火電機組有效蓄熱發(fā)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(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250002;2.山東電力調(diào)度控制中心，山東 濟南 250000)

0 引言

隨著我國新能源發(fā)電裝機容量的不斷擴大，新能源并網(wǎng)發(fā)電量也不斷攀升。截止2019年底，我國的風(fēng)電、光伏裝機容量已經(jīng)達到2.4億千瓦，并網(wǎng)發(fā)電量達6 300億千瓦,推進了我國能源低碳轉(zhuǎn)型步伐[1]。盡管新能源發(fā)電具有低碳、環(huán)保等優(yōu)點，但是其也存在波動性、間歇性、隨機性等不足。其大規(guī)模并網(wǎng)為電網(wǎng)穩(wěn)定運行帶來了巨大挑戰(zhàn)[2-3]。

利用火力發(fā)電機組實發(fā)功率調(diào)整功能降低新能源發(fā)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(fā)功率調(diào)整性能參數(shù)等，已經(jīng)成為電網(wǎng)充分利用火電機組降低新能源發(fā)電波動性與隨機性的重要條件。

本文針對火電機組最快負(fù)荷調(diào)整量上限，通過對火電機組歷史運行數(shù)據(jù)進行挖掘，得到了其對應(yīng)的機組有效蓄熱發(fā)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(yīng)用結(jié)果。

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，為了確保新能源大規(guī)模并網(wǎng)背景下的電網(wǎng)穩(wěn)定運行，降低新能源發(fā)電波動性與隨機性對電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響，所采用的主要手段包括蓄能技術(shù)利用和技術(shù)優(yōu)化改造兩個方面。以下就這兩個方面的現(xiàn)狀分別予以介紹。

在蓄能技術(shù)利用方面，主要采用電池組、抽水蓄能、旋轉(zhuǎn)備用等儲能策略，在不同層面實現(xiàn)對電網(wǎng)功率平衡的快速支撐。文獻[3]討論了飛輪儲能裝置在風(fēng)電機組調(diào)頻控制方面的可行性。文獻[4]通過在風(fēng)電場配置儲能電池實現(xiàn)儲能與風(fēng)電協(xié)調(diào)出力，降低風(fēng)力發(fā)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(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻重要性的基礎(chǔ)上，討論了我國未來抽水蓄能電站的建設(shè)方向。

在技術(shù)優(yōu)化改造方面，主要通過對現(xiàn)有技術(shù)的升級，提高機組自動發(fā)電性能，實現(xiàn)對電網(wǎng)波動的快速響應(yīng)。文獻[6]介紹了通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)技術(shù)改造，實現(xiàn)對機組自動發(fā)電控制性能提升的應(yīng)用案例。文獻[7]討論了自動發(fā)電控制在電網(wǎng)頻率調(diào)整中的應(yīng)用。文獻[8]通過對機組燃燒、磨煤機、送引風(fēng)等自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)了火電機組自動發(fā)電控制性能優(yōu)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(xié)調(diào)控制策略。文獻[9]對比了儲能電源和火電機組調(diào)頻特性，提出了基于低通濾波算法的儲能參與電網(wǎng)二次調(diào)頻控制策略，實現(xiàn)了充分利用儲能電源和火電機組進行電網(wǎng)頻率控制的目的。文獻[10]綜合考慮風(fēng)電、火電、水電等多類型電源機組運行特性,通過建立風(fēng)-火-水-氣-核-抽水蓄能多類型電源機組協(xié)同調(diào)度的旋轉(zhuǎn)備用優(yōu)化模型，并提出一種自適應(yīng)遺傳算法與分枝切割算法相結(jié)合的雙層優(yōu)化算法求解所建模型，實現(xiàn)了電網(wǎng)綜合效益最優(yōu)。

傳統(tǒng)火力發(fā)電在我國電力構(gòu)成中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著特高壓建設(shè)加快投運和新能源發(fā)電的快速發(fā)展，火電機組在系統(tǒng)中的角色定位正由單一的電源支撐向兼具優(yōu)質(zhì)、可靠的輔助服務(wù)生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。因此，火電機組靈活調(diào)節(jié)作用越來越重要。其具體表現(xiàn)在：火電機組自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)、一次調(diào)頻輔助服務(wù)補償已經(jīng)在全國開展，機組的深度調(diào)峰技術(shù)逐漸開始應(yīng)用。盡管這些評價標(biāo)準(zhǔn)都在一定程度上體現(xiàn)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(yīng)電網(wǎng)需求的調(diào)節(jié)能力或裕量。機組利用有效蓄熱進行負(fù)荷響應(yīng)的過程特征如圖1所示。

圖1 機組利用有效蓄熱進行負(fù)荷響應(yīng)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(yīng)小范圍AGC指令的功率調(diào)節(jié)過程，其響應(yīng)快速性顯然較好；圖1(b)是一次較大范圍負(fù)荷調(diào)節(jié)過程，可以看到機組先以較快速度進行響應(yīng)，然后響應(yīng)速度下降，最后響應(yīng)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(yīng)性能良好，之后機組便出現(xiàn)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(xiàn)這樣的狀況，是因為機組接到電網(wǎng)調(diào)度指令后，通過控制系統(tǒng)對汽輪機調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，也向鍋爐側(cè)的給水、送風(fēng)、給煤等系統(tǒng)發(fā)出調(diào)節(jié)指令。由于鍋爐是大滯后系統(tǒng)，因此機組對電網(wǎng)需求響應(yīng)過程主要是利用機組有效蓄熱實現(xiàn)。在同等約束條件下，汽包爐比直流爐的AGC調(diào)節(jié)效果更好便基于此原因。機組蓄熱中，可轉(zhuǎn)化為發(fā)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(jīng)受到了重視[11-12]，但是尚缺乏機組有效蓄熱量估計的技術(shù)方法。

火電機組利用有效蓄熱發(fā)電快速性的優(yōu)點，以火電機組有效蓄熱發(fā)電能力抑制新能源波動、提高運行穩(wěn)定性等，對電網(wǎng)運行具有重要意義。本文以機組實發(fā)功率歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ):首先，采用分段線性表達方法獲得機組正向調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)段；其次，以所獲得的機組功率調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)段為基礎(chǔ)，進行特殊數(shù)據(jù)段選擇，在假設(shè)機組有效蓄熱能力調(diào)節(jié)速度最快的條件下，得到機組有效調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)段；最后，通過對所得到的有效蓄熱功率數(shù)據(jù)段進行統(tǒng)計分析，得到火電機組有效蓄熱發(fā)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(fā)電能力上限值計方法，主要由火電機組實發(fā)功率數(shù)據(jù)正向調(diào)節(jié)段選擇、正向調(diào)節(jié)特征數(shù)據(jù)段選擇和有效蓄熱發(fā)電能力上限值估計三個步驟構(gòu)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(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[13-14]。其基本思想是將數(shù)據(jù)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(yīng)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(shù)K的估計值：

式中：Kmax取值一般為0.5 N。

2.2 特征數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)數(shù)據(jù)段樣本數(shù)量。

2.3 有效蓄熱發(fā)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(fā)電能力上限估計值；C{·}為計算集合中的元素數(shù)量；C0為集合中元素數(shù)量的閾值。

式(10)的含義就是要使得較大值的功率調(diào)節(jié)量樣本ΔP(s)發(fā)生不少于C0次。

3 應(yīng)用流程

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

4 應(yīng)用驗證

為了驗證本文所提出的火電機組有效蓄熱發(fā)電能力上限值估計方法的有效性，本節(jié)首先以華北電網(wǎng)某330 MW火電機組的實發(fā)功率歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述所提出方法的應(yīng)用步驟；之后給出了華北電網(wǎng)5臺火電機組有效蓄熱發(fā)電能力上限值的估計結(jié)果。

為了說明本文所述方法的應(yīng)用步驟，在此以華北電網(wǎng)某330 MW火電機組的實發(fā)功率歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)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(shù)據(jù)(共300小時)，采樣周期為1 s，總數(shù)據(jù)序列長度為300×24×3 600=2.592×107。其次，對這些數(shù)據(jù)進行PLR，共得到174 847個子數(shù)據(jù)序列。然后，依據(jù)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(shù)據(jù)段統(tǒng)計結(jié)果被舍棄。

圖2 PLR結(jié)果提取的信息分布圖Fig.2 Information distribution map of PLR result extraction

所選取的數(shù)據(jù)段集合對應(yīng)于圖3中菱形點。顯然這樣數(shù)據(jù)段在同等調(diào)節(jié)量下具有最大速率值。

圖3 功率調(diào)節(jié)量ΔA(k)與數(shù)據(jù)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(guān)。根據(jù)機組蓄熱一般性規(guī)律，蓄熱量與機組鍋爐類型有關(guān)。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(xiàn)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(fā)電能力上限值估計結(jié)果。

表1 5臺機組有效蓄熱發(fā)電能力上限值估計結(jié)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(fā)電能力上限值也應(yīng)符合上述規(guī)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(chǔ)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(fā)電能力上限值估計結(jié)果來看，1#機組與2#機組的有效蓄熱發(fā)電能力上限值明顯偏??；3#機組與前述案例中機組的有效蓄熱發(fā)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(fā)電能力上限值也較大，但是蓄熱發(fā)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(fā)電能力上限值。

5 結(jié)論

本文針對新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)帶來電網(wǎng)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(diào)節(jié)具有極好的快速性特點，提出了火有效蓄熱發(fā)電能力上限估計方法。所提出的方法以火電機組實發(fā)功率歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用PLR方法獲得機組在局部范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)量、調(diào)節(jié)持續(xù)時間和調(diào)節(jié)速率，再通過對PLR數(shù)據(jù)進行選擇，得到有效功率調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)段及其調(diào)節(jié)整量等信息。最后，通過計算有效調(diào)節(jié)整數(shù)據(jù)段對應(yīng)功率變化量，得到了有效功率調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)段對應(yīng)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(fā)電能力上限。

通過對多臺火電機組進行應(yīng)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(fā)電能力上限值反映了機組最快負(fù)荷調(diào)節(jié)量，對于評價火電機組發(fā)電調(diào)頻性能及電網(wǎng)利用蓄熱發(fā)電抑制自身波動都具有重要參考意義。