電力市場環(huán)境下凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制策略研究及實(shí)施

夏 榮，陶 鑫，陳歡樂，楊 康

（1.國家電投集團(tuán)江蘇電力有限公司，南京 210000；2.國家電投集團(tuán)協(xié)鑫濱海發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224500；3.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

0 引言

隨著當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)變化和電力輔助服務(wù)（調(diào)頻）市場的發(fā)展，提高國內(nèi)現(xiàn)役發(fā)電機(jī)組效率，保證電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高電網(wǎng)和并網(wǎng)電廠之間的網(wǎng)源協(xié)調(diào)能力，成為當(dāng)前電力行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)之一[1]。如今，大容量超（超）臨界燃煤發(fā)電機(jī)組已成為區(qū)域電網(wǎng)的主力機(jī)組，但超（超）臨界機(jī)組受鍋爐系統(tǒng)能量生產(chǎn)過程的大延遲慣性和鍋爐可利用蓄能相對不足的影響，在電網(wǎng)快速大幅負(fù)荷響應(yīng)工況下和電力輔助服務(wù)市場化背景下，其實(shí)際變負(fù)荷響應(yīng)性能較難滿足廠網(wǎng)要求[2]。

江蘇省電力現(xiàn)貨市場于2020年7月開展輔助服務(wù)調(diào)頻（AGC）市場建設(shè)，目前調(diào)頻輔助服務(wù)市場在保障電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，優(yōu)化調(diào)頻資源配置，促進(jìn)電源側(cè)調(diào)頻能力提升以及培育主體市場意識等方面凸顯重要作用。當(dāng)前江蘇電力市場在運(yùn)行結(jié)算中仍然采用發(fā)電側(cè)“零和”模式，發(fā)電企業(yè)在輔助服務(wù)市場中的利潤由輔助服務(wù)收入減去輔助服務(wù)分?jǐn)傎M(fèi)用得到。按照《江蘇電力輔助服務(wù)（調(diào)頻）市場交易規(guī)則》規(guī)定，調(diào)頻市場中根據(jù)“七日綜合調(diào)頻性能指標(biāo)/調(diào)頻報(bào)價(jià)”由高到低進(jìn)行排序出清，且最終調(diào)頻調(diào)用補(bǔ)償由調(diào)頻里程、調(diào)頻性能和調(diào)頻報(bào)價(jià)乘積決定。因此，可以看出調(diào)頻性能對火電機(jī)組在調(diào)頻市場中的收益起決定性作用，如何提升發(fā)電機(jī)組調(diào)頻性能，如何在電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場中獲取更高的調(diào)頻效益，已經(jīng)成為擺在發(fā)電企業(yè)面前的重要課題[3]。

本文研究凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制策略，在機(jī)組原有AGC調(diào)頻控制基礎(chǔ)上，通過判斷機(jī)組運(yùn)行工況和在調(diào)頻市場中的實(shí)際調(diào)頻需求，利用回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能輔助提升機(jī)組AGC調(diào)頻響應(yīng)能力，提升機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)，幫助機(jī)組獲取更多的調(diào)頻市場收益。

1 火電機(jī)組調(diào)頻市場現(xiàn)狀

1.1 江蘇省調(diào)頻性能指標(biāo)計(jì)算方法

目前，江蘇省調(diào)頻性能指標(biāo)的計(jì)算由省電力調(diào)度中心負(fù)責(zé)。機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)Kp主要涉及AGC調(diào)節(jié)速度和調(diào)節(jié)精度兩個(gè)方面，單次AGC指令的調(diào)頻性能指標(biāo)計(jì)算方法為：

燃煤火電機(jī)組調(diào)頻報(bào)價(jià)依據(jù)是“七日綜合調(diào)頻性能指標(biāo)”，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)計(jì)算方法為：

式（2）中：K ip為機(jī)組i的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；D+i,j為機(jī)組i第j次AGC指令的正向調(diào)頻里程；n為機(jī)組i運(yùn)行期間內(nèi)被AGC調(diào)用的次數(shù)。

1.2 典型火電機(jī)組調(diào)頻現(xiàn)狀

以江蘇電網(wǎng)內(nèi)某1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組為研究對象，分析其日常參與調(diào)頻市場運(yùn)行狀況。該機(jī)組正常參與江蘇調(diào)頻輔助服務(wù)市場運(yùn)營，AGC變負(fù)荷速率能夠滿足1.5%Pe（額定負(fù)荷）/min要求。根據(jù)式（1）可知，該變負(fù)荷速率下的理論最佳調(diào)頻性能指標(biāo)為4。但限于機(jī)組鍋爐整體蓄能不足，以及劣質(zhì)煤摻燒、鍋爐壁溫的超溫干預(yù)等因素影響，對機(jī)組參與AGC調(diào)頻過程完整評價(jià)下，機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)較低。其綜合調(diào)頻性能指標(biāo)在輔助服務(wù)（調(diào)頻）市場中標(biāo)的情況下為3.6左右，不中標(biāo)時(shí)為3.1左右。該機(jī)組2021年11月22日～29日的每日綜合調(diào)頻性能數(shù)據(jù)如圖1所示。且隨著調(diào)頻市場深入實(shí)施，機(jī)組AGC調(diào)頻調(diào)用補(bǔ)償逐月減少，中標(biāo)的天數(shù)及價(jià)格也愈來愈低，甚至出現(xiàn)調(diào)頻調(diào)用補(bǔ)償小于分?jǐn)偠斐伞疤潛p”的狀況。

圖1 1000MW機(jī)組每日綜合調(diào)頻性能數(shù)據(jù)Fig.1 1000MW Unit daily comprehensive frequency modulation performance

為增加發(fā)電機(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中的整體收益，需要進(jìn)一步提升機(jī)組AGC調(diào)頻性能指標(biāo)。其中，回?zé)嵯到y(tǒng)存儲有部分可利用蓄能，可以作為機(jī)組功率變化的補(bǔ)充手段。本文考慮將回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能應(yīng)用至AGC調(diào)頻控制中，利用回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能加快AGC調(diào)頻響應(yīng)速度，提升機(jī)組綜合調(diào)頻響應(yīng)性能和整體調(diào)頻收益。

2 凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制

利用回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能參與發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻控制已有相關(guān)研究和應(yīng)用，但AGC調(diào)節(jié)與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)存在較大差異，凝結(jié)水輔助參與AGC調(diào)頻控制中如何解決AGC指令頻繁變化、鍋爐蓄能與回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能高效協(xié)同控制，以及回?zé)嵯到y(tǒng)AGC調(diào)頻過程中如何維持安全控制等問題成為研究和應(yīng)用實(shí)施關(guān)鍵點(diǎn)。通過研究凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制策略解決上述控制難題，提升機(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中的整體調(diào)頻性能。

2.1 凝結(jié)水調(diào)頻控制原理

以鍋爐出口主蒸汽為基準(zhǔn)點(diǎn)，其一部分能量將在汽輪機(jī)內(nèi)做功轉(zhuǎn)換為電能，一部分將在凝汽器內(nèi)成為冷源損失被循環(huán)水帶走，而另一部分流回汽輪機(jī)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)，轉(zhuǎn)變?yōu)榻o水焓被循環(huán)利用，凝結(jié)水調(diào)頻利用的即是這部分能量。通過改變凝結(jié)水流量，利用加熱器熱平衡特性，間接改變加熱器的抽汽流量，從而快速改變機(jī)組功率輸出[4]。

凝結(jié)水輔助調(diào)頻有別于傳統(tǒng)CBF協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和基于凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷的節(jié)能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[5]，其在不改變機(jī)組原有協(xié)調(diào)控制框架基礎(chǔ)上，增設(shè)凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制功能；完善協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，使AGC調(diào)頻控制系統(tǒng)與凝結(jié)水輔助調(diào)頻協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)性能最大化，其控制原理如圖2所示。

圖2 凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制原理圖Fig.2 Condensed water auxiliary AGC control schematic diagram

2.2 凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制

火電機(jī)組參與AGC調(diào)頻市場運(yùn)行時(shí)，以利用鍋爐蓄能調(diào)頻控制為主，通過判斷機(jī)組能量狀態(tài)和AGC調(diào)頻響應(yīng)需求，按需利用機(jī)組低壓回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能輔助參與調(diào)頻控制。當(dāng)機(jī)組能量狀態(tài)無法滿足調(diào)頻響應(yīng)需求時(shí)，觸發(fā)輔助調(diào)頻請求，凝結(jié)水輔助調(diào)頻系統(tǒng)快速改變凝結(jié)水流量，改變低壓回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽流量，輔助改變汽輪機(jī)功率輸出，輔助提升機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)性能。判斷條件如下所示：①AGC單方向連續(xù)指令變化幅度超過閾值，發(fā)生大幅AGC調(diào)頻工況；②鍋爐能量狀態(tài)偏離機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)需求：AGC加負(fù)荷工況下，鍋爐初始能量狀態(tài)偏低；AGC減負(fù)荷工況下，鍋爐初始能量狀態(tài)偏高；③大幅AGC單向調(diào)節(jié)后的反方向AGC調(diào)節(jié)。

預(yù)估機(jī)組鍋爐能量狀態(tài)無法滿足快速調(diào)頻需求時(shí)，觸發(fā)凝結(jié)水輔助調(diào)頻請求信號。將調(diào)頻指令折算成凝結(jié)水流量設(shè)定值偏置，通過除氧器上水調(diào)閥對除氧器水位控制回路作用，快速改變凝結(jié)水流量，間接改變低壓回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽流量，快速改變汽輪機(jī)功率輸出。其中，調(diào)頻加負(fù)荷需求時(shí)，凝結(jié)水流量設(shè)定值偏置為負(fù)，除氧器上水調(diào)閥關(guān)小，凝結(jié)水流量降低；調(diào)頻減負(fù)荷需求時(shí)，凝結(jié)水流量設(shè)定值偏置為正，除氧器上水調(diào)閥開大，凝結(jié)水流量增加。

圖3 凝結(jié)水系統(tǒng)調(diào)頻控制策略Fig.3 Condensed water system AGC control strategy

當(dāng)機(jī)組功率輸出達(dá)到AGC指令響應(yīng)需求，或者除氧器水位、凝結(jié)水流量、凝結(jié)水壓力等參數(shù)達(dá)到安全邊界時(shí)，凝結(jié)水輔助調(diào)頻功能退出。其中，機(jī)組功率輸出達(dá)到調(diào)頻響應(yīng)需求工況下，凝結(jié)水系統(tǒng)的調(diào)頻指令按照預(yù)設(shè)的速率恢復(fù)至0，凝結(jié)水輔助調(diào)頻功能逐步退出，后續(xù)調(diào)頻功率輸出由機(jī)組機(jī)爐系統(tǒng)提供；除氧器水位、凝結(jié)水流量、凝結(jié)水壓力等參數(shù)達(dá)到安全邊界時(shí)，凝結(jié)水輔助調(diào)頻功能直接退出。

2.3 凝結(jié)水輔助調(diào)頻安全控制

凝結(jié)水參與機(jī)組AGC輔助調(diào)頻控制過程中，導(dǎo)致凝結(jié)水流量大幅且快速地變化，將直接影響到除氧器、低加和凝汽器等凝結(jié)水系統(tǒng)和設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]，為此需要針對性開展保護(hù)控制。

1）對低加常疏、危疏、疏水泵控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，包括增加凝結(jié)水流量至低加常疏的前饋環(huán)節(jié)，優(yōu)化常疏、危疏調(diào)門的PID參數(shù)，修改低加疏水泵變頻設(shè)定等。此外，需對低加的保護(hù)、控制定值進(jìn)行梳理和調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)低加水位在凝水流量大幅波動時(shí)的平穩(wěn)控制，避免危疏開啟和低加保護(hù)動作。

2）凝結(jié)水系統(tǒng)平衡控制。凝結(jié)水輔助調(diào)頻過程是凝結(jié)水流量在除氧器和凝汽器間工質(zhì)轉(zhuǎn)移的過程，雖然除氧器和凝汽器水位波動較大，但凝結(jié)水系統(tǒng)總的凝結(jié)水量基本保持不變。因此，為了防止凝結(jié)水調(diào)頻過程中凝汽器水位的暫態(tài)降低，引起補(bǔ)水閥動作，而增加系統(tǒng)總水量，采用除氧器和凝汽器水位平衡控制方式，凝汽器補(bǔ)水閥將控制除氧器與凝汽器的加權(quán)水位，維持凝結(jié)水系統(tǒng)總的凝結(jié)水量平衡。

3 凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制實(shí)施

以上述1000MW超超臨界機(jī)組為試驗(yàn)對象，開展凝結(jié)水輔助AGC調(diào)頻控制策略的優(yōu)化實(shí)施。

為實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水輔助調(diào)頻功能，需對高中低負(fù)荷工況下除氧器上水調(diào)閥對機(jī)組負(fù)荷變化的特性進(jìn)行摸底試驗(yàn)。其中，750MW負(fù)荷工況下的凝結(jié)水調(diào)頻特性試驗(yàn)曲線如圖4所示。

圖4 凝結(jié)水系統(tǒng)功率響應(yīng)特性Fig.4 Condensed water system power response characteristics

由圖4可知，通過改變凝結(jié)水流量可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率的大幅變化，驗(yàn)證了凝結(jié)水參與負(fù)荷調(diào)節(jié)的可行性?；诓煌?fù)荷工況下的凝結(jié)水系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，實(shí)施凝結(jié)水輔助AGC調(diào)頻控制策略，凝結(jié)水輔助參與AGC調(diào)頻控制曲線如圖5所示。

圖5 凝結(jié)水輔助AGC調(diào)頻控制曲線Fig.5 Condensed water auxiliary AGC control curve

由圖5可知，由于凝結(jié)水系統(tǒng)參與調(diào)頻，使得變負(fù)荷初期的機(jī)組實(shí)際功率響應(yīng)加快，實(shí)際出力能夠很好地跟隨負(fù)荷指令變化，緩解了機(jī)組功率滯后于指令變化較多的情況，機(jī)組的AGC調(diào)頻性能得到一定程度的提高。凝結(jié)水輔助調(diào)頻控制系統(tǒng)投運(yùn)后，機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的綜合調(diào)頻響應(yīng)性能得到大幅提升，評價(jià)指標(biāo)達(dá)到4.5左右，大幅提升機(jī)組在調(diào)頻市場中的經(jīng)濟(jì)收益。實(shí)施后的綜合調(diào)頻響應(yīng)性能指標(biāo)情況如圖6所示。

4 結(jié)論

當(dāng)前能源變革潮流下，新能源發(fā)電裝機(jī)占比快速增加。為應(yīng)對新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動性，電網(wǎng)調(diào)度對火電機(jī)組的調(diào)頻性能提出了更高要求，并采用電力調(diào)頻輔助服務(wù)市場的方式來促進(jìn)火電機(jī)組不斷提升自身調(diào)頻性能以保障新型電力系統(tǒng)的調(diào)頻安全。但火電機(jī)組能量生產(chǎn)的大慣性延遲和自身鍋爐系統(tǒng)蓄能不足等問題，導(dǎo)致火電機(jī)組調(diào)頻性能受限。

為進(jìn)一步提升火電機(jī)組在電力市場環(huán)境下的整體調(diào)頻性能，借助機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能，采用凝結(jié)水輔助調(diào)頻的控制方式，基于機(jī)組調(diào)頻需求和能量狀況協(xié)同調(diào)用機(jī)組鍋爐系統(tǒng)和回?zé)嵯到y(tǒng)的蓄能參與調(diào)頻控制。在保證凝結(jié)水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，機(jī)組在調(diào)頻市場中的綜合調(diào)頻響應(yīng)性能得到較大提升，增加機(jī)組在電力市場中的調(diào)頻收益，為提高電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定控制能力提供助力。