火電與新能源打捆送出對火電機組調峰調頻的影響

中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院 王 菲 奚蕓華 李文雄

內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司 邢耀敏 趙計平

目前，世界上許多發達國家和發展中國家正在大力發展風能和太陽能等新能源，以應對日益嚴峻的氣候變化和能源危機。中國也在推動可再生能源的發展上做出了許多努力，主要是將風電、光伏發電和火電打捆外送，同時根據新能源的特點分析，建設一定規模的火電廠，既能滿足新能源外送的調峰功率變化率要求，又能滿足用電市場調節和控制功率的需要。

但是風能和太陽能作為一種比較特殊的能源，不具備傳統能源穩定的特點，新能源的負荷因為受氣候和環境的影響具有較高的不確定性、也難以調節，且新能源功率預測手段準確率還不高，對傳統火電機組的調峰調頻性能有較大的影響[1]。本文針對新能源火電打捆外送模式下，火電機組調峰調頻所面臨的各種問題展開研究，并總結了主要受影響的因素。

1 新能源打捆對火電機組調峰的影響因素

一般情況下，火電廠可能處于深度調峰狀態以滿足新能源消納需求，但隨著近年來新能源和火電打捆外送的陸續投產，電網中的新能源裝機容量也在增加，導致新能源發電量過高，火電廠的負荷率下降以滿足新能源的消納需求，當消納需求仍無法滿足時，甚至需要考慮火電機組停機調峰。火電機組深度調峰和啟停調峰對電網運行的經濟性和靈活性都有一定影響。

由于熱力系統的結構原因，傳統火電機組理論上并不適合大范圍、運行工況變化較大的運行條件。對比常規負荷工況，設備的狀態以及熱力系統的運行參數在機組深度調峰的情況下都會有較大變化，也導致了被控制對象有較大的差異[2]。

以一個典型的亞臨界汽包鍋爐單元機組為例，協調控制系統被控對象為燃料量-汽輪機高壓缸進汽調節閥開度對汽輪機前蒸汽壓力-發電負荷雙入雙出對象[3]，機組采用DEB（直接能量平衡）反饋加發電負荷指令前饋形式的協調控制系統，以下影響因素會對機組的控制系統產生影響，進而傳統火電機組的調峰性能也受到影響。

燃料增益。隨著新能源打捆外送的增加，火電機組發電負荷減少，燃料增益逐漸減小[2]。

鍋爐蓄熱系數。鍋爐蓄熱系數定義為在鍋爐燃燒率不變時鍋爐每降低一個壓力所釋放出來的蒸汽與鍋爐額定蒸發量的比，表示鍋爐蓄熱能力的大小。隨著部分火電機組的退出，發電負荷降低、汽輪機前壓力降低，鍋爐蓄熱系數不斷升高[3]。

制粉系統延遲時間。新能源大量并網情況下，火電機組為超低負荷工況，煤在給煤機內輸送的時間增長、在磨煤機內堆積的時間增長、在一次風粉管道內輸送的時間也會增加，同時為了穩定燃燒需要減小一次風量和一次風壓波動，進一步導致制粉系統延遲時間增加[3]。

制粉慣性時間。在制粉系統設備結構確定的情況下，磨煤機平均給煤量、一次風煤比、煤質變化等因素會影響到制粉系統的慣性時間。平均給煤量越小，慣性時間越短；一次風煤比越大，制粉慣性時間越短[3]。

上述因素的變化會對火電機組協調控制系統的運行產生重大影響。同時，在進行新電源并網前后的負荷控制擾動試驗后發現，新電源并網時機組的主要控制指標與新電源并網前的指標有偏差，被控對象參數的變化幅度超過了協調控制系統PID控制器能夠保持穩定的范圍，控制質量不合格。改善措施為根據對象特性變化，對控制系統中鍋爐蓄熱系數、鍋爐主控PID參數進行調整。

2 新能源火電打捆對火電機組調頻的影響因素

大量的新能源與火電機組打捆外送，新能源發電的間歇性會導致新能源機組的有效發電量與系統的負荷之間的動態失衡。如果火電機組不能對新能源的波動做出快速反應，將導致電網出現明顯的頻率偏差，甚至超過閾值，這不僅會危及機組的安全，還可能影響系統的穩定性。下文將簡述新能源打捆外送對機組對傳統火電機組調頻性能的影響。

2.1 啟停調峰時火電機組關停并網機組臺數

當新能源打捆外送時，部分火電機組被關停以便為新能源機組騰出空間，從而平衡整個電力系統的過剩產能，也被稱為啟停調峰。在啟停調峰模式下，新能源的引入修正了傳統火力發電機組的慣性，導致系統慣性的減少，這大大降低了發電機組對干擾的抵抗力，并導致火電機組一次調頻性能下降。

2.2 深度調峰時火電機組響應速率降低

不同于啟停調峰運行，火電機組在深度調峰運行時保證機組不脫網運行，保留系統中的常規同步發電機數量，可知電力系統的轉動慣量保持不變，提高了維持系統頻率穩定的能力。在實際系統中的深度調峰為當新能源出力波動時，調節火電機組的出力來適應新能源機組的出力，保證系統發電量的平衡。

火電機組在深度調峰工況時，由于沒有關停常規的同步發電機組，當新能源出力變化時，系統中的其它參數如系統慣量系數、旋轉阻尼系數等將不發生變化。火電機組處于深度調峰運行狀態下的機組負荷率較低，隨著機組負荷率的下降，慣性時間常數減小，機組的響應速率也在隨之降低，并且火電機組輸出功率的變化量在相同時間內也隨著負荷工況點的降低而不斷減小，火電機組的頻率調節出力在逐漸減小，一次調頻性能減弱[4]。

2.3 機組慣性響應及一次調頻響應容量不足

當大量的新能源與火電打捆時，傳統機組的慣性響應和一次調頻響應容量是不夠的。因此，新能源機組并入電網后，可能造成系統在頻率突然下降時其減緩下降的慣性響應慣量不足；且在恢復階段，若一次調頻響應的作用效果不佳、未能有效恢復頻率，不僅會影響傳統發電機組的穩定運行，嚴重時可能造成電力系統的崩潰[5]。

總而言之，隨著新能源滲透率的增長，火電機組進行啟停調峰或者深度調峰時，機組的一次調頻性能都會受到較大影響。為提高機組的一次調頻能力，現有的技術有凝結水節流調頻、可調整回熱抽汽調頻，以及輔助一次調頻技術、包括蓄電池儲能調頻以及飛輪儲能調頻等。

綜上，本文分別從調峰和調頻性能角度對于大規模新能源接入電網后對火電機組造成的影響進行分析，確定了其影響的因素。主要因素為風、光電的隨機性、間歇性、反調峰特性及出力波動大，相對穩定的火電機組以調峰、調頻方式繼續完成發電任務，但機組負荷運行工況變化較大對系統協調控制性能產生影響。

對火電機組調峰產生影響的因素主要有燃料增益、鍋爐蓄熱系數、制粉系統延遲時間及慣性時間。對調頻產生影響的主要原因為在啟停調峰工況時，新能源大量并網導致火電機組的退出運行，降低了機組一次調頻性能，深度調峰時機組的響應速率降低、調頻性能降低等。