新型電力系統(tǒng)下燃煤火電機組一次調頻面臨的挑戰(zhàn)與展望

郝 玲，陳 磊，黃怡涵，徐 飛，徐達睿，陳 群，3，閔 勇

（1.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京市 100084；2.新型電力系統(tǒng)運行與控制全國重點實驗室（清華大學），北京市 100084；3.清華大學工程力學系，熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京市100084）

0 引言

新型電力系統(tǒng)建設形勢下，風電、光伏等新能源發(fā)電量占比持續(xù)升高，電力系統(tǒng)正逐步從以火電同步機為主導的傳統(tǒng)交流系統(tǒng)轉變?yōu)轱L、光等新能源主導的電力電子化交直流混聯(lián)系統(tǒng)，意味著電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行將面臨更強的擾動和沖擊。其中，頻率穩(wěn)定是新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的最關鍵要求之一。電源一次調頻是保障電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的關鍵手段［1］。然而，在新型電力系統(tǒng)中，采用電力電子接口的風電、光伏發(fā)電機組不具有傳統(tǒng)同步機的轉動慣量和一次調頻能力［2］，大規(guī)模接入后導致系統(tǒng)同步轉動慣量減小、一次調頻能力下降，系統(tǒng)的抗功率擾動能力減弱。此外，大容量直流故障將給系統(tǒng)帶來巨大的功率沖擊，系統(tǒng)安全需要考慮的功率擾動量變大，直流不具有傳統(tǒng)負荷的頻率調節(jié)效應，系統(tǒng)頻率響應進一步惡化，頻率安全問題日益凸顯。

近年來，國內外電力系統(tǒng)頻率安全事件多次發(fā)生［3］。2015 年9 月19 日，錦蘇特高壓直流發(fā)生雙極閉鎖［4］，故障發(fā)生12 s 后，華東電網頻率最低跌至49.56 Hz。2016 年9 月28 日，新 能 源 發(fā) 電 占 比 高 達48.6%的澳大利亞南部地區(qū)電網，由于遭受極端天氣而大面積停電［5］，頻率下降至47 Hz 以下，下降率達6.1 Hz/s。2019 年8 月9 日，英 國 發(fā) 生 大 面 積 停電，頻率下降至48.8 Hz，觸發(fā)低頻減載動作［6］。上述頻率事故給中國新型電力系統(tǒng)建設帶來了警示。未來，以新能源占比不斷提高的新型電力系統(tǒng)頻率安全將面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。

為了應對頻率安全面臨的風險，文獻［7］明確要求火電、水電、風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能電站等電源均應具備一次調頻能力，這也是新型電力系統(tǒng)一次調頻的發(fā)展趨勢。在綜合考慮中國能源稟賦特征、地理條件限制、成本限制的前提下，燃煤火電機組相對燃氣火電、電化學儲能、風電、光伏等一次調頻資源而言，具備一次能源豐富、經濟性、可靠性的優(yōu)勢，故燃煤火電在相當長的時間內仍是最具潛力的一次調頻資源［8］。文獻［9］明確指出“推動煤電向基礎保障性和系統(tǒng)調節(jié)性電源并重轉型”。文獻［10］中指出，要對煤電機組實施“三改聯(lián)動”，包括煤電節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造，表明煤電靈活性提升將成為未來發(fā)展趨勢。2023 年11 月，國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布的《關于建立煤電容量電價機制的通知》明確了煤電于2024 年啟動容量電價、電量電價兩部制機制［11］，加速了煤電調節(jié)定位轉變的進程。綜上可知，燃煤火電在過渡期甚至未來相當長的時期內也將是一次調頻的主體資源。

目前，在新能源并網比例較高的電力系統(tǒng)中，燃煤火電一次調頻效果并不理想。務區(qū)域“兩個細則”［12-14］考核結果顯示，中國多個局部地區(qū)火電機組一次調頻考核合格率普遍較低。以東北電網某實際電廠為例，該電廠某時段內共發(fā)生一次調頻動作19 821 次，其中，考核8 259 次，免考核11 562 次，考核中合格343 次，不合格7 916 次，一次調頻合格率僅為4.33%，既無法保障電網頻率安全，也給電廠帶來了巨大的罰款損失。以2015 年9 月19 日華東電網低頻事件為例，掛網運行的282 臺機組，一次調頻評價合格的僅86 臺，合格比例僅為30.5%。總的來說，在電網發(fā)生小擾動時，機組尚可提供足夠的調頻能力使頻差回到死區(qū)以內；但在發(fā)生較大擾動時，火電機組的一次調頻能力不足以支撐頻率恢復。

在新能源并網比例遠遠未達到新型電力系統(tǒng)遠期目標的情況下，火電一次調頻能力已呈現(xiàn)不足的態(tài)勢，隨著新型電力系統(tǒng)的建設發(fā)展，未來更高比例新能源電力系統(tǒng)一次調頻的需求更大。一方面，新能源不確定性將倍增，電力系統(tǒng)面臨的一次調頻問題、火電機組面臨的一次調頻壓力將更加嚴峻；另一方面，在區(qū)域互聯(lián)較少地區(qū)的電網、沙戈荒新能源大基地、高耗能工業(yè)負荷配備風-光-儲大基地等新能源形態(tài)下，一次調頻問題會更加突出，承擔主體調節(jié)任務的火電機組一次調頻問題也將更加凸顯。無論是對電網還是對電源而言，燃煤火電一次調頻都具有至關重要的價值。研究發(fā)展燃煤火電一次調頻對電網而言是保障頻率安全的關鍵，對電廠而言則是“雙碳”目標下轉型發(fā)展的機遇。為了應對當下及遠期形勢發(fā)展需求，亟須對新型電力系統(tǒng)背景下火電一次調頻發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)進行全面梳理，并展望未來關鍵技術研究方向。

本文首先歸納了新型電力系統(tǒng)發(fā)展背景下火電一次調頻特點呈現(xiàn)的4 個顯著趨勢，分析了該趨勢下一次調頻在電網、電廠運行方面存在的不足；提煉了一次調頻能力提升、調頻快速準確仿真兩方面關鍵挑戰(zhàn)。其次，站在電網和電源兩個視角，分別對火電一次調頻能力提升及調頻動態(tài)仿真的現(xiàn)狀、存在的瓶頸展開回顧分析。最后，結合上述挑戰(zhàn)和瓶頸，對未來新型電力系統(tǒng)火電一次調頻關鍵技術問題進行展望。

1 新型電力系統(tǒng)中火電一次調頻面臨的挑戰(zhàn)

1.1 火電一次調頻的發(fā)展趨勢

隨著電力系統(tǒng)中新能源及電力電子設備比例的不斷增高，火電一次調頻特點呈現(xiàn)出以下4 個顯著的發(fā)展趨勢：

1）一次調頻間隔時間變短，連續(xù)一次調頻增加［15-16］。文獻［16］提到，一次調頻能力不足的一個典型場景是連續(xù)2 次的一次調頻動作，第1 次一次調頻動作導致蓄熱能力消耗，第2 次動作時尚未重新蓄足，火電調速器再次下發(fā)調頻指令，電廠無法有效支撐第2 次調頻功率指令。該特點反映了兩方面問題，一是從電廠完成電網一次調頻指令的角度來看，電廠僅利用鍋爐蓄熱提供一次調頻能力的手段已經難以適應連續(xù)一次調頻的需求；二是電網如果僅依靠調速器系統(tǒng)下發(fā)的調頻指令和簡化的IEEE標準鍋爐、汽機模型，難以真實掌握機組連續(xù)一次調頻的復雜流動換熱、做功的動態(tài)特性［17-18］，可能對機組實際一次調頻能力估計得過于樂觀，產生誤判，影響電網運行決策。

2）電網大擾動幅度和頻次增加，導致火電功率調節(jié)幅度需求增加。電網整體一次調頻能力需求增大后，對單臺火電機組的最大調頻能力需求遠高于新能源高比例并網前，單臺火電機組在最大能力范圍內需要承擔的調頻任務也高于新能源并網前，但現(xiàn)行的火電一次調頻高壓調節(jié)閥策略的調頻能力有限，對應的調速器系統(tǒng)和超臨界機組調頻備用容量難以達到考核要求［19］。該特點同樣反映了火電一次調頻能力不足以及電網難以掌握大擾動下機組實際能力的問題。電網用于仿真火電調頻動態(tài)IEEE鍋爐模型的關鍵是蓄熱系數(shù)，蓄熱系數(shù)是通過辨識得到的，對于數(shù)據積累較少的大擾動情形精度不足。

3）一次調頻與調峰、深調、保供電等多種調節(jié)需求疊加［20-21］。該特點引起兩方面問題：一方面，火電機組普遍進行深度調峰或調峰靈活性改造后，已經發(fā)現(xiàn)其調頻能力受到影響；從電廠完成電網一次調頻指令的角度看，機組一次調頻優(yōu)化控制、調頻能力提升需要結合保供電、深調或調峰、一次調頻、二次調頻等需求一起考慮；另一方面，從電網掌握調節(jié)性火電調頻能力的角度看，目前的火電機組動態(tài)模型未考慮一次調頻與調峰等疊加的情形，有必要建立機組分鐘級與小時級耦合的建模方法。

4）火電與新能源、儲能等聯(lián)合調頻的機會增加［22-23］。隨著風電、光伏、儲能等新型調頻資源的加入，電網一次調頻資源更加豐富，火電需要面臨和新能源、儲能共同調頻的情況。該特點導致兩方面問題。在電廠側機組一次調頻能力提升方面，缺乏火電與新能源、儲能不同類型調頻資源之間調頻功率優(yōu)化分配的研究；在不確定功率分配原則、不考慮火電復雜運行特性及邊界的前提下開展控制策略研究，無法指導火電與風光儲實際的協(xié)同運行［24］；在電網掌握調節(jié)性火電調頻能力方面，缺乏考慮火電運行特性及一次調頻能力邊界的聯(lián)合調頻策略的調節(jié)能力評估，給電網運行決策帶來難題。

由上可知，火電一次調頻所呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢，給機組一次調頻能力提升、電網評估機組一次調頻能力帶來更高要求。一方面，要從火電機組中挖掘更大的分鐘級以內時間尺度的靈活性；另一方面，要提供更精確的火電機組一次調頻動態(tài)建模方法實現(xiàn)電網對機組調頻能力的精確掌握，為運行決策提供支撐。本文選取了電網和電廠雙向視角，重新審視火電一次調頻內涵和發(fā)展需求。

1.2 火電一次調頻面臨的挑戰(zhàn)

1.2.1 機組面臨一次調頻能力提升的挑戰(zhàn)

火電機組一次調頻能力不足、考核合格率不高的原因是多方面的?；痣姍C組過去主要依靠增大高壓調節(jié)閥開度來釋放鍋爐蓄熱并進行一次調頻［25］，但采用超臨界機組后，直流鍋爐較汽包鍋爐蓄熱能力降低，是導致一次調頻能力降低的一個原因［26-27］。此外，在實際運行中，火電機組為了減小節(jié)流損失，在機組出力的中間段一般采用滑壓運行方式，通過調節(jié)主汽壓力調節(jié)出力。調節(jié)閥開度接近全開，調頻備用不足，也會導致大功率擾動下調頻能力不及預期。尤其近年來，機組為了提高調峰能力進行靈活性改造，務種調峰改造與一次調頻能力提升可能存在制約關系。例如，低壓缸近零出力等調峰措施就會制約機組蓄熱能力的釋放與一次調頻能力的提升，由于火電調峰能力與調頻能力之間關系不明確，大規(guī)模調峰改造或為火電一次調頻能力降低的另一關鍵因素，在實際運行中，已經發(fā)現(xiàn)改造后機組在深調工況下，一次調頻能力顯著降低的情況。

近年來，提升火電機組一次調頻能力方面的研究得到了大量關注。除了傳統(tǒng)的主汽閥調節(jié)以外，發(fā)展出凝結水節(jié)流、高壓加熱器給水旁路（下文簡稱高加給水旁路）、供熱抽汽調節(jié)等新型一次調頻技術。下面以系統(tǒng)頻率下降的情形為例說明務技術的原理。凝結水節(jié)流通過調節(jié)凝結水流量、提高低壓加熱器殼側抽汽溫度與壓力的方式降低抽汽流量，從而增大汽輪機瞬時做功，代價是凝結水溫度與除氧器水位暫時降低，但不會立即降低到安全范圍之下。高加給水旁路是通過降低高加與高壓缸務級抽汽換熱量的方式，降低高壓缸抽汽流量，從而增加汽機瞬時做功，代價是給水溫度暫時降低，但不會立即降低到安全范圍之下。凝結水節(jié)流和高加給水旁路的本質都是利用機組回熱系統(tǒng)（給水和凝結水）蓄熱及鍋爐省煤器蓄熱提供一次調頻能力。供熱抽汽一次調頻是通過改變中壓缸至供熱抽汽的蝶閥閥門開度的方式減小供熱抽汽流量，進而增大瞬時中壓缸膨脹做功，代價是供熱蒸汽與集中供熱系統(tǒng)換熱量暫時降低。其本質是利用與機組相連的集中供熱系統(tǒng)的蓄熱提供一次調頻能力。因此，新型一次調頻技術的目標都在于將機組鍋爐、回熱系統(tǒng)務環(huán)節(jié)的蓄熱用于提高一次調頻能力，難點在于如何在保障機組安全運行的前提下提高調頻能力，并兼顧運行效率。

1.2.2 電網面臨一次調頻快速精確仿真的挑戰(zhàn)

火電一次調頻面臨的另外一個問題是機組一次調頻模型難以兼顧精度和仿真速度，導致電網在實際運行中，難以實時準確掌握機組真實的調頻性能，無法在實際功率擾動下立即得到全網所有機組的功率增量，無法指導實際運行。目前，電網中采用的火電機組調頻模型一般只針對定壓運行方式下主汽閥調節(jié)的方式，無法適用于火電變工況運行、靈活性改造后以及新增新型一次調頻策略后的調頻動態(tài)仿真。一方面，火電由于運行工況變化或靈活性改造導致的結構變化，調頻能力發(fā)生巨大變化；另一方面，除了主汽閥調節(jié)以外，出現(xiàn)了很多新型一次調頻技術，現(xiàn)有一次調頻模型對上述情況均不再適用，導致電網采用模型仿真計算得到的系統(tǒng)頻率動態(tài)和實際差別很大，給電網頻率安全帶來巨大威脅。在2015 年9 月19 日的華東電網低頻事件中，電網仿真計算得到的最大頻率頻差不到0.2 Hz，而實際的最大頻率偏差超過0.4 Hz，這表明火電機組的一次調頻模型無法準確反映機組真實一次調頻性能。

綜上，火電是系統(tǒng)一次調頻資源的重要組成部分，其調頻特性對系統(tǒng)頻率安全性具有顯著影響，但面臨著一次調頻能力不足、新型一次調頻技術需求迫切且快速發(fā)展、現(xiàn)有電網調頻模型不能準確反映機組真實性能等問題，亟須對新型電力系統(tǒng)背景下火電一次調頻需求面臨的挑戰(zhàn)進行分析，重新梳理電網與電廠視角下的火電一次調頻內涵與二者差異，找到提升電網頻率安全及提升火電一次調頻能力的關鍵技術。

2 火電一次調頻能力提升現(xiàn)狀及問題

本章對火電一次調頻及機組本身運行控制的基本原理進行重新梳理，從電網、電廠雙向視角分析一次調頻能力提升問題，挖掘全流程可資利用的調頻能力提升潛力。

2.1 火電一次調頻技術原理

總結現(xiàn)有的火電一次調頻技術，如圖1 所示，包括最傳統(tǒng)的主汽閥調節(jié)技術以及凝結水節(jié)流［28-29］、高加給水旁路［30］、供熱抽汽調頻［31-32］、補汽閥調節(jié)［33］等新型調頻技術。圖中：Δf為頻率差。不同的一次調頻技術在流程結構上具有相似性，一般包括3 個環(huán)節(jié)：1）調頻控制系統(tǒng)（一般為數(shù)字式電液調速系統(tǒng)（digital electro-hydraulic control system，DEH））輸入頻率或轉速信號，生成控制指令；2）執(zhí)行伺服系統(tǒng)，根據指令調整閥門開度；3）原動機動態(tài)響應系統(tǒng)。

圖1 火電機組一次調頻技術Fig.1 Primary frequency regulation technology of thermal power units

電網對火電機組一次調頻的需求很明確，期望調頻功率和頻率偏差之間呈現(xiàn)比例關系。因此，調頻控制系統(tǒng)中的基本控制策略很簡單。對于主汽閥調節(jié)，基本的控制策略是比例控制，輸入為轉速或頻率偏差，輸出為閥位指令，比例系數(shù)是調差系數(shù)的倒數(shù)，一般按照電網要求給定。實際調頻控制系統(tǒng)中，大量采用比例-積分-微分(proportional-integralderivative，PID）控制以改善動態(tài)性能，但基本的控制特性是類似的。

但在電廠側，一次調頻與二次調頻等都屬于“機組快速變負荷”技術。機組側對于電網下發(fā)的調頻指令都是為了實現(xiàn)電網需求的調頻性能。同時，保障機組的安全經濟運行需要進行大量的控制，也就是前述的務種一次調頻控制技術。下面分別進行說明。

2.1.1 主汽閥調節(jié)

主汽閥調節(jié)是國內外最傳統(tǒng)、應用最廣泛的一次調頻技術，其結構如圖2 所示。當電網中出現(xiàn)功率不平衡引起頻率變化時，調速系統(tǒng)立即依據一次調頻轉速不等率，將頻差信號轉為功率增量信號［34］，再根據汽輪機膨脹做功、鍋爐吸熱、閥門處工質阻力流動等動態(tài)模型，將功率增量信號轉換為主汽流量增量信號及閥位指令；然后，電液伺服機構執(zhí)行指令，改變控制閥開度，引起主汽流量、主汽壓力及鍋爐內部壓力、比容迅速隨之變化，汽輪機快速響應改變機組功率。為了保證主汽壓力、功率等在安全范圍內變化，一次調頻過程還同時受機組機爐協(xié)調控制系統(tǒng)（coordination control system，CCS）的作用［35］。機爐CCS 的作用不是為了功率在安全范圍內變化，而是為了讓實際功率最終等于目標功率，DEH 是粗調，CCS 是精調。

圖2 火電主汽閥調節(jié)一次調頻全過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of whole process of primary frequency regulation for main steam valve regulation of thermal power unit

主汽閥調節(jié)要求機組正常運行時閥門有上調的空間，故閥門開度不能全開。對于機組而言，會帶來一定的節(jié)流損失，實際是通過犧牲能效的方式保證機組的一次調頻能力，閥門開度越小，節(jié)流損失越大。通常，火電廠出于經濟性的考慮，一般在中間出力段采用滑壓運行的方式，不是通過調節(jié)閥門開度調節(jié)功率，而是通過調節(jié)主汽壓力調整功率。例如，某實際600 MW 機組，出力在300～540 MW 之間時采取較經濟的滑壓運行方式，主汽壓力隨機組負載水平變化?；瑝哼\行時，閥門開度接近于滿開（一般在0.95 以上），上調空間很小，在大功率缺額情況下，機組可增發(fā)的調頻功率也很小，限制了機組一次調頻能力。機組經濟性和一次調頻能力之間的相互制約關系是影響機組調頻能力的一個重要因素。

2.1.2 凝結水節(jié)流

凝結水節(jié)流調頻最早于1998 年提出［28］，原理是通過控制回熱系統(tǒng)的凝結水流量的方法間接控制汽輪機抽汽流量，從而達到調節(jié)汽輪機做功的目標。以低頻擾動為例，首先，降低凝結水泵頻率或關小除氧器上水閥門使凝結水流量減?。蝗缓?，在低壓加熱器中凝結水與低加抽汽換熱熱平衡作用下，低加抽汽出口溫度升高、壓力增大，進而低壓缸抽蒸汽量降低，機組負荷提高。

文獻［36］在分析汽輪機回熱系統(tǒng)蓄熱特性的基礎上，提出了凝結水節(jié)流快速變負荷控制策略，但主要研究了該策略與自動發(fā)電控制（automation generation control，AGC）的結合。文獻［37］利用壓力節(jié)點的方法，建立了超臨界機組CCS 的機理模型，得到了不同節(jié)點壓力的公式，提高機組在一次調頻過程中的動態(tài)性能和運行參數(shù)控制品質。文獻［38］針對凝結水節(jié)流調頻策略，提出一種基于多尺度分解的一次調頻聯(lián)合控制方法，基于熱力學分析提出凝結水節(jié)流系統(tǒng)蓄熱系數(shù)概念，計算凝結水節(jié)流對一次調頻的能量貢獻能力，以此為基準實現(xiàn)調頻指令分解。文獻［39］針對機組的一次調頻和負荷控制品質與機組節(jié)能需求之間存在矛盾的問題，提出了基于凝結水變負荷方法的深度滑壓節(jié)能控制策略，通過凝結水變負荷的手段改善機組一次調頻的能力。文獻［40］基于原CCS 的凝結水節(jié)流串級控制方案，使凝結水節(jié)流通道在變負荷初期快速提升機組負荷的同時保證除氧器水位不超出安全限定范圍，同時，包含了凝結水節(jié)流控制和除氧器水位控制。該方案保證了在凝結水節(jié)流快速變負荷過程中除氧器水位的穩(wěn)定不超限。

2.1.3 高加給水旁路

高加給水旁路調頻的原理是通過改變給水流經高壓加熱器與給水旁路的流量的方式調節(jié)高壓缸抽蒸汽量，從而瞬時改變汽輪機做功。以低頻擾動為例，頻率跌落后，調速器系統(tǒng)下發(fā)指令增大給水旁路的給水流量，則主路（即進入高壓加熱器）的給水質量流量降低，高壓加熱器殼側的蒸汽出口溫度、壓力升高，排擠了高壓缸流向高壓加熱器的抽汽流量，從而快速增加汽輪機通流量，機組出力快速提高。該方案的代價是給水溫度暫時降低，影響鍋爐安全和機組效率，因此持續(xù)時間不能太長。

高加給水旁路調頻頻繁參與小頻差調節(jié)，會造成高壓加熱器與省煤器的金屬熱疲勞，對機組產生較大干擾。因此，最好的方式是以主汽調節(jié)閥參與小頻差調節(jié)為主、以高加給水旁路為輔助調頻手段，則既能應對電網一次調頻需求，還可以保障火電機組安全經濟運行。

2.1.4 供熱抽汽調節(jié)

在熱電機組中，汽輪機內的蒸汽一部分進入低壓缸膨脹做功，一部分進入回熱系統(tǒng)加熱給水（凝結水），還有一部分進入熱網加熱器承擔集中供熱需求。集中供熱系統(tǒng)中熱量傳輸延遲較大的熱網、比熱容較大的建筑圍護結構等都具備天然的被動儲熱特性，能用于提升機組一次調頻能力。

具體過程是，當頻率超出死區(qū)時，機組調速器系統(tǒng)下發(fā)中壓缸供熱蝶閥或快關閥開度指令，在不影響供熱舒適性的前提下，暫時改變供熱量，從而將供熱抽汽排擠回中壓缸，快速調整汽輪機出力，起到穩(wěn)定電網頻率波動的效果。在頻率恢復穩(wěn)定后，再將蝶閥或快關閥開度恢復，補償一次調頻造成的供熱量改變。該方案的難點在于供熱調節(jié)閥調節(jié)供熱抽汽量的過程對汽輪機安全性有較大影響。

2.1.5 其他調頻技術

針對配置補汽閥的火電機組，還可采用調節(jié)補汽閥開度的方式快速改變機組出力［41］，滿足電網的一次調頻需求。補汽閥是汽輪機配汽結構的組成部分之一，又稱過載閥，補汽閥與汽輪機某級動葉聯(lián)通，可直接將新蒸汽引入某級動葉片做功。設置補汽閥的主要目標原本是在機組需要超發(fā)或者主蒸汽壓力過高時將新蒸汽直接通入機組某級葉片直接做功。由上可知，補汽閥的設計特點為：將其快速打開后具備提高機組瞬時出力的功能。

補汽閥一次調頻技術的原理是當電網頻率跌落時，通過機組調速器系統(tǒng)快速控制補汽閥打開，機組出力瞬間增大，電網頻率逐漸恢復；當電網頻率恢復穩(wěn)定后，補汽閥再回到關閉狀態(tài)。由于補汽閥打開后導致機組運行效率降低，且存在軸承振動隱患，故補汽閥通常處于關閉狀態(tài)。而補汽閥一次調頻技術一般用于低頻擾動下提高機組瞬時出力的場景，較少用于降低機組出力的情形。

2.2 火電一次調頻的本質

在一次調頻的時間尺度內，還來不及增加燃料并燃燒放熱，故額外輸出的調頻功率的能量來自機組的蓄熱?；痣姍C組一次調頻技術的本質在于利用機組自身蓄熱達到快速改變機械功率的目的。不同一次調頻技術的本質是利用機組鍋爐、回熱等不同部分的蓄熱，支撐機組實現(xiàn)機械功率的快速變化。

主汽閥調節(jié)技術釋放鍋爐蓄熱。以低頻情形為例，對汽包鍋爐而言，增大主汽閥開度后，主汽流量迅速變化，鍋爐蓄熱（包含汽水工質蓄熱和金屬蓄熱）被釋放，實現(xiàn)機組功率快速調節(jié)。隨著蓄熱的消耗，主汽壓力降低，調頻功率衰減，這就是蓄熱大小對調頻能力的制約。對于超臨界機組直流鍋爐而言，鍋爐金屬質量較汽包鍋爐小，且直流鍋爐沒有專門的汽水共存段，故鍋爐蓄熱能力有限。尤其在高負荷工況下，為保證機組運行經濟性，閥門開度接近全開，能提供的蓄熱支撐更少。因此，主汽閥調節(jié)在汽包鍋爐上的性能遠好于直流鍋爐。

凝結水節(jié)流釋放低壓加熱器和除氧器回熱系統(tǒng)蓄熱。以低頻情形為例，降低凝結水流量后，流出汽輪機的蒸汽流量減少，機組出力瞬時增高。此時，凝結水出口溫度及除氧器水位降低，回熱系統(tǒng)蓄熱被釋放，凝結水溫度和除氧器水位不會快速降低至安全范圍以下。隨著調頻策略持續(xù)，回熱系統(tǒng)蓄熱逐漸被釋放，在除氧器水位低于安全值之前，調節(jié)凝結水流量恢復原值。

高加給水旁路調頻釋放高壓加熱器和省煤器蓄熱。以低頻情形為例，給水旁路開啟后，高壓加熱器側的抽汽被排擠回高壓缸，機組出力提升。此時，給水溫度降低，高壓加熱器與省煤器蓄熱釋放，使給水溫度不會立即降到安全值以下。但隨著調頻的持續(xù)進行，蓄熱減少，不足以支撐給水溫度，則降低給水旁路流量或關閉，使高加給水恢復原值。因此，該方案以損失高壓加熱器與省煤器性能為代價。

供熱抽汽一次調頻釋放熱網加熱器等供熱系統(tǒng)的蓄熱。以低頻情形為例，調節(jié)供熱蝶閥后，汽輪機流向熱網加熱器的蒸汽流量瞬時減少，機組出力瞬時增高。此時，熱網加熱器換熱量、供熱首站得熱量降低，供熱系統(tǒng)蓄熱釋放，熱用戶熱舒適性暫未受影響。因此，該方案以短暫降低集中供熱系統(tǒng)供熱量為代價。

補汽閥一次調頻釋放鍋爐蓄熱。補汽閥開啟后，新蒸汽進入汽輪機的流量增大，汽輪機瞬時出力增大。此時，鍋爐主汽壓力降低，鍋爐蓄熱釋放。因此，該方案以降低主汽壓力、損失機組運行效率為代價。

綜上，火電一次調頻的本質是根據頻率信號，通過控制快速釋放機組不同蒸汽流程環(huán)節(jié)的蓄熱，從而改變機械功率。掌握火電一次調頻的本質對于一次調頻性能提升、建模以及優(yōu)化控制都具有重要指導意義。

2.3 火電一次調頻優(yōu)化提升存在的問題

通過分析一次調頻原理和本質，火電一次調頻優(yōu)化提升存在兩方面問題。

1）在機組側負荷快速響應方面，缺乏多策略協(xié)同互補技術?；痣姍C組快速變負荷技術主要包括傳統(tǒng)的主汽閥調節(jié)、凝結水節(jié)流、高加給水旁路調節(jié)、補汽閥調節(jié)、供熱抽汽調節(jié)等方式。上述技術的本質是利用機組鍋爐、汽輪機等部分的蓄熱能力，支撐機組實現(xiàn)機械功率的快速變化。其中，高壓調節(jié)閥調節(jié)、補汽閥利用鍋爐蓄熱［33］，凝結水節(jié)流調節(jié)利用汽輪機回熱系統(tǒng)的低壓加熱器及除氧器蓄熱［28］，供熱抽汽調節(jié)利用了供熱系統(tǒng)熱網蓄熱，高加給水旁路調節(jié)［30］則同時利用了鍋爐省煤器及汽輪機高壓加熱器蓄熱。上述技術均能一定程度提高機組一次調頻能力，但其局限在于只能利用某單獨策略下的機組蓄熱能力，缺乏多策略的系統(tǒng)，難以應對“雙碳”目標對電源一次調頻能力的高要求。機組多種快速變負荷策略間也缺乏融合。

2）在電網側一次調頻控制方面，缺乏與多種新型一次調頻技術適配的調速器優(yōu)化控制方法，調速器系統(tǒng)未能將機組調頻能力最大化釋放。由于涉及電網整體頻率安全，火電調速器系統(tǒng)的基本控制邏輯及控制參數(shù)等基本由電網制訂。但是，電網側只要求頻率偏差和調頻功率之間的輸入輸出特性，如何實現(xiàn)要求的輸入輸出特性是由機組側控制實現(xiàn)的。在機組側，快速變負荷能力提升方面的優(yōu)化控制方法大多獨立，較少與DEH 進行耦合優(yōu)化。文獻［42］提出了考慮鍋爐蓄熱能力的轉速不等率的優(yōu)化方法，但采用的定性優(yōu)化，還應考慮定量精確的優(yōu)化。整體來看，目前的調速器策略未隨著機組調頻靈活性的提升而調整，意味著機組即使具有足夠的自身蓄熱，也難以通過控制方法最大化地釋放一次調頻能力。

3 火電一次調頻動態(tài)建?，F(xiàn)狀及問題

火電機組一次調頻模型分為兩類，一類是電網進行頻率動態(tài)分析用的模型，另一類是電廠用模型，包括用于控制研究以及動態(tài)過程分析的模型。兩類模型差異很大。根據2.1 節(jié)的分析可知，一次調頻包含調頻控制系統(tǒng)、執(zhí)行伺服系統(tǒng)、原動機動態(tài)響應系統(tǒng)3 個環(huán)節(jié)。調頻控制系統(tǒng)是控制過程，執(zhí)行伺服系統(tǒng)為機械過程，建模較為簡單，模型也比較準確，故本文對此不加以分析，而是重點分析原動機動態(tài)響應系統(tǒng)的模型。

3.1 電網用模型

目前，電網用火電機組一次調頻模型都只針對主汽閥調節(jié)方案。

用于電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析計算的火電機組務環(huán)節(jié)典型模型由《同步發(fā)電機原動機及其調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實測與建模導則》定義［43］，主要包含電液調節(jié)系統(tǒng)模型、電液伺服系統(tǒng)模型、鍋爐模型和汽輪機模型。如前文所述，電液調節(jié)系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)建模簡單、模型準確，上述行業(yè)標準以及大量電力系統(tǒng)分析軟件中提供了多種詳細的調節(jié)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)模型，故本文不再贅述，而是重點關注鍋爐模型和汽輪機模型。

目前，電網仿真中最常用的鍋爐模型與單再熱器汽輪機模型分別如圖3 和圖4 所示。圖3 中：Tw為水冷壁時間常數(shù)；CD為水冷壁和汽包的蓄熱系數(shù)；CSH為過熱器的蓄熱系數(shù)；K為管道流量系數(shù)；PGV為汽輪機的閥門開度，為調速器的輸出；pD為汽包壓力；m˙mS為主蒸汽流量，為汽輪機輸入；s為拉普拉斯算子；pmS為主汽壓力。圖4 中：Tcs為高壓汽室蒸汽容積時間常數(shù)；Trh為中間再熱蒸汽容積時間常數(shù)；Tco為低壓連通管蒸汽容積時間常數(shù)；Fhp、Fip、Flp分別為高、中、低壓缸功率系數(shù)，三者之和為1；λ為高壓缸功率自然過調系數(shù)；PM為汽輪機轉子的機械功率輸出。時間常數(shù)Trh和Tco在不同工況下的值基本相同。

圖3 標準鍋爐模型Fig.3 Standard boiler model

圖4 單再熱器汽輪機模型Fig.4 Single reheater turbine model

標準鍋爐模型采用兩個關鍵蓄熱系數(shù)描述鍋爐蓄熱特性，可反映主蒸汽流量隨閥門開度、主汽壓力及燃料指令的動態(tài)變化規(guī)律。該模型由文獻［44］提出，首先，對汽包鍋爐水冷壁和汽包列寫質量守恒、能量守恒、體積守恒方程；然后，對過熱器列寫動量守恒和質量守恒方程，并對詳細機理模型進行簡化，根據鍋爐蓄熱特性提取汽包及過熱段的蓄熱系數(shù)；最后，采用如圖3 所示的結構計算鍋爐動態(tài)特性，其已被選為IEEE 標準鍋爐模塊，納入實際電網暫態(tài)仿真軟件BPA。

然而，鍋爐模型在實際電網頻率仿真中一般并未使用［45］。新能源大規(guī)模接入電網前，學界對于火電機組實際一次調頻能力的研究相對較少，頻率仿真中一般認為鍋爐主汽壓力在一次調頻期間維持穩(wěn)定，故通常忽略鍋爐的動態(tài)特性。實際的電網一次調頻仿真通常采用如圖5 所示的結構，即只考慮調速器系統(tǒng)與汽輪機，忽略鍋爐。圖中：Δm˙r為主汽流量指令變化量；ΔPM為機械功率變化量。

圖5 現(xiàn)有的一次調頻仿真模型（忽略鍋爐）Fig.5 Simulation model of existing primary frequency regulation (ignoring boiler)

對于汽輪機環(huán)節(jié)，常用的BPA 等電網暫態(tài)仿真軟件中一般均采用單再熱器汽輪機的經典模型（如圖4 所示）［46-47］，該模型考慮了高壓汽室、再熱器和中低壓連通管的蒸汽容積效應，用高、中、低壓缸功率系數(shù)表征務缸內蒸汽做功量占總機械功率的比例，同時，考慮高壓缸功率自然過調系數(shù)來修正一次調頻初期蒸汽在高壓缸內做功的動態(tài)特性。文獻［48］指出，汽輪機經典模型中的高、中、低壓缸功率系數(shù)不應為常數(shù)，而應該是級組內效率和蒸汽焓降的函數(shù)。文獻［49-50］指出，汽輪機模型中高壓汽室和再熱器蒸汽容積時間常數(shù)隨負荷工況的變化而變化，提出了蒸汽容積時間常數(shù)的簡單計算方法，并分析了時間常數(shù)隨運行工況的變化特性。目前，電網一次調頻仿真中通常將汽輪機模型參數(shù)設為一組固定值，未考慮汽輪機模型參數(shù)隨機組負荷工況和控制策略的變化特性。

針對上述問題，文獻［51］針對深度調峰運行火電機組，在經典汽輪機模型的基礎上考慮了參數(shù)隨工況的變化，提出了新型變參數(shù)汽輪機模型，并給出了模型參數(shù)的辨識方法。文獻［52］和文獻［53］分別建立了適用于一次調頻分析的直流鍋爐和汽包鍋爐動態(tài)模型，并提出了基于機組分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）數(shù)據的模型參數(shù)在線確定方法，模型中重點描述了工質的換熱、流動過程并考慮了物性參數(shù)的分布特性。文獻［54］設計了火電機組一次調頻能力實時監(jiān)測系統(tǒng)，仿真模型仍然采用當前電網仿真使用的一次調頻控制系統(tǒng)、電液伺服機構、鍋爐和汽輪機模型；提出對汽輪機及鍋爐模型的參數(shù)進行自適應校正，通過一次調頻擾動試驗或動態(tài)運行數(shù)據，辨識不同工況下的模型參數(shù)；并將該參數(shù)與擾動發(fā)生前機組運行數(shù)據寫入數(shù)據庫，在實際仿真中根據相似度指標調用數(shù)據庫中模型參數(shù)進行機組一次調頻功率響應的仿真與監(jiān)測。

3.2 電廠用模型

火電機組運行特性由機理特性與控制特性二者共同決定，但機理與控制對運行特性的影響程度不同。控制方式決定了物理特性的范圍，同時，物理特性能否跟上控制指令目標也是檢驗控制策略優(yōu)劣的標準。目前的研究大多是單獨考慮控制或者二者結合。單獨考慮控制的建模方法大都認為物理特性完全可以按照控制邏輯實現(xiàn)，而二者結合的方法可以用于分析物理特性無法跟上控制特性時的情形。

3.2.1 面向控制的模型

面向控制的火電一次調頻模型主要用于控制策略的研究［55］，多采用數(shù)據驅動建模法，在確定鍋爐模型輸入輸出關鍵狀態(tài)量后，基于特定機組的實驗數(shù)據或實際動態(tài)運行數(shù)據建立簡化模型。文獻［56］基于燃油汽包鍋爐火電機組的動態(tài)實驗數(shù)據，建立了汽包鍋爐的簡化非線性模型，并對模型參數(shù)進行辨識，該模型為最早采用數(shù)據驅動法建立的汽包鍋爐模型之一。后續(xù)很多研究［57-60］均借鑒了文獻［56］的建模方法，并從不同角度進一步優(yōu)化。文獻［57］采用該建模思路，建立了適用于控制器設計的直流鍋爐簡化非線性模型，模型參數(shù)通過閉環(huán)運行數(shù)據辨識確定。在后續(xù)研究中，智能算法被廣泛應用于鍋爐動態(tài)建模中。文獻［61］建立了輸入為燃料量、主汽調節(jié)閥開度，輸出為主汽壓力和機組出力的鍋爐、汽輪機模型，如圖6 所示，面向控制的火電調頻模型主要包含了鍋爐能量平衡、汽輪機能量平衡及過熱器阻力特性方程。圖中：K1為燃料量指令增益；K2為汽輪機動態(tài)時間參數(shù)；K3為調門指令增益；Cb為蓄熱系數(shù)。基于數(shù)據的系統(tǒng)辨識方法能夠較為準確地描述鍋爐主蒸汽參數(shù)的動態(tài)特性，且模型形式相對簡化，故模型較多應用于CCS 控制器設計。但該方法建模所得鍋爐及汽機模型并不適用于分析不同運行工況下的一次調頻功率響應，且該方法需要大量擾動試驗數(shù)據或實際調頻動態(tài)數(shù)據作為支撐，數(shù)據本身受噪聲干擾和測量精度影響存在一定誤差，將在一定程度上降低模型仿真結果的準確性。

圖6 面向控制的火電模型Fig.6 Thermal power model for control

3.2.2 面向熱力系統(tǒng)動態(tài)過程仿真的模型

關于火電變負荷過程的瞬態(tài)仿真大多從機理出發(fā)，主要包括兩類：第1 類是采用仿真軟件實現(xiàn)詳盡分析；第2 類是從本構方程出發(fā)，自行建模編程求解。

在利用商業(yè)建模仿真軟件進行建模方面，文獻［62-64］利用GSE 軟件平臺建立了超臨界燃煤火電機組的瞬態(tài)仿真模型；文獻［62-63］利用該模型對不同一次調頻策略下關鍵熱力參數(shù)的動態(tài)響應特性和機組的調頻性能進行了定量分析；文獻［64］對不同變負荷瞬態(tài)工況下機組的能耗特性進行了定量對比。此外，dymola、APROS、gPROMS 等軟件也可用于火電機組三維、二維動態(tài)仿真，該類模型較多應用于熱力系統(tǒng)精細化仿真，可用于火電機組變負荷動態(tài)特性分析及能耗特性監(jiān)測與優(yōu)化。但該類三維流動換熱仿真商業(yè)軟件無法和電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件相匹配，且計算速度相對較慢，在保證仿真精確性的同時，無法兼顧普適性和快速性。

在動態(tài)數(shù)學模型方面，主要針對機組建立質量、體積、能量和動量守恒等方程并求解。文獻［44］建立的汽包鍋爐詳細模型即為該類建模方法的典型代表。文獻［65-67］建立了超臨界直流鍋爐的集總參數(shù)移動邊界動態(tài)模型，該模型解決了直流鍋爐在不同壓力下的模型切換問題，適用于全工況仿真。文獻［60，68］建立了省煤器、汽包及過熱器部分模型，對3 個部分工質的溫度和壓力動態(tài)均進行分析，并對3 種模型參數(shù)辨識方法（最小二乘法、極大似然法和最大期望算法）進行定量比較與分析。該建模方法能夠準確描述鍋爐的詳細動態(tài)特性，并能反映不同運行工況下鍋爐動態(tài)特性的差異。文獻［69-70］采用能量流法對超臨界火電一次調頻過程進行動態(tài)仿真，將直流鍋爐視作一定長度的換熱器，考慮汽水工質相變、流動阻力及熱物性，該方法可得到主汽壓力隨閥門開度的變化，并提出相應的鍋爐蓄熱系數(shù)算法。文獻［71-72］提出了考慮汽包鍋爐相變段、回熱系統(tǒng)及汽輪機級間流動特性的調頻動態(tài)仿真方法，實現(xiàn)了對主汽閥調節(jié)策略、凝結水節(jié)流等策略的協(xié)同互補分析，且證明了考慮汽輪機有利于提升調頻仿真精度。此外，還有學者對鍋爐水冷壁計算采用移動邊界法求解，較固定邊界法精度更高［73-74］。

閥門流量特性也是采用機理法建模的重點之一［46，75］。機理建模方法主要采用簡化線性或者非線性擬合方法，也未對閥門內部流量特性展開更深入的分析。

3.3 電網用一次調頻模型存在的問題

從電網的角度出發(fā)，現(xiàn)有一次調頻模型存在以下問題。

3.3.1 缺乏反映變工況、工況動態(tài)調整的機組快速精確建模

在電網側，如3.2 節(jié)所述，火電一次調頻仿真模型重點關注電網頻率特性與調速器控制特性。雖然也關注鍋爐與汽機動態(tài)響應特性［76］，認為鍋爐蓄熱能力是決定機組參與一次調頻幅度的關鍵，但所采用的鍋爐、汽機、閥門熱力模型都是從機理模型大幅簡化而來，簡化后只能反映輸入、輸出參數(shù)之間的映射關系或者外特性。很多系數(shù)必須依賴實驗辨識，由于機組一次調頻能力與工況、機組結構類型關系很大，需要辨識的數(shù)據難以窮舉。在一次調頻間隔減小、次數(shù)增多、幅度增大的趨勢下，對一次調頻動態(tài)仿真精度也隨之提高，繼續(xù)采用傳統(tǒng)的標準鍋爐、汽機、一次調頻模型，會導致電網一次調頻仿真的機組性能精度低、頻率響應結果精度低，嚴重影響電網頻率控制與安全穩(wěn)定。

在機組側，研究常用的精細化仿真方法也難以直接遷移到電網一次調頻仿真中。原因在于電力系統(tǒng)仿真大多是傳遞函數(shù)模型，計算速度快，而傳統(tǒng)的三維商業(yè)軟件仿真、一維非線性偏微分方程組計算耗時常達數(shù)小時以上，難以與現(xiàn)有的電網一次調頻仿真模型實現(xiàn)兼容，更無法在實際功率擾動發(fā)生時刻實現(xiàn)全網機組功率增量的實時計算，不能為電網運行與決策提供依據。

3.3.2 缺乏適用于運行方式或結構改造后的火電調頻動態(tài)建模

隨著“三改聯(lián)動”政策的推進，燃煤火電的定位將從電量主體改為提供調節(jié)能力的主體。為了提升火電的調頻、調峰能力，大規(guī)?；痣姍C組將進行靈活性改造、新型調頻技術改造等。

對于采用新型一次調頻技術的火電機組而言，機組調速器系統(tǒng)、務環(huán)節(jié)蒸汽流程等將面臨不同程度的改造。凝結水節(jié)流策略、高加給水旁路策略對汽輪機抽汽與回熱系統(tǒng)換熱等動態(tài)特性影響較大，補汽閥調頻策略對鍋爐流動換熱動態(tài)特性影響較大，供熱抽汽對中壓缸、供熱系統(tǒng)動態(tài)熱力過程影響較大。然而，現(xiàn)有模型僅考慮了鍋爐、汽機簡化換熱過程、容積效應，未全面考慮蒸汽熱力過程的動態(tài)特性以及多種調頻策略疊加后的動態(tài)特性，仿真精度低。因此，機組采用上述新型一次調頻技術并將其與傳統(tǒng)的主汽閥調節(jié)協(xié)同后，應該首先建立綜合考慮鍋爐、汽輪機、回熱系統(tǒng)熱力特性的新型調頻動態(tài)模型，為調頻控制及電網頻率仿真提供基礎。

對于進行調峰等靈活性改造的機組而言，機組結構與運行方式都有較大變化。例如，低壓缸切除、低壓缸光軸等直接對蒸汽流程及汽輪機硬件結構進行的改造，鍋爐低負荷穩(wěn)燃則是對燃燒過程進行的改造?；痣姍C組新結構、新運行方式及不同運行模式的頻繁切換，給火電機組的準確動態(tài)建模帶來難度。目前，改造后務類型機組的一次調頻仿真模型研究鮮有涉及，而且調峰靈活性改造對一次調頻的影響不可忽略。由此可知，亟須建立靈活性改造后、綜合電網和機組視角的一次調頻仿真模型，為電網一次調頻分析提供參考，為機組靈活性運行及參與電力市場提供依據。

4 火電一次調頻關鍵技術展望

通過從電網側和機組側分別分析火電一次調頻研究進展，提煉出火電機組面臨兩方面技術瓶頸：可資利用的機組一次調頻能力不足；缺乏快速準確動態(tài)建模。解決上述瓶頸問題需要從電網、機組結合研究的角度，將機組熱力學特性、一次調頻過程的機組蓄釋熱機理納入電網一次調頻動態(tài)建模及調頻能力優(yōu)化提升方法中，提出針對燃煤火電機組的原動機調頻動態(tài)響應技術及動態(tài)仿真模型。具體分析如下。

4.1 多調頻能量協(xié)同優(yōu)化及原動機調速器系統(tǒng)優(yōu)化

火電機組一次調頻技術的本質在于利用機組自身蓄熱實現(xiàn)快速改變機械功率的目的。一次調頻能力提升取決于兩個環(huán)節(jié)：一是調速器系統(tǒng)的優(yōu)化控制，二是通過機組自身運行優(yōu)化。

在機組自身運行優(yōu)化方面，提升調頻能力的關鍵在于充分挖掘機組務環(huán)節(jié)的蓄熱能力。傳統(tǒng)的主汽閥調節(jié)技術主要適用于亞臨界機組［45］，具體為改變主汽調節(jié)閥開度，通過主汽流量與主汽壓力快速變化，充分利用鍋爐蓄熱實現(xiàn)機組功率快速調節(jié)。隨著高效率火電機組的發(fā)展，超臨界火電機組逐漸展開應用，由于其采用的直流鍋爐蓄熱較低，采用主汽閥調節(jié)策略無法提供所需的一次調頻能力。對此，德國在1998 年提出了凝結水節(jié)流策略［28］，旨在利用回熱系統(tǒng)熱量自平衡原理釋放汽輪機蓄熱，該方式可在鍋爐蓄熱基礎上進一步提高火電調頻能力。除上述策略外，國內外研究機構還提出了高加給水旁路、供熱抽汽調節(jié)、補汽閥調節(jié)等一次調頻提升技術，以充分利用鍋爐、汽輪機等部分蓄熱能力提升機組一次調頻水平。

上述火電機組一次調頻技術均可發(fā)揮一定的一次調頻能力。但是，由于多種技術在實際運行中往往相互割裂，而它們之間的協(xié)同配合又存在熱力動態(tài)過程重疊、控制指令相反等難題［16］。如何在掌握機組務部件多時間尺度動態(tài)耦合特性基礎上，充分調用火電機組鍋爐、汽輪機回熱系統(tǒng)等蓄熱能力并進行協(xié)同優(yōu)化，是增強火電機組一次調頻能力的根本。為適應高比例新能源并網的新形勢，亟須揭示火電機組一次調頻過程中多時間尺度動態(tài)耦合機理，實現(xiàn)務環(huán)節(jié)調頻資源的協(xié)同互補優(yōu)化，以提升機組總體一次調頻能力。

如圖7 所示，以汽輪機為樞紐，研究主汽閥、補汽閥、供熱抽汽、給水旁路、凝結水節(jié)流調節(jié)多種策略聯(lián)合調頻技術（如圖中紅色虛線所示），挖掘務策略釋放鍋爐蓄熱、供熱系統(tǒng)蓄熱、汽輪機高低加熱器蓄熱，探究火電機組多調頻資源協(xié)同互補機理；并建立火電機組一次調頻過程中多時間尺度動態(tài)耦合模型，實現(xiàn)務環(huán)節(jié)調頻資源的協(xié)同互補優(yōu)化，以提升機組總體一次調頻能力，適應高比例新能源并網的新形勢。

圖7 火電多源一次調頻能量協(xié)同優(yōu)化Fig.7 Collaborative optimization of multi-source primary frequency regulation energy for thermal power

在原動機調速器系統(tǒng)優(yōu)化方面，需要將機組一次調頻能力優(yōu)化提升技術真實地嵌入調速器控制，在電網側對機組調速器系統(tǒng)進行優(yōu)化。旨在將凝結水節(jié)流、供熱抽汽等調頻策略中的被控參數(shù)（凝結水泵頻率、供熱蝶閥開度等調節(jié)指令）接入調速器系統(tǒng)的執(zhí)行機構；將務種調頻策略的運行控制邏輯與調速器系統(tǒng)、機爐CCS 等進行有機協(xié)調，真正將機組快速變負荷技術用于電網一次調頻。

4.2 適應機組變工況及構型、運行方式改造的快速準確動態(tài)建模

火電一次調頻動態(tài)仿真是火電汽輪機調速器優(yōu)化控制、機組調節(jié)控制及電網監(jiān)測火電調頻能力的基礎。為了實現(xiàn)網-源協(xié)調的火電一次調頻仿真，需對變工況運行以及機組結構或運行方式被改造的火電機組進行快速、準確動態(tài)建模。

機組變工況運行時，蒸汽的動態(tài)模型類型及運行參數(shù)發(fā)生較多變化，尤其是在火電機組轉為調節(jié)性電源后，機組出力大范圍波動、功率調節(jié)速率較大的特點愈發(fā)顯著。當機組偏離額定工況且工況頻繁變化時，機組實時的一次調頻能力難以被掌握。因此，需要對寬負荷運行的機組變工況動態(tài)建模進行深入分析。

機組結構或運行方式的改造一般指設備層面的靈活性改造、蒸汽流程控制改造、調頻能力提升改造等。被改造的機組本身就存在運行方式不成熟、缺乏歷史運行數(shù)據、缺乏通用的動態(tài)建模方法等難題，再加上被改造后原有的調頻、調峰方式被打破，甚至一定程度上受到改造技術影響，故改造機組的動態(tài)建模成為火電建模的重要部分。

針對變工況及被改造機組建立的火電動態(tài)模型須兼顧準確性和快速性。一方面，火電一次調頻動態(tài)仿真是電網實時掌握機組一次調頻能力的基礎，也是電網進行頻率安全控制的關鍵，故實現(xiàn)機組一次調頻的準確仿真是電網頻率安全的關鍵所在；另一方面，火電機組頻率響應動態(tài)模型須嵌入其一次調頻的在線實時控制環(huán)節(jié)，更精細的一次調頻建模帶來計算復雜度及算力需求的增加，對其仿真的快速性提出了更高挑戰(zhàn)。因此，兼顧一次調頻建模準確性與仿真快速性，是火電機組頻率響應精細化模型嵌入系統(tǒng)實時反饋控制的前提。

在完成快速、準確的機組一次調頻仿真后，可實現(xiàn)考慮網-源協(xié)調的一次調頻在線監(jiān)測。如圖8 所示，工作流程為機組DCS 采集工作介質的溫度、壓力、流量等運行數(shù)據，并發(fā)送至在線監(jiān)測系統(tǒng)。將這些運行數(shù)據輸入穩(wěn)態(tài)下的計算模型，對機組結構、換熱參數(shù)等數(shù)據采用穩(wěn)態(tài)模型實現(xiàn)辨識。將模型辨識參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)實時傳輸?shù)诫娋W，根據火電機組變工況下的一次調頻動態(tài)仿真結果，求得一次調頻能力評價指標。指標可以是傳統(tǒng)的鍋爐蓄熱系數(shù)或是選取電網考核指標，調度員可以據此在線獲得火力發(fā)電廠的實時一次調頻能力，為頻率安全控制提供參考。

圖8 火電廠一次調頻在線監(jiān)測系統(tǒng)Fig.8 On-line monitoring system for primary frequency regulation of thermal power plant

5 結語

新型電力系統(tǒng)建設背景下，燃煤火電機組仍是中國最核心、可靠的一次調頻資源。然而，目前的煤電已開始呈現(xiàn)出一次調頻能力不足的態(tài)勢。本文梳理歸納了新能源并網比例逐步升高過程中，火電一次調頻的發(fā)展趨勢：連續(xù)調頻增加，調頻功率幅度增大，調頻與調峰、保供電等多時間尺度調節(jié)需求疊加，多類型資源聯(lián)合調頻日益普遍。在電網側和機組側，都對火電一次調頻開展了大量研究，但側重點有所不同。電網側的研究關注火電一次調頻對于全網頻率的影響，對火電機組熱力特性關注較少；而機組側的研究關注機組瞬態(tài)靈活性提升的控制優(yōu)化和仿真，缺乏專門的一次調頻評價指標和調速器系統(tǒng)優(yōu)化。二者研究相對獨立，在研究層面存在很大的內涵差異，缺乏雙向研究視角的融合。這在以火電為支撐的傳統(tǒng)電網中尚可滿足頻率安全需求。但是在不確定性日漸增強的新型電力系統(tǒng)中，獨立考慮一次調頻和機組精細化瞬態(tài)特性導致網-源缺乏協(xié)調和雙向互動，造成機組側一次調頻能力未能充分利用、網側頻率安全難以保障的難題。

通過從電網和機組視角分別回顧火電一次調頻研究進展，提煉出火電機組面臨兩方面技術瓶頸：1）在火電一次調頻優(yōu)化提升方面，缺乏多調頻策略協(xié)同互補優(yōu)化控制方法，缺乏考慮多種調頻策略的調速器優(yōu)化控制方法；2）在火電一次調頻動態(tài)建模方面，缺乏針對機組變工況、工況動態(tài)調整以及機組結構或運行方式改造后的快速、準確建模，無法在功率擾動發(fā)生時對單臺及全網機組功率增量、頻率動態(tài)進行實時仿真。針對上述瓶頸問題，本文提出須從電網、機組結合研究的角度，將機組熱力學特性、一次調頻過程的機組蓄/釋熱機理納入電網一次調頻動態(tài)建模及調頻能力優(yōu)化提升方法中，提出針對燃煤火電機組的原動機調頻動態(tài)響應技術及動態(tài)仿真模型。未來主要研究方向為：1）多調頻能量協(xié)同優(yōu)化及原動機調速器系統(tǒng)優(yōu)化；2）適應機組變工況、機組結構與運行方式改造后的快速準確動態(tài)建模。