電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)中火電機(jī)組AGC運(yùn)行及控制策略研究

張海衛(wèi)，陸 陸，邵程安，董春雷，李 鋒，陳長和，何郁晟，張文濤，張慧美

（1.浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121）

0 引言

發(fā)改委、能源局于2019年8月聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于深化電力現(xiàn)貨市場建設(shè)試點(diǎn)工作的意見》，標(biāo)志著國內(nèi)電力市場建設(shè)步入了新的階段，而調(diào)頻輔助服務(wù)市場是發(fā)電企業(yè)參與電力市場運(yùn)行的一個重要組成部分[1]。引入市場的調(diào)節(jié)手段，調(diào)動發(fā)電企業(yè)提供調(diào)頻服務(wù)的積極性，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源的優(yōu)化配置，對發(fā)電機(jī)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益有著巨大的影響[2]。

當(dāng)前電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)的運(yùn)行規(guī)則中，除報價、市場環(huán)境等因素外，機(jī)組的調(diào)頻性能指標(biāo)也是重要的影響因素之一[3]。調(diào)頻性能作為機(jī)組本身的運(yùn)行特性是相對可控和可優(yōu)化的，因而也是提升機(jī)組收益的重要切入點(diǎn)[4]。所以，應(yīng)從電力市場的運(yùn)行特性和規(guī)則入手，開展針對性的機(jī)組AGC運(yùn)行與控制策略研究，提高機(jī)組整體的調(diào)頻性能。

1 現(xiàn)狀及問題

機(jī)組的調(diào)頻性能指標(biāo)是直接關(guān)系到機(jī)組中標(biāo)及最終收益的關(guān)鍵性影響因素[5]。為了提升調(diào)頻性能，首先對構(gòu)成要素進(jìn)行分析，尋找影響最大的關(guān)鍵性能指標(biāo)和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行AGC運(yùn)行及控制優(yōu)化的梳理與分析。

1.1 機(jī)組調(diào)頻性能指標(biāo)的組成

在浙江省電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)的試行規(guī)則中，機(jī)組的實(shí)際調(diào)頻性能指標(biāo)k是一綜合性指標(biāo)，其包括了調(diào)節(jié)速率k1、響應(yīng)時間k2、調(diào)節(jié)精度k3 3個因子，計算方法如下：

1）調(diào)節(jié)速率k1：k1=該發(fā)電單元實(shí)測速率/系統(tǒng)內(nèi)AGC發(fā)電單元平均標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率。

2）響應(yīng)時間k2：k2=1-（發(fā)電單元響應(yīng)延遲時間/5min），其中發(fā)電單元響應(yīng)延遲時間是指發(fā)電單元AGC動作與發(fā)電單元接到AGC指令之間的延遲時間。

3）調(diào)節(jié)精度k3：k3=1-（發(fā)電單元調(diào)節(jié)誤差/發(fā)電單元調(diào)節(jié)允許誤差），其中發(fā)電單元調(diào)節(jié)誤差指發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令后，實(shí)際出力值與控制指令的偏差量，其允許誤差為其額定出力的1.5%。

發(fā)電機(jī)組的綜合性能指標(biāo)的計算公式為：

其中，μ1、μ2、μ3分別為調(diào)節(jié)速率k1、響應(yīng)時間k2、調(diào)節(jié)精度k3的權(quán)重系數(shù)，目前μ1系數(shù)為2，μ2和μ3系數(shù)均為1。將機(jī)組實(shí)際調(diào)頻性能指標(biāo)與系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能最佳機(jī)組的調(diào)頻性能指標(biāo)相比，最終獲得各臺機(jī)組的綜合性能指標(biāo)。

綜合性能指標(biāo)中機(jī)組的調(diào)節(jié)速率k1所占的權(quán)重最大，響應(yīng)時間k2與調(diào)節(jié)精度k3指標(biāo)計算的實(shí)際是機(jī)組該項(xiàng)性能與標(biāo)準(zhǔn)值之間的偏差，其最大值不會超過1。而調(diào)節(jié)速率k1計算的是機(jī)組相對于全網(wǎng)平均調(diào)節(jié)速率的水平，若機(jī)組的調(diào)節(jié)速率表現(xiàn)較為突出，則該指標(biāo)計算結(jié)果可能遠(yuǎn)大于1。此外，機(jī)組調(diào)節(jié)速率提高也有利于響應(yīng)時間等參數(shù)的提升。因此，本文將從提高機(jī)組調(diào)節(jié)速率的角度出發(fā)，對機(jī)組的AGC運(yùn)行及控制策略進(jìn)行分析與研究。

1.2 機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

當(dāng)前各機(jī)組在控制策略設(shè)計時，主要考慮滿足“兩個細(xì)則”的AGC考核要求[6]。目前“兩個細(xì)則”對于直吹式煤粉爐機(jī)組的調(diào)節(jié)速率要求為1%Pe/min，燃機(jī)為3.25%Pe/min。當(dāng)機(jī)組的調(diào)節(jié)速率高于該要求時，機(jī)組就不會因?yàn)檎{(diào)節(jié)速率而發(fā)生考核費(fèi)用。但在電力市場環(huán)境中，機(jī)組性能競爭來自于機(jī)組之間調(diào)節(jié)性能的高低區(qū)別，只有盡量提升自身的調(diào)節(jié)性能才能在報價和調(diào)頻收入的博弈中占得優(yōu)勢。

已有省份開展了試運(yùn)行工作，暴露出部分機(jī)組的短板與缺陷，并對機(jī)組的最終收益產(chǎn)生了不利影響[7]。最明顯的問題是機(jī)組調(diào)節(jié)性能不足，特別是負(fù)荷調(diào)節(jié)速率偏低，拉低了整體的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)，導(dǎo)致最終的中標(biāo)情況和費(fèi)用結(jié)算結(jié)果不理想。某廠2臺1000MW等級機(jī)組在某次電力市場試運(yùn)行期間的調(diào)頻性能指標(biāo)約為0.36，平均調(diào)節(jié)速率僅為5MW/min～6MW/min，性能明顯低于同等級機(jī)組。雖然通過低價中標(biāo)了全部申報的容量，但由于性能指標(biāo)較差，最終的調(diào)頻收入偏少，故針對以上情況對速率偏低的原因進(jìn)行了梳理與分析。

2 原因分析及改進(jìn)措施

分析了多臺機(jī)組試運(yùn)行期間的運(yùn)行參數(shù)，認(rèn)為以往機(jī)組的運(yùn)行與控制策略對調(diào)頻輔助服務(wù)市場的運(yùn)行特點(diǎn)的適應(yīng)性不強(qiáng)，相關(guān)控制策略不夠完善是造成機(jī)組調(diào)節(jié)速率偏低的主要原因。本部分將對制約機(jī)組調(diào)節(jié)速率提高的原因進(jìn)行分析，并提出運(yùn)行及控制策略的優(yōu)化建議。

2.1 負(fù)荷調(diào)節(jié)死區(qū)影響

在電力市場試運(yùn)行過程中，各電廠普遍反應(yīng)AGC指令特性較之前的運(yùn)行工況有較大變化，主要表現(xiàn)出機(jī)組AGC指令變化幅度大、變化頻率高等特性。在非連續(xù)調(diào)峰時段，AGC指令頻繁來回波動，出現(xiàn)了大量的負(fù)速率考核點(diǎn)，即機(jī)組的實(shí)際調(diào)節(jié)方向與AGC指令的調(diào)節(jié)方向相反。圖1為某機(jī)組某一時段的調(diào)節(jié)速率考核情況，在約1個小時的考核時間段內(nèi)，機(jī)組多次出現(xiàn)調(diào)節(jié)速率為負(fù)。根據(jù)統(tǒng)計，該機(jī)組在為期1個月的考核周期內(nèi)，調(diào)節(jié)速率為負(fù)的考核點(diǎn)占總考核點(diǎn)數(shù)的25%～30%，極大地影響了機(jī)組的調(diào)節(jié)速率計算結(jié)果及調(diào)頻性能指標(biāo)。

圖1 某機(jī)組某時段考核數(shù)據(jù)Fig.1 Assessment data of a unit in a period of time

對比運(yùn)行曲線與考核數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)連續(xù)負(fù)向速率考核的點(diǎn)位一般處于AGC指令來回波動的工況，推斷出造成負(fù)向速率考核的原因?yàn)锳GC負(fù)荷指令的快速變化與機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的相對滯后。圖2模擬了某1000MW機(jī)組5min內(nèi)的AGC調(diào)節(jié)曲線。在圖2中，機(jī)組收到6次來回波動的AGC負(fù)荷指令。其中，前4次指令間隔時間短，每個指令持續(xù)時間不足1min；后2次指令持續(xù)時間相對較長。由于AGC指令快速頻繁地變化，負(fù)荷指令在變化過程中就接收到下一個反方向的AGC指令，而此時機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷還未跟上負(fù)荷指令，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的方向依然保持不變，導(dǎo)致收到新AGC指令后的一段時間內(nèi)，實(shí)際負(fù)荷與指令的變化呈現(xiàn)相反的趨勢（如圖2中圓圈內(nèi)部分所示）。如果該指令持續(xù)時間足夠長，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷與負(fù)荷指令交叉，機(jī)組才能夠進(jìn)行同向的調(diào)節(jié)動作，使該段時間內(nèi)的速率考核值為正。如果指令持續(xù)時間較短，實(shí)際負(fù)荷未及時回調(diào)，在該考核點(diǎn)起始與結(jié)束時的實(shí)際負(fù)荷變化將很小，甚至可能反向動作。如圖2中，將T3與T4時刻的實(shí)際負(fù)荷用直線相連（橙色虛線所示），可發(fā)現(xiàn)兩處負(fù)荷值基本相同，計算得到的調(diào)節(jié)速率很小，但實(shí)際上該時間段內(nèi)系統(tǒng)要求機(jī)組進(jìn)行加負(fù)荷，負(fù)荷調(diào)節(jié)稍有波動很可能引起速率考核為負(fù)值。

圖2 某機(jī)組AGC運(yùn)行曲線Fig.2 Normal AGC curve of a unit

針對以上情況，應(yīng)對負(fù)荷指令的生成邏輯進(jìn)行優(yōu)化。首先，所有AGC指令下發(fā)均是以機(jī)組的當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，調(diào)度側(cè)給出的指令變化幅度是由指令下發(fā)時刻的AGC指令與實(shí)際負(fù)荷的偏差決定。但在一般控制策略設(shè)計中，對于目標(biāo)負(fù)荷指令的處理是以當(dāng)前的負(fù)荷指令為基準(zhǔn)，向目標(biāo)負(fù)荷進(jìn)行變化，實(shí)際調(diào)節(jié)過程往往有一定滯后，使得指令與實(shí)際負(fù)荷之間存在偏差，進(jìn)而造成負(fù)荷調(diào)節(jié)的死區(qū)。對此，當(dāng)下發(fā)新的AGC指令時，負(fù)荷指令應(yīng)當(dāng)以當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷為基準(zhǔn)進(jìn)行重新計算才更為合理，具體效果如圖3。

圖3 優(yōu)化后AGC運(yùn)行曲線Fig.3 AGC Curve after optimization

在AGC指令變化時，負(fù)荷指令優(yōu)先快速跟蹤當(dāng)前實(shí)際負(fù)荷，并以此為基準(zhǔn)進(jìn)行變負(fù)荷，完全消除負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中的死區(qū)，保證在變負(fù)荷過程中機(jī)組調(diào)節(jié)始終與指令同向，使得機(jī)組在每段AGC考核點(diǎn)的實(shí)際速率為正。需要注意的是，負(fù)荷指令作為機(jī)組協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)指令，還被用于生成鍋爐、汽機(jī)主控設(shè)定值等大量前饋參數(shù)，瞬間變化過大可能造成其它參數(shù)的大幅波動，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對于負(fù)荷指令的優(yōu)化應(yīng)當(dāng)分為以下幾部分：

1）鍋爐主控回路：機(jī)組負(fù)荷指令作為鍋爐出力的基準(zhǔn)定位量，其變化速率不宜過快。當(dāng)負(fù)荷指令處于調(diào)節(jié)死區(qū)時，可采用加快變負(fù)荷速率的方式，快速調(diào)整負(fù)荷指令至實(shí)際負(fù)荷值，縮短負(fù)荷調(diào)節(jié)死區(qū)的時間。當(dāng)越過死區(qū)后，前饋指令則以正常的速率進(jìn)行前饋定位值的調(diào)整。

2）前饋生成回路：負(fù)荷指令主要被用于生成鍋爐出力的前饋幅值和前饋量。該過程是開環(huán)的計算過程，主要用于滿足機(jī)組正常調(diào)節(jié)速率下對前饋量的要求，因此在前饋生成回路中的負(fù)荷指令生成方式應(yīng)當(dāng)與傳統(tǒng)的負(fù)荷指令一致。

3）汽機(jī)主控回路：負(fù)荷指令為控制回路的設(shè)定值，調(diào)節(jié)過程依照負(fù)荷指令的變化進(jìn)行。汽機(jī)調(diào)門對機(jī)組負(fù)荷的影響是最為快速的，汽機(jī)負(fù)荷指令設(shè)置應(yīng)當(dāng)采用圖4的方式快速消除調(diào)節(jié)死區(qū)。負(fù)荷指令變化的瞬間采取閉鎖調(diào)門動作的措施，防止負(fù)荷指令突變引起的調(diào)門波動，負(fù)荷指令越過死區(qū)后，再進(jìn)行正常的調(diào)節(jié)。

圖4 某機(jī)組鍋爐主控及汽機(jī)主控示意圖Fig.4 Schematic diagram of main boiler and turbine control of a unit

除此之外，采用變參數(shù)調(diào)節(jié)、變設(shè)定值的函數(shù)回路等，進(jìn)一步提高負(fù)荷調(diào)節(jié)速率。

2.2 一次調(diào)頻的影響

在目前的機(jī)組負(fù)荷控制中，一次調(diào)頻指令往往優(yōu)先于AGC指令。當(dāng)一次調(diào)頻與AGC指令方向不一致時，控制邏輯設(shè)計將閉鎖AGC指令，優(yōu)先響應(yīng)一次調(diào)頻需求。部分機(jī)組減小了一次調(diào)頻動作的響應(yīng)死區(qū)以提高考核效果，導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻動作次數(shù)偏多，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于系統(tǒng)要求的動作次數(shù)。而反向的一次調(diào)頻動作將閉鎖機(jī)組對AGC指令的變化，進(jìn)而影響機(jī)組的AGC考核。例如，根據(jù)某660MW機(jī)組，在某日的1個小時內(nèi)，DCS記錄的一次調(diào)頻動作達(dá)到了50余次，而調(diào)度系統(tǒng)中對該機(jī)組考核點(diǎn)數(shù)在1天之內(nèi)僅有50次左右。主要從以下幾方面進(jìn)行調(diào)整：

1）許多機(jī)組為滿足一次調(diào)頻動作正確率80%的要求，將一次調(diào)頻的動作死區(qū)設(shè)置較小。當(dāng)出現(xiàn)小幅頻差時，通過提前動作，提高機(jī)組的動作正確率。目前調(diào)度考核中已經(jīng)不再考核動作正確率，轉(zhuǎn)而對每一次的動作效果都進(jìn)行考核，減小動作死區(qū)并不能提高一次調(diào)頻的考核效果，反而容易因閉鎖導(dǎo)致AGC調(diào)節(jié)速率下降。建議將一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)死區(qū)按照相關(guān)要求設(shè)置。

2）部分機(jī)組在設(shè)計一次調(diào)頻閉鎖AGC指令時采用雙向閉鎖的設(shè)計，即只要一次調(diào)頻動作就閉鎖AGC指令變化，但實(shí)際上同向的一次調(diào)頻與AGC指令相互疊加，對提高整體的調(diào)節(jié)效果有利，因此采用單向閉鎖策略為宜。

3）調(diào)度機(jī)構(gòu)目前僅對于持續(xù)20s以上的一次調(diào)頻動作進(jìn)行考核，在實(shí)際運(yùn)行中會出現(xiàn)大量持續(xù)時間在20s以下的小幅一次調(diào)頻動作，這些指令往往會導(dǎo)致AGC閉鎖，嚴(yán)重影響了機(jī)組AGC調(diào)節(jié)速率。因此，對于小幅的一次調(diào)頻動作，其AGC閉鎖指令可延遲數(shù)秒發(fā)出，以減少對調(diào)節(jié)速率考核的干擾；對于大頻差則應(yīng)當(dāng)及時響應(yīng)，以滿足電網(wǎng)的要求。

4）目前機(jī)組一次調(diào)頻的信號主要取自汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差信號，但查閱考核數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速偏差信號與電網(wǎng)網(wǎng)頻偏差不完全一致，調(diào)度考核則采用的是電網(wǎng)網(wǎng)頻信號，可能出現(xiàn)考核數(shù)據(jù)與實(shí)際不一致的情況。建議有條件的機(jī)組采用高精度頻率信號作為一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)信號。

2.3 協(xié)調(diào)控制策略的影響

通過對不同類型機(jī)組運(yùn)行情況的排查，發(fā)現(xiàn)部分機(jī)組的協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計對目前AGC指令的適應(yīng)性不足，對機(jī)組變負(fù)荷速率的影響較大。某機(jī)組的汽機(jī)及鍋爐主控的控制策略如圖4。

鍋爐與汽機(jī)同時控制機(jī)組的主蒸汽壓力與負(fù)荷，通過對主汽壓與負(fù)荷分配不同的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。該策略的優(yōu)點(diǎn)在于變負(fù)荷過程中汽壓參數(shù)穩(wěn)定、波動較小，對機(jī)組其他的運(yùn)行參數(shù)影響也較小。但由于變負(fù)荷過程中汽輪機(jī)不完全按照機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而機(jī)組的實(shí)際變負(fù)荷速率相對較低，無法完全適應(yīng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場的調(diào)節(jié)速率要求。

對此，建議采用以BF為基礎(chǔ)的機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略，即鍋爐側(cè)以控制主汽壓力為主，汽機(jī)側(cè)以控制負(fù)荷為主，快速響應(yīng)AGC指令的變化。同時，為防止汽壓偏差過大造成參數(shù)不穩(wěn)，汽機(jī)側(cè)適當(dāng)加入汽壓的拉回作用，設(shè)置相對較大的死區(qū)，以免小幅汽壓波動影響負(fù)荷的調(diào)整速率。具體策略設(shè)計可參考圖5。

圖5 基于BF的協(xié)調(diào)控制策略Fig.5 Coordinated control strategy based on boiler follow mode

除此之外，許多機(jī)組在壓力偏差超過一定限度時，將閉鎖機(jī)組AGC指令，從而導(dǎo)致變負(fù)荷速率受限。如果在汽壓偏差較大時，采用壓力拉回回路將汽壓偏差作為負(fù)荷設(shè)定值的偏置量進(jìn)行控制，可利用汽機(jī)輔助穩(wěn)定汽壓的同時以一定偏差量進(jìn)行變負(fù)荷。雖然負(fù)荷控制精度下降，但不影響機(jī)組變負(fù)荷的實(shí)際速率，有利于提升機(jī)組的調(diào)節(jié)性能，輔助穩(wěn)定機(jī)組汽壓的同時，兼顧變負(fù)荷速率。

2.4 機(jī)組運(yùn)行方式及其他因素的影響

很多機(jī)組為保證機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行過程中設(shè)置較低的滑壓設(shè)定值，以適當(dāng)開大汽機(jī)的調(diào)門，減少節(jié)流損失。該運(yùn)行策略容易使機(jī)組調(diào)節(jié)裕量不足，導(dǎo)致機(jī)組變負(fù)荷性能不達(dá)標(biāo)。從運(yùn)行情況看，是否具有充足的調(diào)節(jié)裕量支持機(jī)組的快速變負(fù)荷，是影響變負(fù)荷能力的重要因素。以某1000MW機(jī)組為例，當(dāng)機(jī)組在連續(xù)升負(fù)荷過程中，主汽壓力實(shí)際值與設(shè)定值偏差小于0.3MPa，汽機(jī)調(diào)門長時間保持全開，失去調(diào)節(jié)作用，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷無法快速跟隨負(fù)荷指令。這表明機(jī)組壓力設(shè)定值明顯偏低，機(jī)組蓄熱不足以支持機(jī)組當(dāng)前的變負(fù)荷速率需求。因此，需要優(yōu)化滑壓曲線設(shè)定值，適當(dāng)提高機(jī)組的壓力設(shè)定值，提升機(jī)組的變負(fù)荷能力，評估經(jīng)濟(jì)性和調(diào)節(jié)性能的平衡點(diǎn)，使機(jī)組的調(diào)節(jié)收益與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效益最大化。

此外，部分機(jī)組存在著汽機(jī)調(diào)門重疊度或流量特性不合理導(dǎo)致負(fù)荷調(diào)節(jié)死區(qū)，機(jī)組鍋爐響應(yīng)速率慢，汽壓變化慣性時間長等問題，綜合考慮機(jī)組的設(shè)備特性和控制方式，確認(rèn)問題根源，進(jìn)一步提高機(jī)組的調(diào)節(jié)性能。

3 小結(jié)

本文從電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)的特點(diǎn)及機(jī)組參與調(diào)頻服務(wù)的運(yùn)行情況出發(fā)，分析了機(jī)組調(diào)節(jié)性能，特別是調(diào)節(jié)速率參數(shù)對機(jī)組調(diào)頻收益的重要性。并通過機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和考核情況，對制約機(jī)組調(diào)節(jié)速率的原因進(jìn)行了分析，提出了針對性的改進(jìn)意見。針對電力市場輔助服務(wù)的機(jī)組運(yùn)行及控制策略優(yōu)化將是一個長期的過程，目前積累的資料和數(shù)據(jù)還十分有限，今后機(jī)組在調(diào)頻服務(wù)中還會有新的工況和特性出現(xiàn)，需要對這類問題進(jìn)行持續(xù)關(guān)注。同時，隨著電力市場的不斷推進(jìn)，除煤機(jī)外，燃機(jī)、水電及新能源的加入對市場的運(yùn)行規(guī)則和特性也會產(chǎn)生新的影響，需要根據(jù)變化及時優(yōu)化調(diào)整相關(guān)的運(yùn)行與控制策略。