1.4 火电机组一次调频极限响应特性分析

火电机组提供的一次调频能力是支撑电力系统稳定性的重要手段，而当火电机组参与灵活性改造之后，在低负荷区间段内运行的时候，其一次调频能力较中高负荷下的调节能力发生了较大的减弱，实测1000MW机组在35%额定负荷下的一次调频响应幅度不足2.5%额定负荷，实际速度不等率为12.1% ^[150] 。因此，进行火电机组一次调频能力综合评估，尤其是火电机组低负荷下的评估，在未来以新能源为主的新型电力系统运行中具有重要意义。现有研究针对一次调频能力评估的方法往往采用现场试验的方式，基于实际运行数据评估的手段往往不能描述机组极限状态，而且现有的方法往往采用一次调频响应总量来表征机组一次调频响应能力，并且对同一机组在不同工况下的表现形式缺乏研究。本节将结合机理分析提出一种一次调频极限响应评估方法，全面描述机组一次调频动作时的变化，然后将基于某一台具体机组，定量且系统性地分析多个工况点下机组的响应特性，对机组一次调频能力随机组工况的变化趋势进行表征。此外，本节的结论将会推导出机组调差系数随机组工况的变化规律，为后文基于火电灵活性的频率控制优化提供模型变化时的理论支撑。

1.4.1 火电机组一次调频能力理论分析

电力系统是一个需要做到发电功率与机组负荷实时相匹配的过程，一旦发电功率与机组负荷某一方发生扰动，打破了实时平衡，则系统频率将会发生变化。在用户负荷不变的前提下，发电机组的有功功率直接影响了电力系统的频率，对机组有功进行控制就能保持频率稳定，这也就是LFC的由来。为分析方便，在此将二次调频信号省略，只分析一次调频的动作过程。如图1-26所示，在火电厂内，当火电机组检测到转速已经偏离3000r/min时，将转速偏差信号Δ n 经过机组调差系数转换传送给调速系统，然后汽轮机阀组开始动作，汽轮机开始改变功率将转速向3000r/min靠近，最终实现无差调节需要二次调频的参与。图1-27所示为电厂实际一次调频响应示意图，通常对频差响应会有一定的死区，以避免频繁波动，受到传热过程的惯性影响，锅炉蓄热不会一下子传递到汽轮机进行做功，中间负荷也会有一定的波动。由于机组在进行一次调频时，往往会受到机组协调控制系统（Coordinated Control System，CCS）的干扰，CCS干扰的手段主要有两方面，一方面是改变锅炉主控，增加或者减少给煤量，另一方面受到主汽压力等的变化，压力拉回等安全保护措施开始行动，不再允许阀门自由调节。在没有接收到新的能量或者受到CCS的干扰时，当锅炉蓄热释放殆尽或者阀门逐渐关小调节主汽压或负荷返回设定值时，一次调频电量在1min以后逐渐减小。在这个实际响应过程中，电网考核比较关注频差扰动信号添加后15s、30s和60s的实时响应功率，必须到达指定负荷下的75%以上。

假设转差为阶跃信号，忽略锅炉蓄热传递的时间，一般情况下的一次调频响应电量理想形状类似于图1-27，其中横坐标表示时间，纵坐标表示火电机组在一次调频动作过程中的瞬时电量增量。当汽轮机阀门开大时，过热器中的主蒸汽将会涌入汽轮机中做功，由于一次调频响应过程时间极短，其中消耗的能量来自水冷壁、过热器等的蓄热，因此一次调频实质是短时间利用锅炉蓄热的过程。当一次调频信号施加到汽轮机主控上时，CCS也开始动作，改变锅炉主控增加或减少给煤量、给水量等来配合汽轮机的动作，最终弥补在本次调频动作中的系统能量损失，保持火电机组的运行参数与AGC指令相等。根据理论分析，图1-27中的形状符合一般情况下的变化。但是由于炉侧反应迟缓，常以分钟级来计算，跟不上机侧的秒级动作，因此在一次调频过程中消耗的是锅炉部分的蓄热量，燃料量仅在后续进行补充。如果阀门开得过大，机组蓄热量支撑不到锅炉给煤增量中的热量到来，则一次调频中的实时电量会瞬间下降，当CCS调控的给煤量热量对机组蓄热量补充时，一次调频实时电量才会跟上，这种条件下的一次调频响应瞬时电量形状如图1-27所示。图1-27的运行方式过度利用了机组蓄热，造成某些时刻下能量的不足，实际上这是进行一次阀门阶跃扰动通常会出现的形状，如果不进行其他动作，负荷将会回落至动作前的数值，体现输入输出能量平衡。但是从实现消除转差等一次调频实际目的上来说，这种方式是达不到要求的，因为转差还在，而电量却没有得到持续的支撑。并且低负荷下机组安全性裕度小，如果采用这种方式会造成机组稳定性失衡，危害机组安全，因此图1-28b的运行方式不是满足要求的运行方式。当机组设置的调差系数较大，阀门开启幅度小，或者机组当前蓄热量充足，则有相当一部分热量未被充分利用，将会如图1-28c中的阴影部分所示。图1-28b和图1-28c都不是最优的锅炉蓄热利用形式。因此，我们认为图1-28是在一次调频过程中机组蓄热量极限且安全的利用形状。图1-28b中的 F 表示的是负荷回落到动作前的数值。

1.4.2 火电机组一次调频评估算法描述

图1-29所示为一次调频极限响应示意图。由图可知，当发生转差扰动Δ n 时，机组调速系统开始动作，受到机组模型 G _T （ s ）的影响，发出的电量近似地呈现出类似 AB 的曲线效应，机组一直保持最大的响应幅度 P _n 经历时间 τ 到达 D 点，将机组蓄热使用完，并且在 D 点开始接收到来自锅炉主控的能量补充，整个能量切换过程在 CD 处实现理想状态下的切换。此种条件下的机组一次调频极限利用方式完整地利用了机组蓄热变化量，并且完成了机组蓄热与CCS中锅炉主控能量供给的理想衔接，保证了机组安全。因此，关于如何对不同工况下的机组一次调频极限响应进行评估转化成计算不同工况下图1-29中的 ABCD 区域。

图1-29中包含若干数值和变量。 E _n 代表本次调频动作所释放的锅炉总蓄热量转化成的总电量，在主汽阀门进行变化的过程中，机组的蓄热量需要进行计算，这个过程中的蓄热量主要来自水冷壁中的工质和金属，以及过热器中的工质和金属，蓄热量转化成电量中间还有效率的问题，不同工况下相同的阀门开度释放的机组蓄热量不相同，并且不同工况下汽轮机的效率也不相同。 τ 表示锅炉指令到阀门处能量传递的响应时间，锅炉指令下达到汽轮机阀门处的热量得到补充的这段时间是机组本身蓄热量需要支撑的时间，在锅炉主控提供的额外能量到达之前，一次调频响应能量不能发生断裂，否则认为这不是安全的运行方式。这其中经历了给煤指令下达，磨煤机研磨，皮带传送，入炉燃烧，各受热面吸收热量，最后热量得到补充等过程，指令下达到入炉燃烧这一阶段的时间不会受到工况不同的影响，但是低负荷下烟气流速慢、流量小，势必会影响热量的吸收和传递，延长能量传递的时间，这一点将会导致不同负荷下的蓄热量需要支撑时间长短不同。若 G _T （ s ）、 E _n 和 τ 确定了，则 P _n 便可求解， P _n 和机组实际调差系数相关。因此，本节提出了如图1-30所示的一次调频极限响应综合评估算法。本算法分为三部分，第一部分将利用建模仿真的手段，根据历史运行数据来计算锅炉主控到汽轮机前的能量传递时间 τ 。根据初步分析，时间 τ 应该是随着机组负荷的下降而增加的。第二部分为计算调速系统动态模型，动态模型关乎曲线 AB 。第三部分为计算主汽阀门变化过程中的锅炉蓄热变化总量，蓄热变化量的来源为水冷壁中的工质、金属和大型过热器中的工质、金属。此外，还需要计算不同工况下的汽轮机能量转换效率，将锅炉蓄热变化量折合成一次调频响应电量。当 G _T （ s ）、 E _n 和 τ 确定时，就可以计算 P _n 。确认所有工况完成后，即可完成对不同工况下机组一次调频极限响应能力的综合评估。