火电机组有效蓄热发电能力上限估计方法研究

庞向坤，张绪辉，游大宁，于庆彬，韩英昆

(1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250002;2.山东电力调度控制中心，山东 济南 250000)

0 引言

随着我国新能源发电装机容量的不断扩大，新能源并网发电量也不断攀升。截止2019年底，我国的风电、光伏装机容量已经达到2.4亿千瓦，并网发电量达6 300亿千瓦,推进了我国能源低碳转型步伐[1]。尽管新能源发电具有低碳、环保等优点，但是其也存在波动性、间歇性、随机性等不足。其大规模并网为电网稳定运行带来了巨大挑战[2-3]。

利用火力发电机组实发功率调整功能降低新能源发电波动性与随机性的方法，日益受到重视。因此，估计火电机组实发功率调整性能参数等，已经成为电网充分利用火电机组降低新能源发电波动性与随机性的重要条件。

本文针对火电机组最快负荷调整量上限，通过对火电机组历史运行数据进行挖掘，得到了其对应的机组有效蓄热发电能力上限值的估计值，同时给出了所述方法在多台火电机组的具体应用结果。

1 研究现状

当前，为了确保新能源大规模并网背景下的电网稳定运行，降低新能源发电波动性与随机性对电网稳定运行的影响，所采用的主要手段包括蓄能技术利用和技术优化改造两个方面。以下就这两个方面的现状分别予以介绍。

在蓄能技术利用方面，主要采用电池组、抽水蓄能、旋转备用等储能策略，在不同层面实现对电网功率平衡的快速支撑。文献[3]讨论了飞轮储能装置在风电机组调频控制方面的可行性。文献[4]通过在风电场配置储能电池实现储能与风电协调出力，降低风力发电的随机波动性和不确定性。文献[5]在肯定抽水蓄能电站对电力系统调峰调频重要性的基础上，讨论了我国未来抽水蓄能电站的建设方向。

在技术优化改造方面，主要通过对现有技术的升级，提高机组自动发电性能，实现对电网波动的快速响应。文献[6]介绍了通过协调控制系统技术改造，实现对机组自动发电控制性能提升的应用案例。文献[7]讨论了自动发电控制在电网频率调整中的应用。文献[8]通过对机组燃烧、磨煤机、送引风等自动调节系统的优化，实现了火电机组自动发电控制性能优化。

另外，还有部分研究者对多种因素进行综合考虑，提出了协调控制策略。文献[9]对比了储能电源和火电机组调频特性，提出了基于低通滤波算法的储能参与电网二次调频控制策略，实现了充分利用储能电源和火电机组进行电网频率控制的目的。文献[10]综合考虑风电、火电、水电等多类型电源机组运行特性,通过建立风-火-水-气-核-抽水蓄能多类型电源机组协同调度的旋转备用优化模型，并提出一种自适应遗传算法与分枝切割算法相结合的双层优化算法求解所建模型，实现了电网综合效益最优。

传统火力发电在我国电力构成中一直占据主导地位。随着特高压建设加快投运和新能源发电的快速发展，火电机组在系统中的角色定位正由单一的电源支撑向兼具优质、可靠的辅助服务生产方式转变。因此，火电机组灵活调节作用越来越重要。其具体表现在：火电机组自动发电控制(automatic generation control,AGC)、一次调频辅助服务补偿已经在全国开展，机组的深度调峰技术逐渐开始应用。尽管这些评价标准都在一定程度上体现了火电机组的运行水平，但其都是事后评价，无法提前衡量火电机组快速响应电网需求的调节能力或裕量。机组利用有效蓄热进行负荷响应的过程特征如图1所示。

图1 机组利用有效蓄热进行负荷响应的过程特征Fig.1 Process characteristics of load response using effective heat storage of unit

图1(a)是火电机组响应小范围AGC指令的功率调节过程，其响应快速性显然较好；图1(b)是一次较大范围负荷调节过程，可以看到机组先以较快速度进行响应，然后响应速度下降，最后响应速度再次提高。从AGC考核角度来看：图1(a)中AGC性能良好；图1(b)中前两次AGC响应性能良好，之后机组便出现较大AGC指令跟踪偏差，无法达到满意的AGC性能。之所以会出现这样的状况，是因为机组接到电网调度指令后，通过控制系统对汽轮机调节阀进行调节，也向锅炉侧的给水、送风、给煤等系统发出调节指令。由于锅炉是大滞后系统，因此机组对电网需求响应过程主要是利用机组有效蓄热实现。在同等约束条件下，汽包炉比直流炉的AGC调节效果更好便基于此原因。机组蓄热中，可转化为发电量的部分称为有效蓄热,利用火电机组有效蓄热抑制新能源波动已经受到了重视[11-12]，但是尚缺乏机组有效蓄热量估计的技术方法。

火电机组利用有效蓄热发电快速性的优点，以火电机组有效蓄热发电能力抑制新能源波动、提高运行稳定性等，对电网运行具有重要意义。本文以机组实发功率历史数据为基础:首先，采用分段线性表达方法获得机组正向调节数据段；其次，以所获得的机组功率调节数据段为基础，进行特殊数据段选择，在假设机组有效蓄热能力调节速度最快的条件下，得到机组有效调节数据段；最后，通过对所得到的有效蓄热功率数据段进行统计分析，得到火电机组有效蓄热发电能力上限值。

2 基本方法

本文所述的火电机组有效蓄热发电能力上限值计方法，主要由火电机组实发功率数据正向调节段选择、正向调节特征数据段选择和有效蓄热发电能力上限值估计三个步骤构成。

2.1 分段线性表示

分段线性表达(piece-wise linear representations,PLR)是一种使用广泛的数据挖掘技术[13-14]。其基本思想是将数据序列划分成小的子序列，然后以线性回归得到各个子序列对应的直线段。得到的直线段消除了噪声影响，且使得各个子序列的量化特征容易获得。

x(n)=ak+bkn+e(n)

(1)

其中:

(2)

因此，第k个子序列可以由如下直线段表示：

(3)

(4)

L-法基于L(K)和K利用下面2条直线形成L形曲线。这2条直线的斜率和截距估计如下：

所得到的L形曲线的拐点，即为分段数K的估计值：

式中：Kmax取值一般为0.5 N。

2.2 特征数据段选择

(5)

ΔT(k)=nk+1-nk-1

(6)

(7)

(8)

式中：S为所选择的有效蓄热功率调节数据段样本数量。

2.3 有效蓄热发电能力上限值估计

(9)

式中：h为采样周期，s。

∀s∈[1,S]}>C0}

(10)

式中：ΔP,max为机组有效蓄热发电能力上限估计值；C{·}为计算集合中的元素数量；C0为集合中元素数量的阈值。

式(10)的含义就是要使得较大值的功率调节量样本ΔP(s)发生不少于C0次。

3 应用流程

为了明确本文所述火电机组有效蓄热发电能力上限值估计方法，以下按照该方法的实际应用流程，分具体应用步骤予以阐述。

4 应用验证

为了验证本文所提出的火电机组有效蓄热发电能力上限值估计方法的有效性，本节首先以华北电网某330 MW火电机组的实发功率历史数据为基础，详细阐述所提出方法的应用步骤；之后给出了华北电网5台火电机组有效蓄热发电能力上限值的估计结果。

为了说明本文所述方法的应用步骤，在此以华北电网某330 MW火电机组的实发功率历史数据为基础进行说明。首先，提取该机组2019年8月1日0时整至8月12日12时59分59秒的历史数据(共300小时)，采样周期为1 s，总数据序列长度为300×24×3 600=2.592×107。其次，对这些数据进行PLR，共得到174 847个子数据序列。然后，依据式(5)、式(6)分别计算序列的幅值变化量ΔA(k)和ΔT(k)，k∈[1,174 847]。

由于火电机组功率允许波动范围是0.5 MW，为了避免机组合理波动造成的误差，因此|ΔA(k)|<0.5的数据段统计结果被舍弃。

图2 PLR结果提取的信息分布图Fig.2 Information distribution map of PLR result extraction

所选取的数据段集合对应于图3中菱形点。显然这样数据段在同等调节量下具有最大速率值。

图3 功率调节量ΔA(k)与数据段的斜率的散点图Fig.3 Scatter plot of power regulation ΔA(k) and

图4 ΔP(s)样本分布图Fig.4 Sample distribution of ΔP(s)

火电机组的机组蓄热与众多因素有关。根据机组蓄热一般性规律，蓄热量与机组锅炉类型有关。随着机组装机容量增大，蓄热量与机组装机容量的比例呈现下降趋势，直流锅炉蓄热量与机组装机容量之比小于汽包锅炉[16]。

为了进一步说明本方法的有效性，表1给出了5台机组的有效蓄热发电能力上限值估计结果。

表1 5台机组有效蓄热发电能力上限值估计结果Tab.1 Estimation results of upper limit value of effective thermal storage power generation capacity of 5 units

由于机组有效蓄热为整体蓄热的一部分，因此估计所得的机组有效蓄热发电能力上限值也应符合上述规律。在表1中，1#～3#机组为汽包炉，2#机组与3#机组均是在300 MW机组基础上增容改造后得到；4#与5#是两台直流炉。从所获得的机组有效蓄热发电能力上限值估计结果来看，1#机组与2#机组的有效蓄热发电能力上限值明显偏小；3#机组与前述案例中机组的有效蓄热发电能力上限值较好；4#与5#机组为超超临界直流锅炉机组。尽管其有效蓄热发电能力上限值也较大，但是蓄热发电能力上限值与装机容量的比值仍然小于3#机组及前述案例中汽包炉蓄热发电能力上限值。

5 结论

本文针对新能源发电大规模并网带来电网波动抑制问题，充分考虑火电机组利用有效蓄热进行功率调节具有极好的快速性特点，提出了火有效蓄热发电能力上限估计方法。所提出的方法以火电机组实发功率历史数据为基础，采用PLR方法获得机组在局部范围内的调节量、调节持续时间和调节速率，再通过对PLR数据进行选择，得到有效功率调节数据段及其调节整量等信息。最后，通过计算有效调节整数据段对应功率变化量，得到了有效功率调节数据段对应的功率变化样本集，并通过功率变化样本集估计得到有效蓄热发电能力上限。

通过对多台火电机组进行应用，表明本文所述方法具有良好的有效性、可行性和适用性，所得的到火电机组有效蓄热发电能力上限值反映了机组最快负荷调节量，对于评价火电机组发电调频性能及电网利用蓄热发电抑制自身波动都具有重要参考意义。