1.3.1 火电机组灵活运行下调节特性差异化分析

1.火电灵活性研究及调速系统模型研究

德国火电厂[43-44]通过系统设计以及优化控制等方法，在40%额定负荷的基础上，可将机组最小技术出力降低至20%～25%额定负荷，增强了机组深度调峰能力，平均变负荷速率约为3%Pe/min。北美一座原计划按照基荷运行的多机组火电厂[45]经过系统改造以及操作优化，转变成日内机组可循环启停的电厂。而我国火电机组普遍设计为带基本负荷运行，同时由于入炉煤质多变，低负荷燃烧稳定性差，主辅机设备低负荷适应性差，AGC自动投入困难等原因，现役火电机组的变负荷速率一般为1%～2%Pe/min，最小技术出力通常在40%～50%额定负荷[46]。由于普遍缺乏数据来源，也缺乏经济效益等的驱动力，关于我国火电机组低负荷下的研究内容在火电灵活性改造之前较少。

现阶段，牟春华等人总结了当前国内火电机组的灵活性运行现状：调峰能力不足、负荷响应速度迟缓和偏离设计工况，并针对深度调峰存在的问题提出了相应的解决方案[46]。张广才等人通过锅炉精细化运行调整技术，将锅炉最低不投油稳燃负荷在现有基础上降低了5%～10%，实现多家电厂在现有煤质和设备条件下对锅炉低负荷稳燃能力的挖掘[47-48]。聂鑫等人对参与深度调峰工况下的直流炉水冷壁进行了数据分析，提出了保障水冷壁低负荷安全性的应对策略[49]。为了解决脱硝系统不能正常投运的情况，众多改造技术被相继提出，包括省煤器外部烟气旁路技术、省煤器内部烟气旁路技术、省煤器给水旁路技术、热水再循环技术、分级省煤器技术和宽温差脱硝催化剂等[51-52]。在宽负荷电出力控制方面，Gao等人研究了广义预测控制的现场应用并开发了精准能量平衡策略，成功提升了机组变负荷速率[53，56-57]；高明明等人针对循环流化床机组建立了循环流化床协调控制模型，并设计了先行能量平衡控制策略和应用了模型预测控制[58]。洪烽研究了机组蓄热的深度利用方法，结合新的控制策略提升了循环流化床机组快速变负荷速率的效果[59]。在当前灵活性改造的背景中，火电机组相关的研究内容普遍以保障低负荷机组安全性和提升调峰调频能力的改造技术手段介绍与应用为主，对机组本身调节特性的研究内容相对较少。

模型是反映机组调节特性的重要形式，正如前文所述，在灵活性运行下对机组一次调频性能进行研究具有重要的意义，而建立调速系统模型是研究机组一次调频调节性能的重要途径。火电机组调速系统主要由控制器、执行机构（电液转换器和油动机）以及被控对象（汽轮机）3部分组成，主要结构如图1-24所示。

控制器主要由比例积分微分（Proportional Integral Derivative，PID）构成，而执行机构通常包含伺服放大器、电液转换器、油动机等多个环节，由多个环节的传递函数构成。

相较于复杂火电机组模型，汽轮机本体在工况点附近的线性模型有利于电力系统稳定性分析，针对中间一次再热汽轮机而言，IEEE Committee在1973年提出了图1-25a所示的汽轮机模型[60]。Kundur[61]考虑到低压缸蒸汽连通管容积系数远小于再热器的惯性时间常数，将其简化成图1-25b所示的汽轮机模型。汽轮机模型参数含义见表1-2，以上两种模型均得到了国内外普遍的认可。

根据机理分析，Kundur提供了汽轮机模型中惯性时间常数的计算方法[61]。谷俊杰等人利用该方法，基于机组热平衡图，完成了图1-25a中模型在多个工况下的计算[62]，但是对其中参数含义的理解存在着明显的误差。Pathak等人再次利用该方法，基于图1-25b中的模型，计算了汽轮机在滑压、定压等不同运行方式下的模型[63]。除此之外，为减少计算复杂程度和提高数据利用率，基于图1-25中模型结构的参数求取大多采用试验数据与优化算法相结合的解决思路[63]。

之后，在丰富的现场试验的基础上，参考文献[38]中发现现有机组模型在高调阀门动作时的高压缸功率输出与实际数据存在较大误差。当机组高调阀门突然动作时，实际数据显示，高压缸排汽压力只能慢慢变化，高压缸功率在这个过程中出现了超调现象，针对该现象，提出了高压缸功率自然过调系数λ，得到了实际数据的验证。这个模型在BPA、PSASP等软件中得到了充分的应用，参考文献[66]和参考文献[67]均介绍了基于试验并利用优化算法求取该模型中未知参数的方法。

参考文献[68]和参考文献[69]考虑深度调峰工况下锅炉的作用，建立了考虑锅炉的机组模型，用于BPA中电力系统稳定性分析，并利用改进型引力算法对模型参数进行了求取。Gao等人考虑了主汽压力和汽机焓降变化的影响，对经典模型进行修正，建立了一种可替代的线性模型，通过仿真对比，该模型具有较高精度，能够满足在电力系统中分析应用[70]。

2.火电机组一次调频能力评估研究现状

于达仁等人给出了电网一次调频能力的定义，并由定义结合方差分析介绍了一次调频能力的计算方程，但是未对单台机组进行分析计算[71]。李端超等人提出通过贡献电量这一指标来反映机组一次调频响应性能[72]。杨建华设计了一套完整的考核系统对系统内机组一次调频效果进行量化考核[73]。高林等人通过对电网实时数据处理提出了一种并网运行机组一次调频特性参数的在线估计算法[74]。廖金龙通过丰富的现场试验数据再次说明了现有深度调峰运行机组已经无法适应3%～6%的电网速度不等率规定范围，同时，廖金龙对CCS（碳捕获与储存）技术和DEH（数字式电液）技术耦合模型进行测试获得测试数据，视作标准训练和测试数据，并设计了神经网络对机组一次调频响应能力进行评估。首先该方法的测试数据来自于仿真系统，与现场实际有较大区别，其次该方法以15s处的最大负荷作为目标，无法对更多信息进行展示，而且这种方法对数据来源要求比较严格，否则误差容易过大[78]。机组一次调频响应总量是进行机组一次调频性能评估的重要指标，以上研究对此进行了充分的说明。

但是在一次调频响应过程中，从火电机组角度来看，除了响应总量以外还有另一个量值得关注，即转速不等率。转速不等率通常采用δ表示，定义为汽轮机空负荷时所对应的最大转速n_max与额定负荷时所对应的最小转速n_min之差，与额定转速n₀的比值。

转速不等率代表了单位转速变化所引起的汽轮机功率的增（减）量，同时形成比值控制方式，能够最快地产生控制信号，符合一次调频的需求。如果当前转速与额定转速的偏差量为Δn，那么由定义可求得机组功率改变的相对量为

式中，P₀为机组的额定功率；n₀为额定转速；f₀为系统额定频率。上式表明，转速不等率越大，单位转速变化所引起的功率变化就越小。

根据定义，调差系数R反映的是机组应对频率变化时维持系统稳定的能力大小[76]，王琦等人分析了机组调差系数的取值对电力系统频率稳定性的影响，当调差系数较小的时候，系统将获得较强的抗扰动能力，但是不能设置过小，然后根据分频原理提出了机组动态一次调频控制策略，来降低系统在接受大规模风电时产生的频率振荡[79]。除了现场实验以外，Fahmilia等人提出了一种基于蓄热量来计算不同机组调差系数的方法[80]。但是Fahmilia等人在计算过程中只考虑汽包却忽视了其他部分如水冷壁/汽包金属、大型过热器等释放的蓄热量，将锅炉入炉煤量在调频前后散发的热量计入一次调频动作中，实际过程中一次调频动作只有秒级，锅炉煤量对热量的反映通常在分钟级，故对一次调频响应过程中热量释放来源的理解有所偏差[81]，同时求解方法没有考虑机组动态模型所带来的影响。

本节将在更加完善的蓄热量计算方法上，结合机组动态模型和极限维持时间，对不同工况下的火电机组极限一次调频响应性能进行分析计算，全面、定量分析全工况下的调节总量、调差系数等。