“双碳”目标下燃煤发电机组一次调频技术分析

郭璞维，谢子硕，郭宬昊，李庆新，夏子晴，许宏鹏，王金星

(1.河北省燃煤电站污染防治技术创新中心(三河发电有限责任公司)，河北 廊坊 065201；2.燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066004；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

在配合“双碳”战略实施中，大力发展新能源发电已是大势所趋。由于可再生能源存在反调峰问题和不确定性，拉大负荷的峰谷差，源荷双重压力加大了电力系统的调峰调频负担[1]；因此，大量间歇性新能源发电并网必将迫使燃煤发电机组(以下简称“煤电机组”)全面参与深度调峰调频[2]。目前煤电机组仍是电网响应一次调频的主力。一次调频应满足以下技术要求：①煤电机组调速系统转速不等率低于5%；②煤电机组一次调频死区不超过±0.033 Hz；③超出调频死区范围，电液调节型机组的响应时间不超过3 s；④超出煤电机组一次调频死区15 s内，整个机组实际调节量需要高于75%的理论量。为此，深入探讨煤电机组一次调频技术是研究如何适应能源结构转型的重要部分。

伴随煤电机组参数的超超临界化，锅炉蓄热能力减小，导致其调频能力呈现出显著下降的趋势，在不影响供电煤耗的基础上提高一次调频效果的方法是当前亟待解决的问题。李国庆[3]采用直接测量频率变化(即频差增减量)信号的测量手段,对华北某电厂200 MW和600 MW机组完成试验,得到优化后的一次调频响应时间及速度、调节质量及品质均有大幅提升的结论，并以350 MW机组为研究对象，证实了采用一次调频分量的方法能够同时保障调频的稳定性和快速响应。Amin Md Ruhul等[4]研究了一次调频控制系统中电池储能系统(battery energy storage system，BESS)的应用，获得了BESS辅助调频能够明显提高其调频响应的定量分析结果。为此，根据煤电机组自身的特性，深入探讨煤电机组一次调频性能是后续技术开发的重要基础。例如，祝建飞等[5]研究了包括补汽阀调节、回热系统及抽汽供热等在内的一次调频技术，陈波等[6]研究了高压加热器(以下简称“高加”)给水旁路调节方式的一次调频控制技术，沈建峰等[7]研究了零号高加的一次调频技术应用，均为拓宽煤电机组一次调频手段进行了有意义的探索。本文以我国“双碳”政策导向为背景，结合当前煤电机组一次调频技术特点和应用现状，提出未来发展方向以及相关建议。

1 一次调频技术

目前，一次调频技术主要包括汽轮机数字电液控制(digital electric-hydraulic control，DEH)侧一次调频技术、机炉协调控制系统(coordination control system，CCS)侧一次调频技术、高压调节阀节流技术、回热抽汽调频技术、凝结水节流技术及储能调频技术等。

1.1 DEH侧一次调频技术

DEH侧一次调频技术是指将汽轮机实际转速与其额定转速之差作为功率信号补偿或流量补偿，进而达到调节频率的作用，其工作原理如图1所示。柯昭[9]分别对330 MW和680 MW煤电机组进行了DEH侧一次调频方案分析，发现修改DEH控制逻辑能够顺利保证机组并网带负荷，同时汽轮机高压调节阀具有一定的调节余量。该调频方式能够及时控制调节阀开度，在频率稳定条件下保证机组平稳性和安全性。

图1 DEH侧一次调频控制结构Fig.1 Structure of primary frequency modulation control at DEH side

1.2 CCS侧一次调频技术

CCS是将锅炉和汽轮机看作一个单元整体，其一次调频原理为当转速差值超过调频死区后，通过调控锅炉的燃烧量、给水量和风量等参数完成调频指令[10]，其运行原理如图2所示。张锷等[11]对某350 MW超临界机组进行研究，发现对机组进行取消CCS侧一次调频指令回路的滞后功能块等优化，能够有效满足调频需求。丁宁等[12]仿真分析了DEH、CCS单独作用时和协同作用时的一次调频动态过程，发现DEH和CCS协同一次调频效果最佳，该调频方式能够使负荷升降过程时间不超过10 s，并保证负荷变化迅速而不过调。

图2 CCS侧一次调频控制结构Fig.2 Structure of primary frequency modulation control at CCS side

1.3 高压调节阀节流技术

作为应用最广泛的技术之一，高压调节阀节流技术的原理是当电网频率偏差超过电网频率死区后，通过调节高压调节阀开度来快速调整机组功率，与此同时，再通过CCS调节燃烧量、给水量等参数使机组维持稳定运行。为此，一般高压调节阀在正常运行时需要保留一定的节流量用以响应一次调频。例如，刘永林等[13]分析了某600 MW超临界汽轮机在不同高压调节阀阀序运行下的能耗以及重叠设定方法，发现：优化后，高压缸效率提升且热耗率降低；当开度增加45%左右，该调频方式能够使机组在60 s内增加负荷约10 MW。

1.4 回热抽汽调频技术

回热抽汽调频技术是利用回热系统抽汽效应参与机组一次调频，通过调整回热抽汽量调控汽轮机汽缸中的蒸汽流量，从而改变机组功率实现负荷调节。例如，张小敏等[14]研究某300 MW机组在高负荷工况下回热系统抽汽效应对机组调频的影响，提出可通过关闭抽汽逆止阀来提高汽轮机功率。

1.5 凝结水节流调频技术

凝结水节流调频是以凝结水流量为变量参数调节低压抽汽量，从而快速变负荷来进行机组调频，其工作原理如图3所示。当需要升负荷时，减小凝结水流量，低压加热器抽汽量减少，汽轮机做功增加从而快速提升机组负荷；需要降负荷时过程则与之相反。凝结水节流调频在燃料响应延迟等情况下仍能快速响应机组负荷需求变化，同时降低节流损失，提高了经济性[15]。杨巍等[16]设计了凝结水节流串级控制系统，同时结合某1 000 MW机组进行仿真研究，发现该系统可提高机组的升负荷速率且除氧器水位变化较小，调频能力明显提高。该调频方式能使机组的变负荷速率提升1倍以上，显著提高了其可调能力[17]。

图3 凝结水节流调频原理Fig.3 Condensate throttling frequency modulation schematic

1.6 储能调频技术

由于储能技术的迅速发展，各电厂不断改造、接入储能调频系统来提高电力系统的调频能力。蓄电储能调频具有响应快等特点，可在系统调频中发挥重要作用[18]，已有研究证实了其参与一次调频的有效性。如Knap等[19]研究了2种典型的储能模式(下垂和惯性控制模式)参与一次调频控制策略等相关问题，论证了储能电池应用于机组调频。该调频技术能够提高综合调频性能达3倍以上，具有更高的经济性和安全性。

1.7 一次调频技术对比

综上所述可知：DEH侧和CCS侧调频技术协同作用下调频效果更加显著，其经济性在于采用自动控制(反馈)系统，更加省时省力；高压调节阀节流技术和回热抽汽技术具有良好的负荷调节能力；凝结水节流技术能够满足机组的快速变负荷，快速响应机组的调频需求，同时具有一定的节能效果，有良好的经济性；在大量可再生能源并网的情况下储能调频技术的调频能力和经济效益有巨大的优势，而储能调频技术与其他技术相耦合，将成为既具有良好经济性又具有极好调频能力的关键技术[20]。不同的一次调频技术有着不同的优缺点，具体情况见表1。

表1 一次调频技术对比Tab.1 Comparison of primary frequency modulation technologies

2 一次调频技术的应用现状

一次调频是保证电网有功功率动态平衡的重要手段。在进行一次调频时，应主要关注其转速不等率、转速死区、限幅和运投范围4个参数，根据不同的情况进行设定。表2呈现了几组典型的一次调频技术应用，其中零号高加是超超临界参数煤电机组热力系统具有的特点，不同于系统中其他各级回热加热器，其回热抽汽管路上配置的是液动或气动调节阀。采用零号高加抽汽调频时，可通过抽汽调节阀的快速动作改变抽汽量，抽汽量暂态变化导致汽轮机做功能力发生变化，从而在短时间内快速改变机组负荷，待调频结束后再逐步恢复原有抽汽量。煤电机组一次调频具有较高的线性度、较高的控制精度，同时阀门迟缓率比较低，且不同的机组容量适应的调频方案也有所差异。

表2 一次调频技术的应用现状Tab.2 Application status of primary frequency modulation technologies

2.1 一次调频技术的难点与技术瓶颈

自动发电控制(automatic generation control，AGC)指令响应的滞后性导致了电网难以实时地控制与调整机组的一次调频。李元元等[24]以600 MW机组作为实验对象预测电网的一次调频补偿能力，结果发现偏差量在第3 s时达到峰值，随后逐渐减小。徐彤等[25]从优化汽轮机运行参数出发，提出了针对汽轮机参数优化的一次调频补偿方案，通过实验发现调频质量有较高的提升。除上述难点外，现有的一次调频控制策略不能满足机组不同参数下一次调频的响应能力，原因是：①煤电机组的实际工况和运行参数一直在变化，致使一次调频响应幅度不够或调节过大；②一次调频的变化幅度是在机组的额定参数下的一个响应，但在实际运行过程中，受实际工况的限制，机前压力往往达不到要求[26]。

2.2 解决一次调频技术问题的策略与办法

在解决一次调频技术问题时可以从以下几个方面考虑[27]：①提高信号采集精度。适当减小频率信号的量程能够得到较高精度的频率信号，而采用高精度频率源可以提高机组的响应速度[28]。②避免压力反调或AGC反调。对于压力反调，可以在压力控制回路中设置适当增大的压力偏差死区来避免压力反调；对于AGC反调，要及时完善一次调频逻辑，优化机组协调控制参数，也可以在一次调频动作时闭锁AGC指令变化[29]。③“快动缓回”一次调频策略。通过闭锁或限制与电网频差反向的调频作用为电网贡献更多的调频电量，从而提高电网频率的控制品质，解决由于调频装置剧烈振荡而产生的功率振荡问题[30]。④减少回热或供热抽汽。为解决低频下一次调频变负荷能力需求，通过减少高(低)压加热器或热网所用的抽汽来快速增加机组负荷[5]，常用的方法有凝结水节流、高加旁路控制、直接抽汽调节等几种，但需避免调节阀动作过于频繁，该方法适合频差较大时的一次调频策略。⑤利用超级电容辅助机组调频。该技术利用超级电容相对于锂离子电池储能更加适合辅助煤电机组较高频次的一次调频响应的特点，在显著减小汽轮机高压调节阀节流损失、降低机组煤耗1.0 g/kWh的基础上，将机组的一次调频响应能力提升10%～70%[31]。⑥储能调频控制灵活，响应快速。机组耦合储能调频系统可以大幅提高调频性能，增加调频收益，具有良好的经济性与市场前景[32]。

2.3 当下一次调频技术的不足

煤电机组的一次调频控制功能必须满足能够实现稳定控制方面的要求。当前我国一次调频技术主要存在的问题[24]包括以下几点：①控制系统某些参数(例如不等率、频差函数等)调节效果不理想，调频动作不具备及时性、准确性；②部分机组AGC功能与一次调频系统协调配合无法达到有效协调作用，造成负荷响应不足及响应速率慢，很难持续性实施；③机组一次调频补偿能力与机组参数设置和运行状态有关，电网并不具备实时控制能力；④机组一次调频测量信号精度较低，同源频率测量能力差，不具备根据机组所处的电网频率变化的差异和机组的特性进行死区及变速率的修正的能力。上述问题导致一次频率控制过程中功率不平衡，降低了电网频率的稳定性，无法有效保障电力系统安全稳定的运行。

2.4 可用于一次调频的潜在应用技术

煤电机组一次调频响应速度对于电力系统的稳定至关重要。根据煤电机组的实际运行情况及自身特有的性能，完善一次调频与协调的逻辑功能并进行优化，可以使机组达到高效安全稳定的运行状态，同时还能取得良好的经济效益。例如，王琦等[33]研究高风电渗透率电力系统的煤电机组一次调频策略，发现动态一次调频控制策略能够有效减小风电功率随机波动对系统频率造成的影响，当系统对风电功率波动的调频响应能力不足时，增加所有机组的一次调频能力，可以提高系统对风电功率随机波动的动态响应能力。李华等[28]采用高精度频率变送器采集的频率信号作为煤电机组一次调频信号源，相较于原来的转速信号，能够明显提高一次调频动作合格率。丁宁等[12]研究认为，DEH侧和CCS侧协同一次调频效果最佳，通过增加主蒸汽调节阀节流提升滑压设定压力，是提升机组一次调频能力最直接有效的方法。蔡灵娟等[34]通过对机组的流量特性、协调静态参数、动态参数，以及影响一次调频有关的逻辑进行优化研究，发现该方式既保证机组安全经济运行，又能使机组能快速有效响应一次调频的预期要求。宋崇明等[35]探讨不同蓄热装置配置方案对机组一次调频性能的影响，进行机组一次调频动态仿真，研究结果表明，无论在弃风弃光时段还是非弃风弃光时段，配置蓄热电锅炉都能够增加机组的一次调频能力。

3 一次调频技术的研究展望

3.1 一次调频政策的导向

国家标准GB/T 40595—2021《并网电源一次调频技术规定及试验导则》指明未来一次调频技术将在动态性能、转速不等率、死区限制等方面发力，而随着新能源发电的并网和储能技术的快速发展，新能源发电和储能电站同样需要进行一次调频。目前，对于可再生能源发电的一次调频技术的研究仍处于起步阶段，这意味着未来在可再生能源与储能领域，一次调频技术依然有较大的发展空间。而对于煤电机组，在“双碳”目标的指导下，借助一次调频技术对机组进行灵活改造已是一个热门的研究方向。

3.2 旁路调频的应用潜力

高加旁路调频作为机组灵活运行的调频策略之一，在未来具有较大的调频潜力，可作为辅助方式在紧急情况下大幅度加强电网内机组的调频能力。其中，高加旁路调频本质上利用了高压抽汽和省煤器的蓄热能力。陈波等[6]针对高加旁路全开状态下机组的负荷响应特性、省煤器进出口给水温降及其蓄热利用效率，开展高加旁路参与一次调频运行边界条件探讨，认为有高加旁路参与的一次调频技术，是一种充分利用省煤器蓄热的节能型一次调频方法。李文杰等[8]对高加旁路系统设置给水调频技术进行实验研究，发现高加旁路调频方式能够在保证机组安全性的前提下，有效提高运行经济性。荆雨田等[36]分别对机组采用高加旁路调频、补气阀调频、凝结水节流调频的特性进行研究对比，确定相比于其他2种调频方式，高加旁路调频具有适应性强、负荷响应快等特点。

总体来说，旁路调频系统一次调频技术的运用，是特高压电源接入电网后，机组提升负荷调节灵活性的重要手段，是特高压受端电网在应对重大节点保证电力供应和电能品质的重要途径。

3.3 多储能耦合辅助调频的应用潜力

储能系统(蓄电、飞轮、超级电容器等电能转换系统)具有反应时间短、调节速率高、调节精度高以及可双向调节的特点，是一种优质的调频方式。储能辅助煤电机组调峰具有明显的技术优势，但目前仍亟需合理的储能参与辅助服务补偿机制，以激发大规模储能在电力系统中的应用。肖春梅[37]利用电储能提升煤电机组调频性能的工作原理，研究在火电厂加装BESS参与AGC调频。增加储能系统在技术方案的选择上具有普遍适用性，储能系统联合机组参与深度调峰的同时参与调频辅助服务，能够有效提升机组的调节性能和调节速率，提升煤电机组的调频质量和指标(K值)，使之获得了更长的机组辅助服务里程，更大的AGC补偿收益、调峰收益、深度调峰收益和调频辅助服务收益。王琦等[38]综合考虑区域电网的负荷需求和BESS的荷电状态之间的关系，提出了BESS辅助煤电机组参与调频的控制策略，通过仿真发现，采用多变量模糊控制方法控制BESS的输出功率，可以改善系统调频的动态性能。曲彤等[39]在分析储能系统、风电机组、煤电机组调频特性的基础上，提出了风储火联合调频策略，通过仿真实验发现，分频调节可以充分利用不同调频源对频率的响应速度不同，来对频率进行快速响应，降低系统的波动性。王琦[40]对火电联合调频研究发现，煤电机组配置电化学储能系统，可显著提高机组的AGC性能指标，获取可观的经济收益。李军徽等[41]针对高风电渗透率对电力系统调峰带来的问题，提出一种储能辅助煤电机组深度调峰的分层优化调度方法，发现储能系统参与电力系统调峰可以有效降低系统总调峰成本，并且在寿命周期内，储能系统自身可以基本达到经济平衡。

3.4 一次调频技术的发展动态

图4呈现了自2017年以来一次调频技术的发展动态。初期的综合阀位前馈控制对一次调频动态特性形式多样性难以精确测量，容易造成过补偿或欠补偿。为了补偿前馈调节的不准确，在技术发展后期产生了前馈反馈控制系统(由前馈和反馈控制系统结合而成)、凝结水节流调频技术、风电场协同调节控制策略、储能参与一次调频的技术优化等方式辅助一次调频技术发展；然而，上述的调频技术仍需以煤电机组自身的调频性能为主导，在此基础上进一步实现辅助调频优化。

图4 2017-2021年一次调频技术发展概述Fig.4 An overview of primary frequency modulation developments in 2017-2021

未来一次调频技术发展趋向于向多机组联合调频、储能系统辅助调频技术的方向发展，以求实现优化一次调频技术本身的负载能力、响应速度。马骏超等[42]采用储能调频策略，显著提高了系统的抗波动性和经济性；沈建峰[7]设计零号高加参与的一次调频方式，其具备了一定的快速负荷响应能力，参与调频时对系统的扰动较小，常态化应用风险可控，使降低主汽调节阀节流损失成为可能，对配备零号高加的发电机组具有较好的推广应用价值；颜湘武等[43]提出基于转子动能与超级电容器储能的协调频率控制策略；何林轩等[44]利用MATLAB/Simulink软件分析在阶跃扰动和连续扰动情况下有无飞轮储能参与时系统的调频效果及调频资源的出力情况，发现采用飞轮储能辅助一次调频可以减少电力系统频率偏差变化量和联络线上交换功率的变化范围，并且减轻煤电机组调频负担，减小煤电机组输出功率的变化范围，延长机组寿命。

另一方面则是结合当前已有的科技，在原有的基础上对一次调频技术进行优化，例如通过模拟实验[45]研究BESS对电力系统功率因数校正(power factor correction，PFC)的潜在影响。通过模拟结果确认，只要适当控制频率并安装足够的容量，BESS就可以减少频率的波动。

综上所述可知：机组自身调频特性仍是深挖发电机组一次调频能力的基础，同时对热力系统中汽水管路结构的改造也是针对性提高机组调频性能的有效手段(已有研究[8]证实了改造旁路能够明显改善机组的负荷响应特性)；与此同时，在保持机组负荷响应快、调节幅度大、边界限制条件少等优良特性基础上，通过优化运行控制策略，可有效提高机组的运行经济性；虚拟下垂控制、惯性控制等控制模式[46-49]的研究，在理论上证实了通过优化运行策略改善机组调频需求可行性；储能技术的发展为辅助机组一次调频需求提供了新的途径，各储能技术(包括飞轮储能技术[44]、压缩空气储能技术[50]等)与煤电机组的耦合调频研究，均展现了其耦合应用的潜力。

4 结束语

基于我国“双碳”目标政策导向背景，煤电机组大都承担调峰调频的任务，因而对煤电机组一次调频的研究逐渐受到关注。本文首先结合当前煤电机组的调峰需求情况进行综述；然后，就煤电机组一次调频技术的分类及原理进行分析，同时总结了近年一次调频技术的技术方案、相关参数、优化效果等方面，以及一次调频技术的应用现状；最后，对一次调频技术未来发展方向进行合理的预测分析，提出2021年之后的调频技术会更多采用蓄电调频、飞轮储能调频和多机组协同调频，为煤电机组一次调频技术提出相关可行性建议。期望本文所做的分析可为燃煤发电机组一次调频提供借鉴。