電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制策略研究

劉 超，司瑞才，柳春暉，李 明

（1.國能雙遼發(fā)電有限公司，吉林 四平 136400；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021）

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設的推進，新能源裝機占比逐漸上升，火電機組占比逐漸下降，由于新能源發(fā)電的不確定性，電力系統(tǒng)調節(jié)能力明顯不足，電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定機理復雜，難以保障在極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況下的電網(wǎng)安全運行。電鍋爐儲熱裝置因調節(jié)能力快、儲能能力強，被廣泛應用于火電靈活性改造的研究和應用中，國家能源局自2016年開展火電機組靈活性改造試點項目以來，北方地區(qū)已有30多家電廠配置了電鍋爐儲熱系統(tǒng)。然而，電鍋爐儲熱裝置作為一種靈活性較高的用電負載，可以在電網(wǎng)線路故障時，快速參與協(xié)同調節(jié)，維持鍋爐、汽輪機的功率與負載平衡，使機組孤網(wǎng)帶電、熱負荷運行，避免機組停機，提高機組快速并網(wǎng)和供熱經濟性的價值并未得到充分認識，同時在解除故障后機組快速并網(wǎng)等方面的研究和應用尚未開展。

本文從帶電鍋爐運行的機組負荷平衡系統(tǒng)、機組孤網(wǎng)運行決策、負荷切換、汽輪機控制和鍋爐控制等方面進行研究，實現(xiàn)電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制功能，保障機組在電網(wǎng)故障時，能夠穩(wěn)定轉入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，有效保障居民供熱和快速恢復電網(wǎng)供電。

1 帶電鍋爐運行的機組負荷平衡系統(tǒng)

某發(fā)電廠為響應國家火電靈活性改造政策要求和地區(qū)供熱發(fā)展需要，提高新能源消納能力、機組供熱期深度調峰能力和供熱能力，配置了可實現(xiàn)快速降負荷和寬范圍變負荷的蓄熱式電鍋爐。通過對機組及電鍋爐控制策略的設計，使電鍋爐系統(tǒng)擁有常規(guī)調峰運行模式和輔助火電機組孤網(wǎng)運行模式。

1.1 常規(guī)調峰運行模式

常規(guī)調峰運行模式，主要是通過電鍋爐消耗機組發(fā)電機出口的電功率，減少上網(wǎng)負荷，在原有供熱機組降負荷速率的基礎上消耗了部分原來應該上網(wǎng)的負荷，實現(xiàn)快速降負荷。利用電鍋爐產生蒸汽彌補供熱機組減少的供熱蒸汽，保證供熱穩(wěn)定，解耦了機組部分必發(fā)電量，降低了供熱機組的發(fā)電下限，從而實現(xiàn)寬范圍降負荷。配置電鍋爐后機組系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 配置電鍋爐后機組系統(tǒng)結構

1.2 孤網(wǎng)輔助運行模式

孤網(wǎng)輔助運行模式，實質上是將電鍋爐作為一個大容量可控負荷，其功率部件能大量消耗電能，能夠在控制部件的控制下快速變負荷。當電鍋爐的容量與電網(wǎng)中的負荷沖擊容量相當時，其實時性控制在300 ms以內，電負荷平衡系統(tǒng)能夠平衡內部電網(wǎng)中的負荷沖擊。電負荷平衡系統(tǒng)對火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差進行計算，生成電鍋爐投入或切除邏輯，實現(xiàn)電鍋爐的最優(yōu)運行組合，從而實現(xiàn)機組帶電鍋爐及廠用電負荷孤島運行。

2 電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制策略

當因極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況引起火電機組孤網(wǎng)運行時，電鍋爐等儲熱裝置輔助火電機組孤網(wǎng)運行決策控制系統(tǒng)使機組主動脫離大電網(wǎng)進行自主運行，實現(xiàn)內部機組出力和電鍋爐負載供需平衡且穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)在電網(wǎng)故障時，機組穩(wěn)定轉入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，有效保障居民供熱和快速恢復電網(wǎng)供電的功能。整個過程主要分為：孤網(wǎng)運行決策模塊、負荷切換控制模塊、鍋爐控制模塊和汽輪機控制模塊。

2.1 孤網(wǎng)運行決策模塊

孤網(wǎng)運行決策模塊包括線路側開關狀態(tài)位置檢測判斷、主變壓器線路參數(shù)檢測判斷和機組運行狀態(tài)監(jiān)測判斷3個回路。孤網(wǎng)運行決策模塊，采用某廠K系列控制器，該系列控制器從信號采集、運算、控制信號輸出總時間不大于40 ms，滿足孤網(wǎng)運行決策模塊對快速性的要求［1］。

該系統(tǒng)通過實時檢測電廠與外電網(wǎng)連接開關的位置狀態(tài)及廠內2條配電線路主變壓器的電壓、電流、功率，根據(jù)孤網(wǎng)判據(jù)，自動判斷電廠是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)。當2條供電線路均出現(xiàn)故障時，觸發(fā)孤網(wǎng)運行信號，使火電機組主動斷開電廠與外電網(wǎng)的聯(lián)絡開關，并根據(jù)孤網(wǎng)前機組出力情況自動匹配電鍋爐運行方式，使火電機組能夠穩(wěn)定地帶“電鍋爐及廠用電負荷”孤島運行，從而有效保障居民供熱和快速恢復電網(wǎng)供電的功能［2］。

通過孤網(wǎng)運行決策模塊，判斷電廠是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)，判斷觸發(fā)孤網(wǎng)模式后，并將觸發(fā)信號送至機組汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（digital electric hydraulic control system，DEH）、分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）和電鍋爐控制系統(tǒng)。孤網(wǎng)觸發(fā)由以下3個條件判定。

1）條件1：線路側開關狀態(tài)位置檢測判斷回路（以下條件相“與”）。線路甲線開關處于分閘位置；線路乙線開關處于分閘位置。

2）條件2：主變壓器線路參數(shù)檢測判斷回路（以下條件相“與”）。甲、乙線功率突變量均大于啟動定值；甲、乙線電流突變量均大于啟動定值；線路故障前0.2 s，甲、乙線功率和大于有線路在運行狀態(tài)下的功率判定值，且功率方向均為正；線路故障后甲、乙線功率和小于2條線路均停運狀態(tài)下的功率判定值；甲、乙線均有兩相或三相電流值小于2條及以上線路停運狀態(tài)下的電流判定值；甲、乙線均有兩相或三相電流20 ms內突變量大于2條及以上線路電流突變電流判定值。

3）條件3：機組運行狀態(tài)判斷回路（以下條件相“與”）。油開關閉合；主蒸汽門全開；鍋爐主保護未動作。

條件1與條件2相“或”，再與條件3相“與”后，即輸出孤網(wǎng)觸發(fā)，孤網(wǎng)觸發(fā)信號通過硬接線的方式送至機組DEH、DCS和電鍋爐控制系統(tǒng)。孤網(wǎng)觸發(fā)邏輯見圖2。

圖2 孤網(wǎng)觸發(fā)邏輯

2.2 負荷切換控制模塊

負荷切換控制模塊主要是為電鍋爐運行模式判斷回路。該控制回路對火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差進行計算，通過機組出力和廠用負載的偏差，生成電鍋爐投入或切除邏輯，實現(xiàn)電鍋爐的最優(yōu)運行組合，從而實現(xiàn)機組帶電鍋爐及廠用電負荷孤島運行。具體情況如下。

1）孤網(wǎng)前電鍋爐均未運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負載，聯(lián)鎖啟動所有電鍋爐。

2）孤網(wǎng)前電鍋爐均未運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖啟動部分電鍋爐。

3）孤網(wǎng)前電鍋爐均運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負載，電鍋爐保持現(xiàn)狀運行；若火電機組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖停運部分電鍋爐。

4）孤網(wǎng)前電鍋爐未均運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖啟動部分電鍋爐；若火電機組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖停運部分電鍋爐。

2.3 鍋爐控制模塊

鍋爐控制模塊主要是為鍋爐燃燒系統(tǒng)快速調整控制回路。根據(jù)火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差，該控制回路可以實現(xiàn)鍋爐燃料的精準控制，從而保證熱力系統(tǒng)的工質平衡［3］。

機組DCS接收到孤網(wǎng)觸發(fā)信號后，切除機組鍋爐主控自動，同時燃料主控的指令切換為廠用負載所對應的燃料量，并根據(jù)火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差增加燃料主控的前饋回路，從而實現(xiàn)燃料量的快速精準控制；孤網(wǎng)發(fā)生后，增加給水控制系統(tǒng)火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差前饋回路，防止因燃料的迅速變化造成的煤水比失調。

2.4 汽輪機控制模塊

汽輪機控制模塊，主要包括2個回路，分別為孤網(wǎng)運行轉速及一次調頻控制回路和汽輪機孤網(wǎng)精準前饋控制回路。機組在孤網(wǎng)觸發(fā)后，DEH切除遠方DCS遙控，汽輪發(fā)電機由功率控制立即轉為轉速控制方式。由于機組帶負荷和空負荷運行時，被控對象特性存在較大不同，需要增設孤網(wǎng)運行轉速及一次調頻控制回路。同時根據(jù)孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差，生成汽輪機精準前饋量，從而確保整個過渡過程的轉速變化在允許范圍內，并在過渡過程結束后維持轉速穩(wěn)定［4］。

孤網(wǎng)運行轉速及一次調頻控制回路分為轉速控制回路和一次調頻控制回路。孤網(wǎng)發(fā)生的瞬間，汽輪機由功率控制轉為轉速控制，由于DEH 自帶轉速控制回路整定的控制參數(shù)只適用于機組帶空負荷運行，所以須增設適用于孤網(wǎng)帶負荷控制的轉速回路，同時為確?？梢詫C組轉速能夠快速穩(wěn)定控制，還須在轉速控制回路上增加一次調頻控制。目前火電機組一次調頻高限值為10%的機組額定負荷，當因極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況引起火電機組孤網(wǎng)運行時，若火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差大于10%機組額定負荷時，一次調頻功能無法滿足單機帶孤網(wǎng)運行的調整幅度要求。因此，將一次調頻回路按照5%轉速不等率設置一次調頻量修正函數(shù)，并放開一次調頻修正函數(shù)高限值，綜合考慮機組出力和廠用負載的偏差以及調門迅速關閉對鍋爐安全運行帶來的影響，將一次調頻修正函數(shù)低限值設置為35%。

汽輪機孤網(wǎng)精準前饋控制回路，主要是根據(jù)孤網(wǎng)前機組閥位指令、孤網(wǎng)前機組出力以及孤網(wǎng)前機組出力與電鍋爐等廠用負載偏差，計算出汽輪機控制回路的前饋量，通過引入汽輪機精準前饋，減少機組孤網(wǎng)對轉速控制帶來的不利影響。

3 電鍋爐實例分析

為模擬電鍋爐輔助機組孤網(wǎng)運行時的動態(tài)特性，利用本文的控制策略，基于Matlab／Simulink平臺建立了完整的帶電鍋爐負載的300 MW 機組動態(tài)仿真模型。其中汽輪機采用原動機調速系統(tǒng)模型，鍋爐模型采用含輔機故障減負荷功能的典型模型，勵磁系統(tǒng)為三機勵磁模型，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）采用PSS2A模型，發(fā)電機采用電磁暫態(tài)模型。通過仿真得出，當電網(wǎng)故障時，電鍋爐能夠及時根據(jù)機組出力與廠用及電鍋爐負載的偏差進行投切。當機組出力大于廠用和電鍋爐負載時，在投切的瞬間，存在轉速的小幅度飛升，但均未達到超速保護的動作條件；當機組出力小于廠用和電鍋爐負載時，在投切的瞬間，存在轉速的小幅度降低，但經過短時間調整后，機組頻率均能維持50 Hz穩(wěn)定運行。仿真結果，驗證了電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的可行性，為此技術在電力系統(tǒng)中的廣泛推廣應用奠定了基礎［5］。

4 結論

針對因極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況引起火電機組孤網(wǎng)運行，電網(wǎng)失穩(wěn)的難題，引入電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的負荷平衡系統(tǒng)，設計機組孤網(wǎng)運行決策、機組負荷切換控制策略，優(yōu)化汽機和鍋爐控制策略，實現(xiàn)了電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制功能，保障了機組在電網(wǎng)故障時，能夠穩(wěn)定轉入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，具備良好的抗負荷沖擊能力，在各種事故工況下，均能夠安全準確調整和動作，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。