“雙碳”目標下燃煤發(fā)電機組一次調頻技術分析

郭璞維，謝子碩，郭宬昊，李慶新，夏子晴，許宏鵬，王金星

(1.河北省燃煤電站污染防治技術創(chuàng)新中心(三河發(fā)電有限責任公司)，河北 廊坊 065201；2.燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島 066004；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

在配合“雙碳”戰(zhàn)略實施中，大力發(fā)展新能源發(fā)電已是大勢所趨。由于可再生能源存在反調峰問題和不確定性，拉大負荷的峰谷差，源荷雙重壓力加大了電力系統(tǒng)的調峰調頻負擔[1]；因此，大量間歇性新能源發(fā)電并網必將迫使燃煤發(fā)電機組(以下簡稱“煤電機組”)全面參與深度調峰調頻[2]。目前煤電機組仍是電網響應一次調頻的主力。一次調頻應滿足以下技術要求：①煤電機組調速系統(tǒng)轉速不等率低于5%；②煤電機組一次調頻死區(qū)不超過±0.033 Hz；③超出調頻死區(qū)范圍，電液調節(jié)型機組的響應時間不超過3 s；④超出煤電機組一次調頻死區(qū)15 s內，整個機組實際調節(jié)量需要高于75%的理論量。為此，深入探討煤電機組一次調頻技術是研究如何適應能源結構轉型的重要部分。

伴隨煤電機組參數的超超臨界化，鍋爐蓄熱能力減小，導致其調頻能力呈現出顯著下降的趨勢，在不影響供電煤耗的基礎上提高一次調頻效果的方法是當前亟待解決的問題。李國慶[3]采用直接測量頻率變化(即頻差增減量)信號的測量手段,對華北某電廠200 MW和600 MW機組完成試驗,得到優(yōu)化后的一次調頻響應時間及速度、調節(jié)質量及品質均有大幅提升的結論，并以350 MW機組為研究對象，證實了采用一次調頻分量的方法能夠同時保障調頻的穩(wěn)定性和快速響應。Amin Md Ruhul等[4]研究了一次調頻控制系統(tǒng)中電池儲能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)的應用，獲得了BESS輔助調頻能夠明顯提高其調頻響應的定量分析結果。為此，根據煤電機組自身的特性，深入探討煤電機組一次調頻性能是后續(xù)技術開發(fā)的重要基礎。例如，祝建飛等[5]研究了包括補汽閥調節(jié)、回熱系統(tǒng)及抽汽供熱等在內的一次調頻技術，陳波等[6]研究了高壓加熱器(以下簡稱“高加”)給水旁路調節(jié)方式的一次調頻控制技術，沈建峰等[7]研究了零號高加的一次調頻技術應用，均為拓寬煤電機組一次調頻手段進行了有意義的探索。本文以我國“雙碳”政策導向為背景，結合當前煤電機組一次調頻技術特點和應用現狀，提出未來發(fā)展方向以及相關建議。

1 一次調頻技術

目前，一次調頻技術主要包括汽輪機數字電液控制(digital electric-hydraulic control，DEH)側一次調頻技術、機爐協(xié)調控制系統(tǒng)(coordination control system，CCS)側一次調頻技術、高壓調節(jié)閥節(jié)流技術、回熱抽汽調頻技術、凝結水節(jié)流技術及儲能調頻技術等。

1.1 DEH側一次調頻技術

DEH側一次調頻技術是指將汽輪機實際轉速與其額定轉速之差作為功率信號補償或流量補償，進而達到調節(jié)頻率的作用，其工作原理如圖1所示?？抡裑9]分別對330 MW和680 MW煤電機組進行了DEH側一次調頻方案分析，發(fā)現修改DEH控制邏輯能夠順利保證機組并網帶負荷，同時汽輪機高壓調節(jié)閥具有一定的調節(jié)余量。該調頻方式能夠及時控制調節(jié)閥開度，在頻率穩(wěn)定條件下保證機組平穩(wěn)性和安全性。

圖1 DEH側一次調頻控制結構Fig.1 Structure of primary frequency modulation control at DEH side

1.2 CCS側一次調頻技術

CCS是將鍋爐和汽輪機看作一個單元整體，其一次調頻原理為當轉速差值超過調頻死區(qū)后，通過調控鍋爐的燃燒量、給水量和風量等參數完成調頻指令[10]，其運行原理如圖2所示。張鍔等[11]對某350 MW超臨界機組進行研究，發(fā)現對機組進行取消CCS側一次調頻指令回路的滯后功能塊等優(yōu)化，能夠有效滿足調頻需求。丁寧等[12]仿真分析了DEH、CCS單獨作用時和協(xié)同作用時的一次調頻動態(tài)過程，發(fā)現DEH和CCS協(xié)同一次調頻效果最佳，該調頻方式能夠使負荷升降過程時間不超過10 s，并保證負荷變化迅速而不過調。

圖2 CCS側一次調頻控制結構Fig.2 Structure of primary frequency modulation control at CCS side

1.3 高壓調節(jié)閥節(jié)流技術

作為應用最廣泛的技術之一，高壓調節(jié)閥節(jié)流技術的原理是當電網頻率偏差超過電網頻率死區(qū)后，通過調節(jié)高壓調節(jié)閥開度來快速調整機組功率，與此同時，再通過CCS調節(jié)燃燒量、給水量等參數使機組維持穩(wěn)定運行。為此，一般高壓調節(jié)閥在正常運行時需要保留一定的節(jié)流量用以響應一次調頻。例如，劉永林等[13]分析了某600 MW超臨界汽輪機在不同高壓調節(jié)閥閥序運行下的能耗以及重疊設定方法，發(fā)現：優(yōu)化后，高壓缸效率提升且熱耗率降低；當開度增加45%左右，該調頻方式能夠使機組在60 s內增加負荷約10 MW。

1.4 回熱抽汽調頻技術

回熱抽汽調頻技術是利用回熱系統(tǒng)抽汽效應參與機組一次調頻，通過調整回熱抽汽量調控汽輪機汽缸中的蒸汽流量，從而改變機組功率實現負荷調節(jié)。例如，張小敏等[14]研究某300 MW機組在高負荷工況下回熱系統(tǒng)抽汽效應對機組調頻的影響，提出可通過關閉抽汽逆止閥來提高汽輪機功率。

1.5 凝結水節(jié)流調頻技術

凝結水節(jié)流調頻是以凝結水流量為變量參數調節(jié)低壓抽汽量，從而快速變負荷來進行機組調頻，其工作原理如圖3所示。當需要升負荷時，減小凝結水流量，低壓加熱器抽汽量減少，汽輪機做功增加從而快速提升機組負荷；需要降負荷時過程則與之相反。凝結水節(jié)流調頻在燃料響應延遲等情況下仍能快速響應機組負荷需求變化，同時降低節(jié)流損失，提高了經濟性[15]。楊巍等[16]設計了凝結水節(jié)流串級控制系統(tǒng)，同時結合某1 000 MW機組進行仿真研究，發(fā)現該系統(tǒng)可提高機組的升負荷速率且除氧器水位變化較小，調頻能力明顯提高。該調頻方式能使機組的變負荷速率提升1倍以上，顯著提高了其可調能力[17]。

圖3 凝結水節(jié)流調頻原理Fig.3 Condensate throttling frequency modulation schematic

1.6 儲能調頻技術

由于儲能技術的迅速發(fā)展，各電廠不斷改造、接入儲能調頻系統(tǒng)來提高電力系統(tǒng)的調頻能力。蓄電儲能調頻具有響應快等特點，可在系統(tǒng)調頻中發(fā)揮重要作用[18]，已有研究證實了其參與一次調頻的有效性。如Knap等[19]研究了2種典型的儲能模式(下垂和慣性控制模式)參與一次調頻控制策略等相關問題，論證了儲能電池應用于機組調頻。該調頻技術能夠提高綜合調頻性能達3倍以上，具有更高的經濟性和安全性。

1.7 一次調頻技術對比

綜上所述可知：DEH側和CCS側調頻技術協(xié)同作用下調頻效果更加顯著，其經濟性在于采用自動控制(反饋)系統(tǒng)，更加省時省力；高壓調節(jié)閥節(jié)流技術和回熱抽汽技術具有良好的負荷調節(jié)能力；凝結水節(jié)流技術能夠滿足機組的快速變負荷，快速響應機組的調頻需求，同時具有一定的節(jié)能效果，有良好的經濟性；在大量可再生能源并網的情況下儲能調頻技術的調頻能力和經濟效益有巨大的優(yōu)勢，而儲能調頻技術與其他技術相耦合，將成為既具有良好經濟性又具有極好調頻能力的關鍵技術[20]。不同的一次調頻技術有著不同的優(yōu)缺點，具體情況見表1。

表1 一次調頻技術對比Tab.1 Comparison of primary frequency modulation technologies

2 一次調頻技術的應用現狀

一次調頻是保證電網有功功率動態(tài)平衡的重要手段。在進行一次調頻時，應主要關注其轉速不等率、轉速死區(qū)、限幅和運投范圍4個參數，根據不同的情況進行設定。表2呈現了幾組典型的一次調頻技術應用，其中零號高加是超超臨界參數煤電機組熱力系統(tǒng)具有的特點，不同于系統(tǒng)中其他各級回熱加熱器，其回熱抽汽管路上配置的是液動或氣動調節(jié)閥。采用零號高加抽汽調頻時，可通過抽汽調節(jié)閥的快速動作改變抽汽量，抽汽量暫態(tài)變化導致汽輪機做功能力發(fā)生變化，從而在短時間內快速改變機組負荷，待調頻結束后再逐步恢復原有抽汽量。煤電機組一次調頻具有較高的線性度、較高的控制精度，同時閥門遲緩率比較低，且不同的機組容量適應的調頻方案也有所差異。

表2 一次調頻技術的應用現狀Tab.2 Application status of primary frequency modulation technologies

2.1 一次調頻技術的難點與技術瓶頸

自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)指令響應的滯后性導致了電網難以實時地控制與調整機組的一次調頻。李元元等[24]以600 MW機組作為實驗對象預測電網的一次調頻補償能力，結果發(fā)現偏差量在第3 s時達到峰值，隨后逐漸減小。徐彤等[25]從優(yōu)化汽輪機運行參數出發(fā)，提出了針對汽輪機參數優(yōu)化的一次調頻補償方案，通過實驗發(fā)現調頻質量有較高的提升。除上述難點外，現有的一次調頻控制策略不能滿足機組不同參數下一次調頻的響應能力，原因是：①煤電機組的實際工況和運行參數一直在變化，致使一次調頻響應幅度不夠或調節(jié)過大；②一次調頻的變化幅度是在機組的額定參數下的一個響應，但在實際運行過程中，受實際工況的限制，機前壓力往往達不到要求[26]。

2.2 解決一次調頻技術問題的策略與辦法

在解決一次調頻技術問題時可以從以下幾個方面考慮[27]：①提高信號采集精度。適當減小頻率信號的量程能夠得到較高精度的頻率信號，而采用高精度頻率源可以提高機組的響應速度[28]。②避免壓力反調或AGC反調。對于壓力反調，可以在壓力控制回路中設置適當增大的壓力偏差死區(qū)來避免壓力反調；對于AGC反調，要及時完善一次調頻邏輯，優(yōu)化機組協(xié)調控制參數，也可以在一次調頻動作時閉鎖AGC指令變化[29]。③“快動緩回”一次調頻策略。通過閉鎖或限制與電網頻差反向的調頻作用為電網貢獻更多的調頻電量，從而提高電網頻率的控制品質，解決由于調頻裝置劇烈振蕩而產生的功率振蕩問題[30]。④減少回熱或供熱抽汽。為解決低頻下一次調頻變負荷能力需求，通過減少高(低)壓加熱器或熱網所用的抽汽來快速增加機組負荷[5]，常用的方法有凝結水節(jié)流、高加旁路控制、直接抽汽調節(jié)等幾種，但需避免調節(jié)閥動作過于頻繁，該方法適合頻差較大時的一次調頻策略。⑤利用超級電容輔助機組調頻。該技術利用超級電容相對于鋰離子電池儲能更加適合輔助煤電機組較高頻次的一次調頻響應的特點，在顯著減小汽輪機高壓調節(jié)閥節(jié)流損失、降低機組煤耗1.0 g/kWh的基礎上，將機組的一次調頻響應能力提升10%～70%[31]。⑥儲能調頻控制靈活，響應快速。機組耦合儲能調頻系統(tǒng)可以大幅提高調頻性能，增加調頻收益，具有良好的經濟性與市場前景[32]。

2.3 當下一次調頻技術的不足

煤電機組的一次調頻控制功能必須滿足能夠實現穩(wěn)定控制方面的要求。當前我國一次調頻技術主要存在的問題[24]包括以下幾點：①控制系統(tǒng)某些參數(例如不等率、頻差函數等)調節(jié)效果不理想，調頻動作不具備及時性、準確性；②部分機組AGC功能與一次調頻系統(tǒng)協(xié)調配合無法達到有效協(xié)調作用，造成負荷響應不足及響應速率慢，很難持續(xù)性實施；③機組一次調頻補償能力與機組參數設置和運行狀態(tài)有關，電網并不具備實時控制能力；④機組一次調頻測量信號精度較低，同源頻率測量能力差，不具備根據機組所處的電網頻率變化的差異和機組的特性進行死區(qū)及變速率的修正的能力。上述問題導致一次頻率控制過程中功率不平衡，降低了電網頻率的穩(wěn)定性，無法有效保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行。

2.4 可用于一次調頻的潛在應用技術

煤電機組一次調頻響應速度對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定至關重要。根據煤電機組的實際運行情況及自身特有的性能，完善一次調頻與協(xié)調的邏輯功能并進行優(yōu)化，可以使機組達到高效安全穩(wěn)定的運行狀態(tài)，同時還能取得良好的經濟效益。例如，王琦等[33]研究高風電滲透率電力系統(tǒng)的煤電機組一次調頻策略，發(fā)現動態(tài)一次調頻控制策略能夠有效減小風電功率隨機波動對系統(tǒng)頻率造成的影響，當系統(tǒng)對風電功率波動的調頻響應能力不足時，增加所有機組的一次調頻能力，可以提高系統(tǒng)對風電功率隨機波動的動態(tài)響應能力。李華等[28]采用高精度頻率變送器采集的頻率信號作為煤電機組一次調頻信號源，相較于原來的轉速信號，能夠明顯提高一次調頻動作合格率。丁寧等[12]研究認為，DEH側和CCS側協(xié)同一次調頻效果最佳，通過增加主蒸汽調節(jié)閥節(jié)流提升滑壓設定壓力，是提升機組一次調頻能力最直接有效的方法。蔡靈娟等[34]通過對機組的流量特性、協(xié)調靜態(tài)參數、動態(tài)參數，以及影響一次調頻有關的邏輯進行優(yōu)化研究，發(fā)現該方式既保證機組安全經濟運行，又能使機組能快速有效響應一次調頻的預期要求。宋崇明等[35]探討不同蓄熱裝置配置方案對機組一次調頻性能的影響，進行機組一次調頻動態(tài)仿真，研究結果表明，無論在棄風棄光時段還是非棄風棄光時段，配置蓄熱電鍋爐都能夠增加機組的一次調頻能力。

3 一次調頻技術的研究展望

3.1 一次調頻政策的導向

國家標準GB/T 40595—2021《并網電源一次調頻技術規(guī)定及試驗導則》指明未來一次調頻技術將在動態(tài)性能、轉速不等率、死區(qū)限制等方面發(fā)力，而隨著新能源發(fā)電的并網和儲能技術的快速發(fā)展，新能源發(fā)電和儲能電站同樣需要進行一次調頻。目前，對于可再生能源發(fā)電的一次調頻技術的研究仍處于起步階段，這意味著未來在可再生能源與儲能領域，一次調頻技術依然有較大的發(fā)展空間。而對于煤電機組，在“雙碳”目標的指導下，借助一次調頻技術對機組進行靈活改造已是一個熱門的研究方向。

3.2 旁路調頻的應用潛力

高加旁路調頻作為機組靈活運行的調頻策略之一，在未來具有較大的調頻潛力，可作為輔助方式在緊急情況下大幅度加強電網內機組的調頻能力。其中，高加旁路調頻本質上利用了高壓抽汽和省煤器的蓄熱能力。陳波等[6]針對高加旁路全開狀態(tài)下機組的負荷響應特性、省煤器進出口給水溫降及其蓄熱利用效率，開展高加旁路參與一次調頻運行邊界條件探討，認為有高加旁路參與的一次調頻技術，是一種充分利用省煤器蓄熱的節(jié)能型一次調頻方法。李文杰等[8]對高加旁路系統(tǒng)設置給水調頻技術進行實驗研究，發(fā)現高加旁路調頻方式能夠在保證機組安全性的前提下，有效提高運行經濟性。荊雨田等[36]分別對機組采用高加旁路調頻、補氣閥調頻、凝結水節(jié)流調頻的特性進行研究對比，確定相比于其他2種調頻方式，高加旁路調頻具有適應性強、負荷響應快等特點。

總體來說，旁路調頻系統(tǒng)一次調頻技術的運用，是特高壓電源接入電網后，機組提升負荷調節(jié)靈活性的重要手段，是特高壓受端電網在應對重大節(jié)點保證電力供應和電能品質的重要途徑。

3.3 多儲能耦合輔助調頻的應用潛力

儲能系統(tǒng)(蓄電、飛輪、超級電容器等電能轉換系統(tǒng))具有反應時間短、調節(jié)速率高、調節(jié)精度高以及可雙向調節(jié)的特點，是一種優(yōu)質的調頻方式。儲能輔助煤電機組調峰具有明顯的技術優(yōu)勢，但目前仍亟需合理的儲能參與輔助服務補償機制，以激發(fā)大規(guī)模儲能在電力系統(tǒng)中的應用。肖春梅[37]利用電儲能提升煤電機組調頻性能的工作原理，研究在火電廠加裝BESS參與AGC調頻。增加儲能系統(tǒng)在技術方案的選擇上具有普遍適用性，儲能系統(tǒng)聯合機組參與深度調峰的同時參與調頻輔助服務，能夠有效提升機組的調節(jié)性能和調節(jié)速率，提升煤電機組的調頻質量和指標(K值)，使之獲得了更長的機組輔助服務里程，更大的AGC補償收益、調峰收益、深度調峰收益和調頻輔助服務收益。王琦等[38]綜合考慮區(qū)域電網的負荷需求和BESS的荷電狀態(tài)之間的關系，提出了BESS輔助煤電機組參與調頻的控制策略，通過仿真發(fā)現，采用多變量模糊控制方法控制BESS的輸出功率，可以改善系統(tǒng)調頻的動態(tài)性能。曲彤等[39]在分析儲能系統(tǒng)、風電機組、煤電機組調頻特性的基礎上，提出了風儲火聯合調頻策略，通過仿真實驗發(fā)現，分頻調節(jié)可以充分利用不同調頻源對頻率的響應速度不同，來對頻率進行快速響應，降低系統(tǒng)的波動性。王琦[40]對火電聯合調頻研究發(fā)現，煤電機組配置電化學儲能系統(tǒng)，可顯著提高機組的AGC性能指標，獲取可觀的經濟收益。李軍徽等[41]針對高風電滲透率對電力系統(tǒng)調峰帶來的問題，提出一種儲能輔助煤電機組深度調峰的分層優(yōu)化調度方法，發(fā)現儲能系統(tǒng)參與電力系統(tǒng)調峰可以有效降低系統(tǒng)總調峰成本，并且在壽命周期內，儲能系統(tǒng)自身可以基本達到經濟平衡。

3.4 一次調頻技術的發(fā)展動態(tài)

圖4呈現了自2017年以來一次調頻技術的發(fā)展動態(tài)。初期的綜合閥位前饋控制對一次調頻動態(tài)特性形式多樣性難以精確測量，容易造成過補償或欠補償。為了補償前饋調節(jié)的不準確，在技術發(fā)展后期產生了前饋反饋控制系統(tǒng)(由前饋和反饋控制系統(tǒng)結合而成)、凝結水節(jié)流調頻技術、風電場協(xié)同調節(jié)控制策略、儲能參與一次調頻的技術優(yōu)化等方式輔助一次調頻技術發(fā)展；然而，上述的調頻技術仍需以煤電機組自身的調頻性能為主導，在此基礎上進一步實現輔助調頻優(yōu)化。

圖4 2017-2021年一次調頻技術發(fā)展概述Fig.4 An overview of primary frequency modulation developments in 2017-2021

未來一次調頻技術發(fā)展趨向于向多機組聯合調頻、儲能系統(tǒng)輔助調頻技術的方向發(fā)展，以求實現優(yōu)化一次調頻技術本身的負載能力、響應速度。馬駿超等[42]采用儲能調頻策略，顯著提高了系統(tǒng)的抗波動性和經濟性；沈建峰[7]設計零號高加參與的一次調頻方式，其具備了一定的快速負荷響應能力，參與調頻時對系統(tǒng)的擾動較小，常態(tài)化應用風險可控，使降低主汽調節(jié)閥節(jié)流損失成為可能，對配備零號高加的發(fā)電機組具有較好的推廣應用價值；顏湘武等[43]提出基于轉子動能與超級電容器儲能的協(xié)調頻率控制策略；何林軒等[44]利用MATLAB/Simulink軟件分析在階躍擾動和連續(xù)擾動情況下有無飛輪儲能參與時系統(tǒng)的調頻效果及調頻資源的出力情況，發(fā)現采用飛輪儲能輔助一次調頻可以減少電力系統(tǒng)頻率偏差變化量和聯絡線上交換功率的變化范圍，并且減輕煤電機組調頻負擔，減小煤電機組輸出功率的變化范圍，延長機組壽命。

另一方面則是結合當前已有的科技，在原有的基礎上對一次調頻技術進行優(yōu)化，例如通過模擬實驗[45]研究BESS對電力系統(tǒng)功率因數校正(power factor correction，PFC)的潛在影響。通過模擬結果確認，只要適當控制頻率并安裝足夠的容量，BESS就可以減少頻率的波動。

綜上所述可知：機組自身調頻特性仍是深挖發(fā)電機組一次調頻能力的基礎，同時對熱力系統(tǒng)中汽水管路結構的改造也是針對性提高機組調頻性能的有效手段(已有研究[8]證實了改造旁路能夠明顯改善機組的負荷響應特性)；與此同時，在保持機組負荷響應快、調節(jié)幅度大、邊界限制條件少等優(yōu)良特性基礎上，通過優(yōu)化運行控制策略，可有效提高機組的運行經濟性；虛擬下垂控制、慣性控制等控制模式[46-49]的研究，在理論上證實了通過優(yōu)化運行策略改善機組調頻需求可行性；儲能技術的發(fā)展為輔助機組一次調頻需求提供了新的途徑，各儲能技術(包括飛輪儲能技術[44]、壓縮空氣儲能技術[50]等)與煤電機組的耦合調頻研究，均展現了其耦合應用的潛力。

4 結束語

基于我國“雙碳”目標政策導向背景，煤電機組大都承擔調峰調頻的任務，因而對煤電機組一次調頻的研究逐漸受到關注。本文首先結合當前煤電機組的調峰需求情況進行綜述；然后，就煤電機組一次調頻技術的分類及原理進行分析，同時總結了近年一次調頻技術的技術方案、相關參數、優(yōu)化效果等方面，以及一次調頻技術的應用現狀；最后，對一次調頻技術未來發(fā)展方向進行合理的預測分析，提出2021年之后的調頻技術會更多采用蓄電調頻、飛輪儲能調頻和多機組協(xié)同調頻，為煤電機組一次調頻技術提出相關可行性建議。期望本文所做的分析可為燃煤發(fā)電機組一次調頻提供借鑒。