快速變負(fù)荷技術(shù)在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中的應(yīng)用

溫焱明

（中山嘉明電力有限公司）

0 引言

2018年8月初，國(guó)家能源局南方監(jiān)管局印發(fā)了《廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則（試行）》，確定了廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)及管理準(zhǔn)則，規(guī)定了調(diào)頻市場(chǎng)參與成員、交易要求、市場(chǎng)組織實(shí)施流程以及市場(chǎng)結(jié)算方式等。根據(jù)《規(guī)則》的內(nèi)容，機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)為影響調(diào)頻收益的關(guān)鍵指標(biāo)。隨著廣東調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展，越來(lái)越多的燃煤機(jī)組通過(guò)建設(shè)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目參與市場(chǎng)交易，其機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)已經(jīng)和燃?xì)鈾C(jī)組相當(dāng)甚至更高，燃?xì)鈾C(jī)組要中標(biāo)取得調(diào)頻收益面臨更大的競(jìng)爭(zhēng)壓力，會(huì)擠占機(jī)組原有的收益空間，造成整體調(diào)頻收益減少。為了保持機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，獲得更多的調(diào)頻輔助服務(wù)收益，提出了開(kāi)展F級(jí)燃機(jī)快速變負(fù)荷技術(shù)研究及其在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的應(yīng)用課題。

1 調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則

調(diào)頻輔助服務(wù)實(shí)際上就是通過(guò)機(jī)組AGC自動(dòng)響應(yīng)廣東區(qū)域頻率控制偏差（ACE）調(diào)整負(fù)荷來(lái)實(shí)現(xiàn)廣東電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。調(diào)頻服務(wù)分為調(diào)頻里程補(bǔ)償和容量補(bǔ)償，調(diào)頻里程補(bǔ)償納入市場(chǎng)，容量補(bǔ)償按《兩個(gè)細(xì)則》執(zhí)行，參與市場(chǎng)的機(jī)組可以拿到調(diào)頻里程補(bǔ)償，未參與市場(chǎng)的機(jī)組仍可以拿到調(diào)頻容量補(bǔ)償。調(diào)頻里程就是機(jī)組響應(yīng)AGC指令的調(diào)整里程，簡(jiǎn)單說(shuō)就是負(fù)荷波動(dòng)絕對(duì)值的總和。市場(chǎng)交易標(biāo)的就是調(diào)頻里程，交易單位為元/MW。

調(diào)頻里程收益的計(jì)算方式為：

調(diào)頻里程收益=調(diào)頻里程×出清價(jià)格×綜合調(diào)頻性能指標(biāo)平均值k。其中調(diào)頻里程是指機(jī)組參與調(diào)頻時(shí)相鄰兩點(diǎn)出力差值的絕對(duì)值之和。調(diào)頻里程反映了機(jī)組參與調(diào)頻的實(shí)際貢獻(xiàn)量。調(diào)頻輔助市場(chǎng)采取日前報(bào)價(jià)、日內(nèi)統(tǒng)一出清模式，按照調(diào)頻里程排序價(jià)格，從低到高順序依次成交，直至中標(biāo)調(diào)頻容量滿足系統(tǒng)調(diào)頻需求，最后一臺(tái)中標(biāo)機(jī)組的價(jià)格即為出清價(jià)格。調(diào)頻性能指標(biāo)K的計(jì)算公式為：

式中，調(diào)節(jié)速率K1為響應(yīng)AGC控制變化指令的速率。K1=實(shí)測(cè)速率/調(diào)頻資源分布區(qū)內(nèi)AGC平均標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率(p.u.)；為避免機(jī)組響應(yīng)AGC控制指令時(shí)過(guò)調(diào)節(jié)或超調(diào)節(jié)，K1最大值暫不超過(guò)5。響應(yīng)時(shí)間K2，指響應(yīng)AGC 控制指令的時(shí)間延遲。K2=1-（響應(yīng)延遲時(shí)間/5min）；響應(yīng)延遲時(shí)間是指AGC動(dòng)作與接到AGC命令的延遲時(shí)間。調(diào)節(jié)精度K3為響應(yīng)AGC控制指令的精度。K3=1-（調(diào)節(jié)誤差/調(diào)節(jié)允許誤差）；調(diào)節(jié)誤差指響應(yīng)AGC控制指令后實(shí)際出力值與控制指令值的偏差量，調(diào)節(jié)允許誤差為其額定出力的1.5%。

歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)P（由7日綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k歸一化處理得來(lái)），P=K/Kmax，Kmax為系統(tǒng)調(diào)頻性能指標(biāo)最好機(jī)組的K值。調(diào)頻里程排序價(jià)格：電廠報(bào)價(jià)/P，機(jī)組中標(biāo)與否就是按調(diào)頻里程排序價(jià)格從低到高出清。調(diào)頻性能指標(biāo)K大于等于0.5的機(jī)組才能采用調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的競(jìng)標(biāo)。由此可見(jiàn)，K值不僅影響機(jī)組能否中標(biāo)，同時(shí)也影響結(jié)算補(bǔ)償金額。提高K值可以提高調(diào)頻補(bǔ)償收益。由K值計(jì)算公式可見(jiàn)，可以通過(guò)提高K1、K2或K3來(lái)提高K值。

提高機(jī)組響應(yīng)時(shí)間K2及調(diào)節(jié)精度K3，二期機(jī)組響應(yīng)時(shí)間及調(diào)節(jié)精度都較好，兩個(gè)數(shù)值都接近高限值，再繼續(xù)提高K2或K3難度較大。由K值計(jì)算公式可見(jiàn)，提高K1能達(dá)到的效果是提高K2及K3的兩倍，且通過(guò)調(diào)頻輔助系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，目前機(jī)組K1值約為2.5，有較大提升空間，因此，考慮通過(guò)增加機(jī)組調(diào)節(jié)速率K1來(lái)提高某公司調(diào)頻輔助補(bǔ)償金額。提高機(jī)組調(diào)節(jié)速率K1就是要提高發(fā)電單元實(shí)測(cè)速率即發(fā)電機(jī)組的變負(fù)荷速率。同時(shí)也存在由于變負(fù)荷速率慢導(dǎo)致無(wú)法完成調(diào)頻里程的情況。當(dāng)AGC指令動(dòng)作頻繁的情況下，機(jī)組變負(fù)荷速率偏小導(dǎo)致實(shí)際負(fù)荷無(wú)法執(zhí)行完指令需要的里程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)組實(shí)際調(diào)頻里程占AGC指令里程76.5%，即有23.5%的調(diào)頻里程由于機(jī)組性能沒(méi)有完成?？梢?jiàn)，機(jī)組變負(fù)荷速率的提高也能增加調(diào)頻里程的數(shù)量。

2 快速變負(fù)荷速率值的確定

通過(guò)提高K1來(lái)提高綜合調(diào)頻性能指標(biāo)，就是要提高機(jī)組的變負(fù)荷速率，以提高K1值至最大值5為目標(biāo)，研究確定機(jī)組快速變負(fù)荷應(yīng)達(dá)到的速率值。

某電廠2×390MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組配套兩套GE的9F.03型重型燃機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)變負(fù)荷速率為21.8MW/min。統(tǒng)計(jì)機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)交易的數(shù)據(jù)，可得到綜合調(diào)頻性能指標(biāo)情況如表1所示。

表1 綜合調(diào)頻性能指標(biāo)平均值

由綜合調(diào)頻性能指標(biāo)計(jì)算公式，可推算出：

調(diào)頻資源分布區(qū)內(nèi)AGC 發(fā)電單元平均標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率(p.u.)＝21.8/2.376＝9.175。若要使K1為5，則可計(jì)算出機(jī)組速率應(yīng)達(dá)到9.175×5＝45.875MW/min。由于負(fù)荷變化初始加速和最終減速期間速率改變的遲滯性，按照機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，50MW左右負(fù)荷里程的等效遲滯時(shí)間大約為12s，則計(jì)算滿足要求的機(jī)組最大變負(fù)荷速率應(yīng)達(dá)到：45.875×（1＋12/60）＝55.05MW/min，取整數(shù)55MW/min。

按照機(jī)組最大變負(fù)荷速率5 5 M W/m i n，等效44.875MW/min代入綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K的計(jì)算公式，K2和K3采用原平均值，可計(jì)算得到對(duì)應(yīng)綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K=0.25×(2×5＋0.897＋0.799)＝2.924。可見(jiàn)，采用快速變負(fù)荷速率后，理論最大的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K=2.924已經(jīng)非常接近最大極限值3，相對(duì)于現(xiàn)K值1.611放大1.82倍?？梢允箼C(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中占據(jù)有利的優(yōu)勢(shì)地位。

機(jī)組變負(fù)荷初始階段，由于AGC指令傳輸、機(jī)械閥門調(diào)節(jié)、燃料燃燒做功等因素引起負(fù)荷變化具有少量固有時(shí)間延遲性，該時(shí)間大約為5s內(nèi)。在燃機(jī)進(jìn)入基本負(fù)荷狀態(tài)之前，快速變負(fù)荷功能應(yīng)能使機(jī)組在77MW負(fù)荷變化范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)速率達(dá)到51.92MW/min，10MW負(fù)荷變化范圍內(nèi)的折算調(diào)節(jié)速率達(dá)到37MW/min。各里程即不同負(fù)荷范圍下的對(duì)應(yīng)變負(fù)荷率如表2所示?？梢?jiàn)，即使是10MW小范圍里程的負(fù)荷變化率也可提升至37.71MW/min。

表2 快速變負(fù)荷各里程對(duì)應(yīng)變負(fù)荷速率

由變負(fù)荷速率37.71可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)K為2.664。

3 機(jī)組快速變負(fù)荷控制策略設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)組快速變負(fù)荷的負(fù)荷區(qū)間

采用OPFlex Turndown控制技術(shù)的燃機(jī)機(jī)組滿足排放要求的負(fù)荷區(qū)間是30%以上負(fù)荷，即機(jī)組燃燒系統(tǒng)進(jìn)入6.3預(yù)混運(yùn)行模式，該模式下機(jī)組投入高級(jí)模型控制算法、自動(dòng)燃調(diào)算法，燃燒穩(wěn)定性較好。因此，選擇將快速變負(fù)荷的投入的時(shí)機(jī)是燃燒系統(tǒng)進(jìn)入6.3模式，負(fù)荷區(qū)間為30%～100%額定負(fù)荷。同時(shí)，為了保證進(jìn)入6.3模式后燃燒系統(tǒng)充分預(yù)熱，保證燃燒的穩(wěn)定性和控制排放在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，要求進(jìn)入6.3模式后先在標(biāo)準(zhǔn)速率下運(yùn)行60min，此后再進(jìn)入快速變負(fù)荷模式進(jìn)行負(fù)荷的控制。

3.2 變負(fù)荷速率的設(shè)計(jì)

燃機(jī)機(jī)組在并網(wǎng)后采用轉(zhuǎn)速控制模式，負(fù)荷調(diào)節(jié)通過(guò)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)變量TNR來(lái)實(shí)現(xiàn)，該變量來(lái)自負(fù)荷增減指令邏輯，最終影響燃?xì)馊剂狭縁SR的輸出，其與燃料基準(zhǔn)FSR的關(guān)系如下式：

因此，變負(fù)荷速率要轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)變量的變化速率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。按照燃機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率4%的設(shè)定，TNR基準(zhǔn)為100%～104%，對(duì)應(yīng)0～262MW燃機(jī)負(fù)荷范圍，計(jì)算55MW/min所對(duì)應(yīng)的TNR速率為：

同時(shí)，為了滿足在某種情況下調(diào)節(jié)變負(fù)荷速率的需要，負(fù)荷變化率可手動(dòng)或通過(guò)DCS一體化進(jìn)行控制，可選擇0到最大值之間進(jìn)行設(shè)定。相應(yīng)的TNR速率值按照以上公式計(jì)算。

3.3 TCS與DCS之間的接口設(shè)計(jì)

為了進(jìn)行一體化控制，需要實(shí)現(xiàn)燃機(jī)控制系統(tǒng)TCS與聯(lián)合循環(huán)控制系統(tǒng)DCS之間對(duì)快速變負(fù)荷的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。雙方需要進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)包括6個(gè)開(kāi)關(guān)量點(diǎn)和6個(gè)模擬量點(diǎn)。

3.4 汽機(jī)負(fù)荷速率限制的處理

在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，汽機(jī)因應(yīng)力控制的需要限制燃機(jī)的負(fù)荷變化速率最大值為23MW/min。經(jīng)評(píng)估，當(dāng)汽輪機(jī)完全進(jìn)氣后，燃機(jī)滿足快速變負(fù)荷條件時(shí)，快速變負(fù)荷上升產(chǎn)生的熱應(yīng)力較低。因此，可以將該限制值在投入快速變負(fù)荷功能時(shí)改為55MW/min，從而解除汽機(jī)側(cè)對(duì)燃機(jī)變負(fù)荷速率的限制。

3.5 自動(dòng)解除快速變負(fù)荷的策略設(shè)計(jì)

在已投入快速變負(fù)荷的情況下，若出現(xiàn)任何降負(fù)荷的保護(hù)都將禁止快速變負(fù)荷發(fā)生作用，即需要自動(dòng)退出快速變負(fù)荷，并從自動(dòng)負(fù)荷控制切換到手動(dòng)控制。當(dāng)保護(hù)信號(hào)復(fù)位后，需重新預(yù)選負(fù)荷和重新投入快速變負(fù)荷并設(shè)定速率值。

3.6 自動(dòng)降低變負(fù)荷速率的條件

為保證燃燒安全和排放標(biāo)準(zhǔn)，在以下兩種情況下，需要自動(dòng)降低變負(fù)荷速率：當(dāng)機(jī)組負(fù)荷達(dá)到或接近溫控下的基本負(fù)荷時(shí)（工況下的最大負(fù)荷），變負(fù)荷速率將在基本負(fù)荷附近稍微減慢，以避免較大的瞬態(tài)燃燒溫度超調(diào)。

如果降負(fù)荷結(jié)束時(shí)處于或接近退出符合排放允許模式時(shí)，變負(fù)荷也會(huì)減小，以防止從允許排放模式退出。如果選擇的負(fù)荷值處于允許排放模式之外，則一旦超出允許排放模式，降負(fù)荷至設(shè)定點(diǎn)將以額定速率進(jìn)行。這種情況在單軸機(jī)組上容易出現(xiàn)，因?yàn)樨?fù)荷設(shè)定值通常是根據(jù)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力來(lái)執(zhí)行，當(dāng)?shù)拓?fù)荷時(shí)，由于蒸汽產(chǎn)量減少，汽輪機(jī)對(duì)機(jī)組輸出的貢獻(xiàn)大于穩(wěn)態(tài)時(shí)的貢獻(xiàn)，這意味著燃機(jī)出力暫時(shí)低于穩(wěn)態(tài)。負(fù)荷的快速變化可以使此差異相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷速率更大。

3.7 自動(dòng)投入快速變負(fù)荷策略

在DCS一體化設(shè)計(jì)中，需要由系統(tǒng)自動(dòng)判斷進(jìn)行快速變負(fù)荷的投退。鑒于燃機(jī)側(cè)接收到DCS投入快速變負(fù)荷指令會(huì)判斷是否允許投入，故DCS側(cè)主要考慮投入時(shí)機(jī)問(wèn)題，以汽機(jī)滿足快速變負(fù)荷控制為基準(zhǔn)。設(shè)計(jì)自動(dòng)投入條件為DCS側(cè)已投入負(fù)荷遠(yuǎn)方自動(dòng)控制且汽機(jī)推薦變負(fù)荷率大于21.3MW/min。以上兩個(gè)條件任一個(gè)消失則退出快速變負(fù)荷。

3.8 實(shí)際變負(fù)荷速率測(cè)算

當(dāng)負(fù)荷設(shè)定值變化率超過(guò)0.2MW/s時(shí)開(kāi)始進(jìn)行變負(fù)荷速率實(shí)時(shí)計(jì)算，當(dāng)指令與實(shí)際負(fù)荷值偏差小于3MW時(shí)停止計(jì)算，實(shí)時(shí)速率值為開(kāi)始計(jì)算時(shí)的負(fù)荷值與實(shí)時(shí)負(fù)荷值相減再除以計(jì)時(shí)時(shí)間，停止計(jì)算時(shí)鎖定速率值即為一個(gè)變負(fù)荷周期的平均變負(fù)荷速率。

3.9 鍋爐水位和高壓過(guò)熱蒸汽溫度控制

鍋爐水位控制采用三沖量控制方式，高壓過(guò)熱蒸汽溫度控制采用串級(jí)控制方式。在快速變負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)試過(guò)程中對(duì)相關(guān)控制回路的PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定，解決快速變負(fù)荷后引起的鍋爐水位和高壓主蒸汽溫度波動(dòng)大問(wèn)題，使其保持相對(duì)穩(wěn)定。

3.10 人機(jī)接口畫面設(shè)計(jì)

在燃機(jī)TCS控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)增加畫面和修改原有畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)快速變負(fù)荷的可視化監(jiān)控。TCS增加了一個(gè)獨(dú)立的畫面，除了原有的控制模式選擇按鈕，還有快速變負(fù)荷投退按鈕、變負(fù)荷速率設(shè)置框、速率值顯示、快速變負(fù)荷投入條件及其滿足情況等。DCS畫面則增加快速變負(fù)荷投退按鈕、投退情況顯示、速率值顯示等功能。

4 機(jī)組快速變負(fù)荷技術(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)試及效果

快速變負(fù)荷技術(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)試應(yīng)在充分保證機(jī)組安全的前提下實(shí)施，要充分暖機(jī)，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下逐步增加變負(fù)荷速率進(jìn)行調(diào)試。試驗(yàn)分階段進(jìn)行，分別在低負(fù)荷180 MW，中間負(fù)荷280 MW及Base load上下增減（其中Base load先減后增），增減的速率可以分低、中、高三種速率，變負(fù)荷速率由操作員在燃機(jī)新增畫面Fast Ramp中輸入，變負(fù)荷開(kāi)始后查看變化的響應(yīng)速度，檢查相關(guān)參數(shù)是否異常，每次試驗(yàn)結(jié)束應(yīng)盡量等負(fù)荷穩(wěn)定后做下一次試驗(yàn)。如果選用外部方式控制（Remote方式），變負(fù)荷速率可以由DCS側(cè)輸入并控制。

自主試驗(yàn)測(cè)試機(jī)組的最大變負(fù)荷速率從22MW/min提高到55MW/min，第三方AGC測(cè)試報(bào)告平均變負(fù)荷速率從18MW/min提高至46.8MW/min。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，根據(jù)在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易系統(tǒng)查詢到的數(shù)據(jù)，機(jī)組綜合調(diào)頻指標(biāo)K從1.6提升至2.6，調(diào)頻性能指標(biāo)排名處在全網(wǎng)前列，機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)收益有了很大提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

F級(jí)燃機(jī)快速變負(fù)荷技術(shù)充分挖掘機(jī)組自身潛能，通過(guò)低投入實(shí)現(xiàn)了參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的高產(chǎn)出。同時(shí)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷變化需求響應(yīng)速度的提高，對(duì)保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義，也為全國(guó)其他各省市在役的9F燃機(jī)機(jī)組在快速適應(yīng)市場(chǎng)需求、維護(hù)電力市場(chǎng)的安全與穩(wěn)定方面提供了有益借鑒。