電力市場環境下凝結水輔助調頻控制策略研究及實施

夏 榮，陶 鑫，陳歡樂，楊 康

（1.國家電投集團江蘇電力有限公司，南京 210000；2.國家電投集團協鑫濱海發電有限公司，江蘇 鹽城 224500；3.上海明華電力科技有限公司，上海 200090）

0 引言

隨著當前能源結構變化和電力輔助服務（調頻）市場的發展，提高國內現役發電機組效率，保證電網的安全經濟運行，提高電網和并網電廠之間的網源協調能力，成為當前電力行業面臨的挑戰之一[1]。如今，大容量超（超）臨界燃煤發電機組已成為區域電網的主力機組，但超（超）臨界機組受鍋爐系統能量生產過程的大延遲慣性和鍋爐可利用蓄能相對不足的影響，在電網快速大幅負荷響應工況下和電力輔助服務市場化背景下，其實際變負荷響應性能較難滿足廠網要求[2]。

江蘇省電力現貨市場于2020年7月開展輔助服務調頻（AGC）市場建設，目前調頻輔助服務市場在保障電網頻率穩定，優化調頻資源配置，促進電源側調頻能力提升以及培育主體市場意識等方面凸顯重要作用。當前江蘇電力市場在運行結算中仍然采用發電側“零和”模式，發電企業在輔助服務市場中的利潤由輔助服務收入減去輔助服務分攤費用得到。按照《江蘇電力輔助服務（調頻）市場交易規則》規定，調頻市場中根據“七日綜合調頻性能指標/調頻報價”由高到低進行排序出清，且最終調頻調用補償由調頻里程、調頻性能和調頻報價乘積決定。因此，可以看出調頻性能對火電機組在調頻市場中的收益起決定性作用，如何提升發電機組調頻性能，如何在電力調頻輔助服務市場中獲取更高的調頻效益，已經成為擺在發電企業面前的重要課題[3]。

本文研究凝結水輔助調頻控制策略，在機組原有AGC調頻控制基礎上，通過判斷機組運行工況和在調頻市場中的實際調頻需求，利用回熱系統蓄能輔助提升機組AGC調頻響應能力，提升機組調頻性能指標，幫助機組獲取更多的調頻市場收益。

1 火電機組調頻市場現狀

1.1 江蘇省調頻性能指標計算方法

目前，江蘇省調頻性能指標的計算由省電力調度中心負責。機組調頻性能指標Kp主要涉及AGC調節速度和調節精度兩個方面，單次AGC指令的調頻性能指標計算方法為：

燃煤火電機組調頻報價依據是“七日綜合調頻性能指標”，綜合調頻性能指標計算方法為：

式（2）中：K ip為機組i的綜合調頻性能指標；D+i,j為機組i第j次AGC指令的正向調頻里程；n為機組i運行期間內被AGC調用的次數。

1.2 典型火電機組調頻現狀

以江蘇電網內某1000MW超超臨界燃煤發電機組為研究對象，分析其日常參與調頻市場運行狀況。該機組正常參與江蘇調頻輔助服務市場運營，AGC變負荷速率能夠滿足1.5%Pe（額定負荷）/min要求。根據式（1）可知，該變負荷速率下的理論最佳調頻性能指標為4。但限于機組鍋爐整體蓄能不足，以及劣質煤摻燒、鍋爐壁溫的超溫干預等因素影響，對機組參與AGC調頻過程完整評價下，機組綜合調頻性能指標較低。其綜合調頻性能指標在輔助服務（調頻）市場中標的情況下為3.6左右，不中標時為3.1左右。該機組2021年11月22日～29日的每日綜合調頻性能數據如圖1所示。且隨著調頻市場深入實施，機組AGC調頻調用補償逐月減少，中標的天數及價格也愈來愈低，甚至出現調頻調用補償小于分攤而造成“虧損”的狀況。

圖1 1000MW機組每日綜合調頻性能數據Fig.1 1000MW Unit daily comprehensive frequency modulation performance

為增加發電機組在調頻輔助服務市場中的整體收益，需要進一步提升機組AGC調頻性能指標。其中，回熱系統存儲有部分可利用蓄能，可以作為機組功率變化的補充手段。本文考慮將回熱系統蓄能應用至AGC調頻控制中，利用回熱系統蓄能加快AGC調頻響應速度，提升機組綜合調頻響應性能和整體調頻收益。

2 凝結水輔助調頻控制

利用回熱系統蓄能參與發電機組一次調頻控制已有相關研究和應用，但AGC調節與一次調頻調節存在較大差異，凝結水輔助參與AGC調頻控制中如何解決AGC指令頻繁變化、鍋爐蓄能與回熱系統蓄能高效協同控制，以及回熱系統AGC調頻過程中如何維持安全控制等問題成為研究和應用實施關鍵點。通過研究凝結水輔助調頻控制策略解決上述控制難題，提升機組在調頻輔助服務市場中的整體調頻性能。

2.1 凝結水調頻控制原理

以鍋爐出口主蒸汽為基準點，其一部分能量將在汽輪機內做功轉換為電能，一部分將在凝汽器內成為冷源損失被循環水帶走，而另一部分流回汽輪機回熱加熱系統，轉變為給水焓被循環利用，凝結水調頻利用的即是這部分能量。通過改變凝結水流量，利用加熱器熱平衡特性，間接改變加熱器的抽汽流量，從而快速改變機組功率輸出[4]。

凝結水輔助調頻有別于傳統CBF協調控制系統和基于凝結水調負荷的節能協調控制系統[5]，其在不改變機組原有協調控制框架基礎上，增設凝結水輔助調頻控制功能；完善協調控制系統，使AGC調頻控制系統與凝結水輔助調頻協同配合，實現機組調頻響應性能最大化，其控制原理如圖2所示。

圖2 凝結水輔助調頻控制原理圖Fig.2 Condensed water auxiliary AGC control schematic diagram

2.2 凝結水輔助調頻控制

火電機組參與AGC調頻市場運行時，以利用鍋爐蓄能調頻控制為主，通過判斷機組能量狀態和AGC調頻響應需求，按需利用機組低壓回熱系統蓄能輔助參與調頻控制。當機組能量狀態無法滿足調頻響應需求時，觸發輔助調頻請求，凝結水輔助調頻系統快速改變凝結水流量，改變低壓回熱系統抽汽流量，輔助改變汽輪機功率輸出，輔助提升機組調頻響應性能。判斷條件如下所示：①AGC單方向連續指令變化幅度超過閾值，發生大幅AGC調頻工況；②鍋爐能量狀態偏離機組調頻響應需求：AGC加負荷工況下，鍋爐初始能量狀態偏低；AGC減負荷工況下，鍋爐初始能量狀態偏高；③大幅AGC單向調節后的反方向AGC調節。

預估機組鍋爐能量狀態無法滿足快速調頻需求時，觸發凝結水輔助調頻請求信號。將調頻指令折算成凝結水流量設定值偏置，通過除氧器上水調閥對除氧器水位控制回路作用，快速改變凝結水流量，間接改變低壓回熱系統抽汽流量，快速改變汽輪機功率輸出。其中，調頻加負荷需求時，凝結水流量設定值偏置為負，除氧器上水調閥關小，凝結水流量降低；調頻減負荷需求時，凝結水流量設定值偏置為正，除氧器上水調閥開大，凝結水流量增加。

圖3 凝結水系統調頻控制策略Fig.3 Condensed water system AGC control strategy

當機組功率輸出達到AGC指令響應需求，或者除氧器水位、凝結水流量、凝結水壓力等參數達到安全邊界時，凝結水輔助調頻功能退出。其中，機組功率輸出達到調頻響應需求工況下，凝結水系統的調頻指令按照預設的速率恢復至0，凝結水輔助調頻功能逐步退出，后續調頻功率輸出由機組機爐系統提供；除氧器水位、凝結水流量、凝結水壓力等參數達到安全邊界時，凝結水輔助調頻功能直接退出。

2.3 凝結水輔助調頻安全控制

凝結水參與機組AGC輔助調頻控制過程中，導致凝結水流量大幅且快速地變化，將直接影響到除氧器、低加和凝汽器等凝結水系統和設備的安全穩定運行[6]，為此需要針對性開展保護控制。

1）對低加常疏、危疏、疏水泵控制邏輯進行優化，包括增加凝結水流量至低加常疏的前饋環節，優化常疏、危疏調門的PID參數，修改低加疏水泵變頻設定等。此外，需對低加的保護、控制定值進行梳理和調整，以實現低加水位在凝水流量大幅波動時的平穩控制，避免危疏開啟和低加保護動作。

2）凝結水系統平衡控制。凝結水輔助調頻過程是凝結水流量在除氧器和凝汽器間工質轉移的過程，雖然除氧器和凝汽器水位波動較大，但凝結水系統總的凝結水量基本保持不變。因此，為了防止凝結水調頻過程中凝汽器水位的暫態降低，引起補水閥動作，而增加系統總水量，采用除氧器和凝汽器水位平衡控制方式，凝汽器補水閥將控制除氧器與凝汽器的加權水位，維持凝結水系統總的凝結水量平衡。

3 凝結水輔助調頻控制實施

以上述1000MW超超臨界機組為試驗對象，開展凝結水輔助AGC調頻控制策略的優化實施。

為實現凝結水輔助調頻功能，需對高中低負荷工況下除氧器上水調閥對機組負荷變化的特性進行摸底試驗。其中，750MW負荷工況下的凝結水調頻特性試驗曲線如圖4所示。

圖4 凝結水系統功率響應特性Fig.4 Condensed water system power response characteristics

由圖4可知，通過改變凝結水流量可以實現機組功率的大幅變化，驗證了凝結水參與負荷調節的可行性?；诓煌摵晒r下的凝結水系統負荷調節特性，實施凝結水輔助AGC調頻控制策略，凝結水輔助參與AGC調頻控制曲線如圖5所示。

圖5 凝結水輔助AGC調頻控制曲線Fig.5 Condensed water auxiliary AGC control curve

由圖5可知，由于凝結水系統參與調頻，使得變負荷初期的機組實際功率響應加快，實際出力能夠很好地跟隨負荷指令變化，緩解了機組功率滯后于指令變化較多的情況，機組的AGC調頻性能得到一定程度的提高。凝結水輔助調頻控制系統投運后，機組參與調頻輔助服務市場的綜合調頻響應性能得到大幅提升，評價指標達到4.5左右，大幅提升機組在調頻市場中的經濟收益。實施后的綜合調頻響應性能指標情況如圖6所示。

4 結論

當前能源變革潮流下，新能源發電裝機占比快速增加。為應對新能源發電的隨機性和波動性，電網調度對火電機組的調頻性能提出了更高要求，并采用電力調頻輔助服務市場的方式來促進火電機組不斷提升自身調頻性能以保障新型電力系統的調頻安全。但火電機組能量生產的大慣性延遲和自身鍋爐系統蓄能不足等問題，導致火電機組調頻性能受限。

為進一步提升火電機組在電力市場環境下的整體調頻性能，借助機組回熱系統蓄能，采用凝結水輔助調頻的控制方式，基于機組調頻需求和能量狀況協同調用機組鍋爐系統和回熱系統的蓄能參與調頻控制。在保證凝結水系統安全穩定運行的前提下，機組在調頻市場中的綜合調頻響應性能得到較大提升，增加機組在電力市場中的調頻收益，為提高電網頻率安全穩定控制能力提供助力。