改進(jìn)模式的頻率控制效果。在Area 2中的節(jié)點(diǎn)30接入一個(gè)額定容量為1 500 MW的風(fēng)電場(chǎng),1 h內(nèi)其風(fēng)電功率的實(shí)際出力曲線如附錄C圖C4所示。

由于時(shí)間尺度增加到1 h,本算例需要考慮實(shí)時(shí)調(diào)度與AGC的配合,在t時(shí)刻對(duì)t+T(本文周期T取5 min)時(shí)段進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)系統(tǒng)凈負(fù)荷短期預(yù)測(cè)對(duì)上一時(shí)間尺度發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行校核和偏差修正。以煤耗量最小為目標(biāo)函數(shù),采用二次規(guī)劃法得到的各機(jī)組實(shí)時(shí)調(diào)度下的基點(diǎn)功率見(jiàn)附錄C圖C5。

圖5直觀地展現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間尺度下所提方法的頻率控制效果,采用常規(guī)調(diào)頻模式在風(fēng)電接入的1 h時(shí)間內(nèi)頻率將發(fā)生13次越限,且在風(fēng)電功率大幅度波動(dòng)的1 918～2 303 s,越限時(shí)間超過(guò)了5 min,對(duì)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定造成了很大的影響,而采用改進(jìn)調(diào)頻模式下頻率沒(méi)有發(fā)生越限的情況。常規(guī)調(diào)頻模式下EISE，con=1 589.870 6,改進(jìn)調(diào)頻模式下EISE，imp=642.638 3,亦能證明考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的頻率控制方法提高了系統(tǒng)的頻率控制能力。

圖5 實(shí)時(shí)層面兩種不同模式下的頻率響應(yīng)曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of frequency response curves under different modes at real-time level

改進(jìn)調(diào)頻模式和常規(guī)調(diào)頻模式下,注入系統(tǒng)的風(fēng)電功率相同,一般負(fù)荷因隨頻率變化而略有差異,因此系統(tǒng)的凈負(fù)荷近似相等。在這種情況下,系統(tǒng)頻率曲線波動(dòng)的差異主要受發(fā)電機(jī)有功調(diào)節(jié)量的影響。附錄C圖C6給出了系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)總出力曲線。對(duì)比可知改進(jìn)調(diào)頻模式增強(qiáng)了火電機(jī)組響應(yīng)風(fēng)電功率波動(dòng)的能力。這是由于深度快速變負(fù)荷機(jī)組在進(jìn)入深度變負(fù)荷狀態(tài)后機(jī)組變負(fù)荷范圍相對(duì)于其他機(jī)組更寬,變負(fù)荷速率也更快,如附錄C圖C7所示。

經(jīng)濟(jì)成本方面,由于風(fēng)機(jī)控制相較于儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性更佳,因此將所提改進(jìn)方法與風(fēng)電場(chǎng)的主動(dòng)控制進(jìn)行對(duì)比。風(fēng)電場(chǎng)的主動(dòng)控制以棄風(fēng)為代價(jià)換取調(diào)頻的備用容量,因此其經(jīng)濟(jì)成本即為棄風(fēng)成本。在本算例中超過(guò)調(diào)頻限額的棄風(fēng)量為9.13 MW·h,根據(jù)陸上風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)0.61元/(kW·h),1 h內(nèi)的棄風(fēng)成本為5 569元。由于冷凝水節(jié)流、供熱機(jī)組抽汽經(jīng)濟(jì)性良好,火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷進(jìn)行調(diào)頻的成本主要來(lái)自于凝汽器冷卻工質(zhì)節(jié)流功率反向調(diào)節(jié)時(shí)背壓升高對(duì)發(fā)電煤耗率的影響,機(jī)組背壓和機(jī)組負(fù)荷率變化帶來(lái)的總供電煤耗增加量為52.4 g/(kW·h)[16-17]。算例中機(jī)組進(jìn)行9次時(shí)間為1 min的反向調(diào)節(jié),增加的耗煤量為3.93 t,按煤價(jià)550元/t換算為煤耗成本為2 161.5元,因此相較于其他常用的頻率控制方法,采用火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于含風(fēng)電互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率分析模型,提出了一種考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的含風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率控制方法。采用仿真程序和實(shí)際風(fēng)電波動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)所提方法進(jìn)行了驗(yàn)證,所得結(jié)論如下。

1)利用火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力對(duì)火電機(jī)組的控制可以達(dá)到1 min級(jí),因此可以應(yīng)用于系統(tǒng)頻率控制的思想。

2)建立了保留網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并計(jì)及系統(tǒng)非線性因素的含風(fēng)電互聯(lián)電力系統(tǒng)的頻率分析模型,考慮風(fēng)電接入后給區(qū)域聯(lián)絡(luò)線交換功率帶來(lái)的波動(dòng),對(duì)ACE模型進(jìn)行了修正。

3)提出了一種考慮火電機(jī)組深度快速變負(fù)荷能力的含風(fēng)電電力系統(tǒng)頻率控制方法,仿真表明所提方法能夠從整體上提高系統(tǒng)的頻率控制能力。

本文通過(guò)設(shè)置ACE的閾值和判斷之前時(shí)刻的深度快速變負(fù)荷狀態(tài)量來(lái)考慮所提方法的經(jīng)濟(jì)性和安全性,這種處理方式在控制中是可取的,但是未能深入考慮電力系統(tǒng)與電廠機(jī)組的動(dòng)態(tài)交互特性,下一步可以建立機(jī)組層面深度快速變負(fù)荷的控制模型,在控制策略中納入更多的對(duì)機(jī)組參數(shù),如主蒸汽壓力、凝結(jié)水流量的限制來(lái)保證機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

參考文獻(xiàn)

[1] Global Wind Energy Council. Global wind statistics 2016[R]. 2017.

[2] 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).2016—2017年度全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告[EB/OL].[2017-01-25].http://www.cec.org.cn/yaowenkuaidi/2017-01-25/164285.html.

[3] KABOURIS J, KANELLOS F D. Impacts of large-scale wind penetration on designing and operation of electric power systems[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2010, 1(2): 107-114.

[4] XUE Y, TAI N. Review of contribution to frequency control through variable speed wind turbine[J]. Renewable Energy, 2011, 36(6): 1671-1677.

[5] SUN Yuanzhang, ZHANG Zhaosui, LI Guojie, et al. Review on frequency control of power systems with wind power penetration[C]// IEEE International Conference on Power System Technology, October 24-28, 2010, Hangzhou, China: 8p.

[6] BANHAM-HALL D D, TAYLOR G A, SMITH C A, et al. Flow batteries for enhancing wind power integration[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2012, 27(3): 1690-1697.

[7] 胡勇.基于汽輪機(jī)蓄能特性的大型火電機(jī)組快速變負(fù)荷控制研究[D].北京:華北電力大學(xué),2015.

[8] 林俐,鄒蘭青,周鵬,等.規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下火電機(jī)組深度調(diào)峰的多角度經(jīng)濟(jì)性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2017,41(7):21-27.DOI:10.7500/AEPS20160719005.

LIN Li, ZOU Lanqing, ZHOU Peng, et al. Multi-angle economic analysis on deep peak regulation of thermal power units with large-scale wind power integration[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(7): 21-27. DOI: 10.7500/AEPS20160719005.

[9] ZOU X, LI M, WANG W. Dispatch of wind-thermal power system containing heat storage units with fast ramping capabilities[C]// IEEE Eindhoven PowerTech, June 29-July 2, 2015, Eindhoven, Netherlands: 6p.

[10] ZHANG J, LU C, SONG J, et al. Real-time AGC dispatch units considering wind power and ramping capacity of thermal units[J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2015, 3(3): 353-360.

[11] 王琪.風(fēng)電規(guī)?；⒕W(wǎng)條件下供熱機(jī)組優(yōu)化控制研究[D].北京:華北電力大學(xué),2013.

[12] 高翔.現(xiàn)代電網(wǎng)頻率控制應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010:112-113.

[13] 倪琳娜,羅吉,王少榮.含風(fēng)電電力系統(tǒng)的頻率控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(增刊1):235-241.

NI Linna, LUO Ji, WANG Shaorong. Frequency control of power system with wind power integration[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(Supplement 1): 235-241.

[14] 李常剛,劉玉田,張恒旭,等.基于直流潮流的電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(34):36-41.

LI Changgang, LIU Yutian, ZHANG Hengxu, et al. Power system frequency response analysis based on the direct current loadflow[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(34): 36-41.

[15] 王珍意,謝一工,尹成全,等.對(duì)CPS標(biāo)準(zhǔn)下AGC與一次調(diào)頻配合問(wèn)題的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(19):22-25.

WANG Zhenyi, XIE Yigong, YIN Chengquan, et al. Research on the coordination of AGC and primary frequency regulation based on CPS[J]. Power System Protection and Control, 2009, 37(19): 22-25.

[16] 廖光明,王艷,高建強(qiáng),等.背壓變化對(duì)300 MW直接空冷機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算與分析[J].中國(guó)電業(yè)(技術(shù)版),2012(3):32-35.

LIAO Guangming, WANG Yan, GAO Jianqiang, et al. The calculation and analysis on the economical impact of back pressure change to 300 MW direct air-cooling unit[J]. China Electric Power (Technology Edition), 2012(3): 32-35.

[17] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).常規(guī)燃煤發(fā)電機(jī)組單位產(chǎn)品能源消耗限額:GB 21258—2007[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.