火電機組有效蓄熱發電能力上限估計方法研究

龐向坤，張緒輝，游大寧，于慶彬，韓英昆

(1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250002;2.山東電力調度控制中心，山東 濟南 250000)

0 引言

隨著我國新能源發電裝機容量的不斷擴大，新能源并網發電量也不斷攀升。截止2019年底，我國的風電、光伏裝機容量已經達到2.4億千瓦，并網發電量達6 300億千瓦,推進了我國能源低碳轉型步伐[1]。盡管新能源發電具有低碳、環保等優點，但是其也存在波動性、間歇性、隨機性等不足。其大規模并網為電網穩定運行帶來了巨大挑戰[2-3]。

利用火力發電機組實發功率調整功能降低新能源發電波動性與隨機性的方法，日益受到重視。因此，估計火電機組實發功率調整性能參數等，已經成為電網充分利用火電機組降低新能源發電波動性與隨機性的重要條件。

本文針對火電機組最快負荷調整量上限，通過對火電機組歷史運行數據進行挖掘，得到了其對應的機組有效蓄熱發電能力上限值的估計值，同時給出了所述方法在多臺火電機組的具體應用結果。

1 研究現狀

當前，為了確保新能源大規模并網背景下的電網穩定運行，降低新能源發電波動性與隨機性對電網穩定運行的影響，所采用的主要手段包括蓄能技術利用和技術優化改造兩個方面。以下就這兩個方面的現狀分別予以介紹。

在蓄能技術利用方面，主要采用電池組、抽水蓄能、旋轉備用等儲能策略，在不同層面實現對電網功率平衡的快速支撐。文獻[3]討論了飛輪儲能裝置在風電機組調頻控制方面的可行性。文獻[4]通過在風電場配置儲能電池實現儲能與風電協調出力，降低風力發電的隨機波動性和不確定性。文獻[5]在肯定抽水蓄能電站對電力系統調峰調頻重要性的基礎上，討論了我國未來抽水蓄能電站的建設方向。

在技術優化改造方面，主要通過對現有技術的升級，提高機組自動發電性能，實現對電網波動的快速響應。文獻[6]介紹了通過協調控制系統技術改造，實現對機組自動發電控制性能提升的應用案例。文獻[7]討論了自動發電控制在電網頻率調整中的應用。文獻[8]通過對機組燃燒、磨煤機、送引風等自動調節系統的優化，實現了火電機組自動發電控制性能優化。

另外，還有部分研究者對多種因素進行綜合考慮，提出了協調控制策略。文獻[9]對比了儲能電源和火電機組調頻特性，提出了基于低通濾波算法的儲能參與電網二次調頻控制策略，實現了充分利用儲能電源和火電機組進行電網頻率控制的目的。文獻[10]綜合考慮風電、火電、水電等多類型電源機組運行特性,通過建立風-火-水-氣-核-抽水蓄能多類型電源機組協同調度的旋轉備用優化模型，并提出一種自適應遺傳算法與分枝切割算法相結合的雙層優化算法求解所建模型，實現了電網綜合效益最優。

傳統火力發電在我國電力構成中一直占據主導地位。隨著特高壓建設加快投運和新能源發電的快速發展，火電機組在系統中的角色定位正由單一的電源支撐向兼具優質、可靠的輔助服務生產方式轉變。因此，火電機組靈活調節作用越來越重要。其具體表現在：火電機組自動發電控制(automatic generation control,AGC)、一次調頻輔助服務補償已經在全國開展，機組的深度調峰技術逐漸開始應用。盡管這些評價標準都在一定程度上體現了火電機組的運行水平，但其都是事后評價，無法提前衡量火電機組快速響應電網需求的調節能力或裕量。機組利用有效蓄熱進行負荷響應的過程特征如圖1所示。

圖1 機組利用有效蓄熱進行負荷響應的過程特征Fig.1 Process characteristics of load response using effective heat storage of unit

圖1(a)是火電機組響應小范圍AGC指令的功率調節過程，其響應快速性顯然較好；圖1(b)是一次較大范圍負荷調節過程，可以看到機組先以較快速度進行響應，然后響應速度下降，最后響應速度再次提高。從AGC考核角度來看：圖1(a)中AGC性能良好；圖1(b)中前兩次AGC響應性能良好，之后機組便出現較大AGC指令跟蹤偏差，無法達到滿意的AGC性能。之所以會出現這樣的狀況，是因為機組接到電網調度指令后，通過控制系統對汽輪機調節閥進行調節，也向鍋爐側的給水、送風、給煤等系統發出調節指令。由于鍋爐是大滯后系統，因此機組對電網需求響應過程主要是利用機組有效蓄熱實現。在同等約束條件下，汽包爐比直流爐的AGC調節效果更好便基于此原因。機組蓄熱中，可轉化為發電量的部分稱為有效蓄熱,利用火電機組有效蓄熱抑制新能源波動已經受到了重視[11-12]，但是尚缺乏機組有效蓄熱量估計的技術方法。

火電機組利用有效蓄熱發電快速性的優點，以火電機組有效蓄熱發電能力抑制新能源波動、提高運行穩定性等，對電網運行具有重要意義。本文以機組實發功率歷史數據為基礎:首先，采用分段線性表達方法獲得機組正向調節數據段；其次，以所獲得的機組功率調節數據段為基礎，進行特殊數據段選擇，在假設機組有效蓄熱能力調節速度最快的條件下，得到機組有效調節數據段；最后，通過對所得到的有效蓄熱功率數據段進行統計分析，得到火電機組有效蓄熱發電能力上限值。

2 基本方法

本文所述的火電機組有效蓄熱發電能力上限值計方法，主要由火電機組實發功率數據正向調節段選擇、正向調節特征數據段選擇和有效蓄熱發電能力上限值估計三個步驟構成。

2.1 分段線性表示

分段線性表達(piece-wise linear representations,PLR)是一種使用廣泛的數據挖掘技術[13-14]。其基本思想是將數據序列劃分成小的子序列，然后以線性回歸得到各個子序列對應的直線段。得到的直線段消除了噪聲影響，且使得各個子序列的量化特征容易獲得。

x(n)=ak+bkn+e(n)

(1)

其中:

(2)

因此，第k個子序列可以由如下直線段表示：

(3)

(4)

L-法基于L(K)和K利用下面2條直線形成L形曲線。這2條直線的斜率和截距估計如下：

所得到的L形曲線的拐點，即為分段數K的估計值：

式中：Kmax取值一般為0.5 N。

2.2 特征數據段選擇

(5)

ΔT(k)=nk+1-nk-1

(6)

(7)

(8)

式中：S為所選擇的有效蓄熱功率調節數據段樣本數量。

2.3 有效蓄熱發電能力上限值估計

(9)

式中：h為采樣周期，s。

?s∈[1,S]}>C0}

(10)

式中：ΔP,max為機組有效蓄熱發電能力上限估計值；C{·}為計算集合中的元素數量；C0為集合中元素數量的閾值。

式(10)的含義就是要使得較大值的功率調節量樣本ΔP(s)發生不少于C0次。

3 應用流程

為了明確本文所述火電機組有效蓄熱發電能力上限值估計方法，以下按照該方法的實際應用流程，分具體應用步驟予以闡述。

4 應用驗證

為了驗證本文所提出的火電機組有效蓄熱發電能力上限值估計方法的有效性，本節首先以華北電網某330 MW火電機組的實發功率歷史數據為基礎，詳細闡述所提出方法的應用步驟；之后給出了華北電網5臺火電機組有效蓄熱發電能力上限值的估計結果。

為了說明本文所述方法的應用步驟，在此以華北電網某330 MW火電機組的實發功率歷史數據為基礎進行說明。首先，提取該機組2019年8月1日0時整至8月12日12時59分59秒的歷史數據(共300小時)，采樣周期為1 s，總數據序列長度為300×24×3 600=2.592×107。其次，對這些數據進行PLR，共得到174 847個子數據序列。然后，依據式(5)、式(6)分別計算序列的幅值變化量ΔA(k)和ΔT(k)，k∈[1,174 847]。

由于火電機組功率允許波動范圍是0.5 MW，為了避免機組合理波動造成的誤差，因此|ΔA(k)|<0.5的數據段統計結果被舍棄。

圖2 PLR結果提取的信息分布圖Fig.2 Information distribution map of PLR result extraction

所選取的數據段集合對應于圖3中菱形點。顯然這樣數據段在同等調節量下具有最大速率值。

圖3 功率調節量ΔA(k)與數據段的斜率的散點圖Fig.3 Scatter plot of power regulation ΔA(k) and

圖4 ΔP(s)樣本分布圖Fig.4 Sample distribution of ΔP(s)

火電機組的機組蓄熱與眾多因素有關。根據機組蓄熱一般性規律，蓄熱量與機組鍋爐類型有關。隨著機組裝機容量增大，蓄熱量與機組裝機容量的比例呈現下降趨勢，直流鍋爐蓄熱量與機組裝機容量之比小于汽包鍋爐[16]。

為了進一步說明本方法的有效性，表1給出了5臺機組的有效蓄熱發電能力上限值估計結果。

表1 5臺機組有效蓄熱發電能力上限值估計結果Tab.1 Estimation results of upper limit value of effective thermal storage power generation capacity of 5 units

由于機組有效蓄熱為整體蓄熱的一部分，因此估計所得的機組有效蓄熱發電能力上限值也應符合上述規律。在表1中，1#～3#機組為汽包爐，2#機組與3#機組均是在300 MW機組基礎上增容改造后得到；4#與5#是兩臺直流爐。從所獲得的機組有效蓄熱發電能力上限值估計結果來看，1#機組與2#機組的有效蓄熱發電能力上限值明顯偏小；3#機組與前述案例中機組的有效蓄熱發電能力上限值較好；4#與5#機組為超超臨界直流鍋爐機組。盡管其有效蓄熱發電能力上限值也較大，但是蓄熱發電能力上限值與裝機容量的比值仍然小于3#機組及前述案例中汽包爐蓄熱發電能力上限值。

5 結論

本文針對新能源發電大規模并網帶來電網波動抑制問題，充分考慮火電機組利用有效蓄熱進行功率調節具有極好的快速性特點，提出了火有效蓄熱發電能力上限估計方法。所提出的方法以火電機組實發功率歷史數據為基礎，采用PLR方法獲得機組在局部范圍內的調節量、調節持續時間和調節速率，再通過對PLR數據進行選擇，得到有效功率調節數據段及其調節整量等信息。最后，通過計算有效調節整數據段對應功率變化量，得到了有效功率調節數據段對應的功率變化樣本集，并通過功率變化樣本集估計得到有效蓄熱發電能力上限。

通過對多臺火電機組進行應用，表明本文所述方法具有良好的有效性、可行性和適用性，所得的到火電機組有效蓄熱發電能力上限值反映了機組最快負荷調節量，對于評價火電機組發電調頻性能及電網利用蓄熱發電抑制自身波動都具有重要參考意義。