劉 超，司瑞才，柳春暉，李 明

（1.國能雙遼發(fā)電有限公司，吉林 四平 136400；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學研究院，長春 130021）

0 引言

隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的推進，新能源裝機占比逐漸上升，火電機組占比逐漸下降，由于新能源發(fā)電的不確定性，電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力明顯不足，電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定機理復雜，難以保障在極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況下的電網(wǎng)安全運行。電鍋爐儲熱裝置因調(diào)節(jié)能力快、儲能能力強，被廣泛應(yīng)用于火電靈活性改造的研究和應(yīng)用中，國家能源局自2016年開展火電機組靈活性改造試點項目以來，北方地區(qū)已有30多家電廠配置了電鍋爐儲熱系統(tǒng)。然而，電鍋爐儲熱裝置作為一種靈活性較高的用電負載，可以在電網(wǎng)線路故障時，快速參與協(xié)同調(diào)節(jié)，維持鍋爐、汽輪機的功率與負載平衡，使機組孤網(wǎng)帶電、熱負荷運行，避免機組停機，提高機組快速并網(wǎng)和供熱經(jīng)濟性的價值并未得到充分認識，同時在解除故障后機組快速并網(wǎng)等方面的研究和應(yīng)用尚未開展。

本文從帶電鍋爐運行的機組負荷平衡系統(tǒng)、機組孤網(wǎng)運行決策、負荷切換、汽輪機控制和鍋爐控制等方面進行研究，實現(xiàn)電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制功能，保障機組在電網(wǎng)故障時，能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，有效保障居民供熱和快速恢復電網(wǎng)供電。

1 帶電鍋爐運行的機組負荷平衡系統(tǒng)

某發(fā)電廠為響應(yīng)國家火電靈活性改造政策要求和地區(qū)供熱發(fā)展需要，提高新能源消納能力、機組供熱期深度調(diào)峰能力和供熱能力，配置了可實現(xiàn)快速降負荷和寬范圍變負荷的蓄熱式電鍋爐。通過對機組及電鍋爐控制策略的設(shè)計，使電鍋爐系統(tǒng)擁有常規(guī)調(diào)峰運行模式和輔助火電機組孤網(wǎng)運行模式。

1.1 常規(guī)調(diào)峰運行模式

常規(guī)調(diào)峰運行模式，主要是通過電鍋爐消耗機組發(fā)電機出口的電功率，減少上網(wǎng)負荷，在原有供熱機組降負荷速率的基礎(chǔ)上消耗了部分原來應(yīng)該上網(wǎng)的負荷，實現(xiàn)快速降負荷。利用電鍋爐產(chǎn)生蒸汽彌補供熱機組減少的供熱蒸汽，保證供熱穩(wěn)定，解耦了機組部分必發(fā)電量，降低了供熱機組的發(fā)電下限，從而實現(xiàn)寬范圍降負荷。配置電鍋爐后機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 配置電鍋爐后機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 孤網(wǎng)輔助運行模式

孤網(wǎng)輔助運行模式，實質(zhì)上是將電鍋爐作為一個大容量可控負荷，其功率部件能大量消耗電能，能夠在控制部件的控制下快速變負荷。當電鍋爐的容量與電網(wǎng)中的負荷沖擊容量相當時，其實時性控制在300 ms以內(nèi)，電負荷平衡系統(tǒng)能夠平衡內(nèi)部電網(wǎng)中的負荷沖擊。電負荷平衡系統(tǒng)對火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差進行計算，生成電鍋爐投入或切除邏輯，實現(xiàn)電鍋爐的最優(yōu)運行組合，從而實現(xiàn)機組帶電鍋爐及廠用電負荷孤島運行。

2 電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制策略

當因極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況引起火電機組孤網(wǎng)運行時，電鍋爐等儲熱裝置輔助火電機組孤網(wǎng)運行決策控制系統(tǒng)使機組主動脫離大電網(wǎng)進行自主運行，實現(xiàn)內(nèi)部機組出力和電鍋爐負載供需平衡且穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)在電網(wǎng)故障時，機組穩(wěn)定轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，有效保障居民供熱和快速恢復電網(wǎng)供電的功能。整個過程主要分為：孤網(wǎng)運行決策模塊、負荷切換控制模塊、鍋爐控制模塊和汽輪機控制模塊。

2.1 孤網(wǎng)運行決策模塊

孤網(wǎng)運行決策模塊包括線路側(cè)開關(guān)狀態(tài)位置檢測判斷、主變壓器線路參數(shù)檢測判斷和機組運行狀態(tài)監(jiān)測判斷3個回路。孤網(wǎng)運行決策模塊，采用某廠K系列控制器，該系列控制器從信號采集、運算、控制信號輸出總時間不大于40 ms，滿足孤網(wǎng)運行決策模塊對快速性的要求［1］。

該系統(tǒng)通過實時檢測電廠與外電網(wǎng)連接開關(guān)的位置狀態(tài)及廠內(nèi)2條配電線路主變壓器的電壓、電流、功率，根據(jù)孤網(wǎng)判據(jù)，自動判斷電廠是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)。當2條供電線路均出現(xiàn)故障時，觸發(fā)孤網(wǎng)運行信號，使火電機組主動斷開電廠與外電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)開關(guān)，并根據(jù)孤網(wǎng)前機組出力情況自動匹配電鍋爐運行方式，使火電機組能夠穩(wěn)定地帶“電鍋爐及廠用電負荷”孤島運行，從而有效保障居民供熱和快速恢復電網(wǎng)供電的功能［2］。

通過孤網(wǎng)運行決策模塊，判斷電廠是否處于孤網(wǎng)狀態(tài)，判斷觸發(fā)孤網(wǎng)模式后，并將觸發(fā)信號送至機組汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（digital electric hydraulic control system，DEH）、分散控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）和電鍋爐控制系統(tǒng)。孤網(wǎng)觸發(fā)由以下3個條件判定。

1）條件1：線路側(cè)開關(guān)狀態(tài)位置檢測判斷回路（以下條件相“與”）。線路甲線開關(guān)處于分閘位置；線路乙線開關(guān)處于分閘位置。

2）條件2：主變壓器線路參數(shù)檢測判斷回路（以下條件相“與”）。甲、乙線功率突變量均大于啟動定值；甲、乙線電流突變量均大于啟動定值；線路故障前0.2 s，甲、乙線功率和大于有線路在運行狀態(tài)下的功率判定值，且功率方向均為正；線路故障后甲、乙線功率和小于2條線路均停運狀態(tài)下的功率判定值；甲、乙線均有兩相或三相電流值小于2條及以上線路停運狀態(tài)下的電流判定值；甲、乙線均有兩相或三相電流20 ms內(nèi)突變量大于2條及以上線路電流突變電流判定值。

3）條件3：機組運行狀態(tài)判斷回路（以下條件相“與”）。油開關(guān)閉合；主蒸汽門全開；鍋爐主保護未動作。

條件1與條件2相“或”，再與條件3相“與”后，即輸出孤網(wǎng)觸發(fā)，孤網(wǎng)觸發(fā)信號通過硬接線的方式送至機組DEH、DCS和電鍋爐控制系統(tǒng)。孤網(wǎng)觸發(fā)邏輯見圖2。

圖2 孤網(wǎng)觸發(fā)邏輯

2.2 負荷切換控制模塊

負荷切換控制模塊主要是為電鍋爐運行模式判斷回路。該控制回路對火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差進行計算，通過機組出力和廠用負載的偏差，生成電鍋爐投入或切除邏輯，實現(xiàn)電鍋爐的最優(yōu)運行組合，從而實現(xiàn)機組帶電鍋爐及廠用電負荷孤島運行。具體情況如下。

1）孤網(wǎng)前電鍋爐均未運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負載，聯(lián)鎖啟動所有電鍋爐。

2）孤網(wǎng)前電鍋爐均未運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖啟動部分電鍋爐。

3）孤網(wǎng)前電鍋爐均運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負載，電鍋爐保持現(xiàn)狀運行；若火電機組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖停運部分電鍋爐。

4）孤網(wǎng)前電鍋爐未均運行的模式下，若火電機組孤網(wǎng)前出力大于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖啟動部分電鍋爐；若火電機組孤網(wǎng)前出力小于電鍋爐等廠用負載，在保持機組出力略大于電鍋爐等廠用負載的前提下，聯(lián)鎖停運部分電鍋爐。

2.3 鍋爐控制模塊

鍋爐控制模塊主要是為鍋爐燃燒系統(tǒng)快速調(diào)整控制回路。根據(jù)火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差，該控制回路可以實現(xiàn)鍋爐燃料的精準控制，從而保證熱力系統(tǒng)的工質(zhì)平衡［3］。

機組DCS接收到孤網(wǎng)觸發(fā)信號后，切除機組鍋爐主控自動，同時燃料主控的指令切換為廠用負載所對應(yīng)的燃料量，并根據(jù)火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差增加燃料主控的前饋回路，從而實現(xiàn)燃料量的快速精準控制；孤網(wǎng)發(fā)生后，增加給水控制系統(tǒng)火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差前饋回路，防止因燃料的迅速變化造成的煤水比失調(diào)。

2.4 汽輪機控制模塊

汽輪機控制模塊，主要包括2個回路，分別為孤網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速及一次調(diào)頻控制回路和汽輪機孤網(wǎng)精準前饋控制回路。機組在孤網(wǎng)觸發(fā)后，DEH切除遠方DCS遙控，汽輪發(fā)電機由功率控制立即轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制方式。由于機組帶負荷和空負荷運行時，被控對象特性存在較大不同，需要增設(shè)孤網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速及一次調(diào)頻控制回路。同時根據(jù)孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差，生成汽輪機精準前饋量，從而確保整個過渡過程的轉(zhuǎn)速變化在允許范圍內(nèi)，并在過渡過程結(jié)束后維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定［4］。

孤網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速及一次調(diào)頻控制回路分為轉(zhuǎn)速控制回路和一次調(diào)頻控制回路。孤網(wǎng)發(fā)生的瞬間，汽輪機由功率控制轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制，由于DEH 自帶轉(zhuǎn)速控制回路整定的控制參數(shù)只適用于機組帶空負荷運行，所以須增設(shè)適用于孤網(wǎng)帶負荷控制的轉(zhuǎn)速回路，同時為確?？梢詫C組轉(zhuǎn)速能夠快速穩(wěn)定控制，還須在轉(zhuǎn)速控制回路上增加一次調(diào)頻控制。目前火電機組一次調(diào)頻高限值為10%的機組額定負荷，當因極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況引起火電機組孤網(wǎng)運行時，若火電機組孤網(wǎng)前出力與電鍋爐等廠用負載偏差大于10%機組額定負荷時，一次調(diào)頻功能無法滿足單機帶孤網(wǎng)運行的調(diào)整幅度要求。因此，將一次調(diào)頻回路按照5%轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置一次調(diào)頻量修正函數(shù)，并放開一次調(diào)頻修正函數(shù)高限值，綜合考慮機組出力和廠用負載的偏差以及調(diào)門迅速關(guān)閉對鍋爐安全運行帶來的影響，將一次調(diào)頻修正函數(shù)低限值設(shè)置為35%。

汽輪機孤網(wǎng)精準前饋控制回路，主要是根據(jù)孤網(wǎng)前機組閥位指令、孤網(wǎng)前機組出力以及孤網(wǎng)前機組出力與電鍋爐等廠用負載偏差，計算出汽輪機控制回路的前饋量，通過引入汽輪機精準前饋，減少機組孤網(wǎng)對轉(zhuǎn)速控制帶來的不利影響。

3 電鍋爐實例分析

為模擬電鍋爐輔助機組孤網(wǎng)運行時的動態(tài)特性，利用本文的控制策略，基于Matlab／Simulink平臺建立了完整的帶電鍋爐負載的300 MW 機組動態(tài)仿真模型。其中汽輪機采用原動機調(diào)速系統(tǒng)模型，鍋爐模型采用含輔機故障減負荷功能的典型模型，勵磁系統(tǒng)為三機勵磁模型，電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定器（power system stabilizer，PSS）采用PSS2A模型，發(fā)電機采用電磁暫態(tài)模型。通過仿真得出，當電網(wǎng)故障時，電鍋爐能夠及時根據(jù)機組出力與廠用及電鍋爐負載的偏差進行投切。當機組出力大于廠用和電鍋爐負載時，在投切的瞬間，存在轉(zhuǎn)速的小幅度飛升，但均未達到超速保護的動作條件；當機組出力小于廠用和電鍋爐負載時，在投切的瞬間，存在轉(zhuǎn)速的小幅度降低，但經(jīng)過短時間調(diào)整后，機組頻率均能維持50 Hz穩(wěn)定運行。仿真結(jié)果，驗證了電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的可行性，為此技術(shù)在電力系統(tǒng)中的廣泛推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［5］。

4 結(jié)論

針對因極端天氣、系統(tǒng)擾動等復雜情況引起火電機組孤網(wǎng)運行，電網(wǎng)失穩(wěn)的難題，引入電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的負荷平衡系統(tǒng)，設(shè)計機組孤網(wǎng)運行決策、機組負荷切換控制策略，優(yōu)化汽機和鍋爐控制策略，實現(xiàn)了電鍋爐輔助火電機組孤網(wǎng)運行的控制功能，保障了機組在電網(wǎng)故障時，能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)入孤網(wǎng)運行狀態(tài)，具備良好的抗負荷沖擊能力，在各種事故工況下，均能夠安全準確調(diào)整和動作，保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。