基于新能源消纳背景下火力发电机组深度调峰的分析与研究

2022-11-08陈文静

冶金动力 2022年5期

陈文静

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关 735100）

引言

大力推广和使用新能源是“减碳”重要举措，在我国“十三五”期间，持续推进可再生能源开发，通过加大投入力度、出台政策文件等多措并举的手段，使新能源在技术领域、装机容量等方面都取得了举世瞩目的成绩。新能源新增年均装机容量6 036 万kW，装机规模累计突破4.5 亿kW，使新能源成为超过水电成为第二大电力来源［1］。进入“十四五”期间，由于市场环境、区域经济和产业政策的调整，新能源电价下调，“弃风”“弃光”问题一直存在，使得新能源的发展面临严峻的挑战。在“碳达峰”“碳中和”和能源安全新战略“四个革命、一个合作”的引领下，新能源必将迎来一个新的高速发展时期。但是，伴随着装机规模的快速增长，大规模“弃风”“弃光”的问题是否会再次卷土重来，是我们必须要考虑的一个问题。一方面加大新能源领域的建设投入，一方面因各种问题而“弃风”“弃光”，新能源产业左右为难。因此，加大新能源消纳的水平，是我国能源产业高质量发展道路上的关键。甘肃省嘉峪关市酒钢宏晟电热公司的火力发电机组承担了嘉酒地区的新能源消纳，为了提升新能源消纳水平，保障火力发电机组的安全稳定运行，进行了关于高比例新能源消纳对火力发电机组影响的关键因素分析，并根据问题提出了相应的解决办法。为进一步研究新能源消纳提供帮助。

1 新能源消纳的现状

1.1 我国新能源消纳的现状

在“双碳”背景下，我国新能源发展迅速，累计装机总容量位居世界之首。作为发展中国家，新能源的总体渗透率要远远高于同期部分发达国家，新能源产业的发展成效有目共睹。但是，作为新能源主体的风能、光能在产生机制上具有一定的随机性和波动性，能源整体消纳水平有限。随着装机容量的总体提升，“弃风”“弃光”的问题愈发严重，受到了国家及各领域的重点关注。据统计显示，我国电网谷峰间的差距可达到30%以上，与电力系统平衡的基本原则不相符。新能源波动会呈现出反调峰特性，进而影响到装机容量。新能源进入到电力系统中，使常规电源负荷总量随能源负荷的变化而不断改变，进一步增加电力系统调节的负担。为保证电力系统的动态平衡特性，在新能源出力过大时，会出现大量“弃风”“弃光”的现象。因此，如何进行高比例新能源消纳，缓解地区电网平衡与能源消纳之间的矛盾，是切实提升经济效益与服务效益，做好能源开发利用的重要举措。

1.2 甘肃省新能源发展现状

甘肃省地处中国西北，风力资源丰富，因此主要关注新能源中风电的相关问题。甘肃省能源种类齐全，资源较为丰富，是国家重要的陆上能源输送大通道和综合能源基地，整体新能源可开发量居全国前列。风电资源主要集中在河西地区，根据国家气象局的资源评估，能源开发量为5.6 亿kW，居全国第四。随着酒泉至湖南±800 kV 特高压直流输电工程的建成，能源配置的格局发生了重大变化，新能源将不断推动能源体制的改革，并为甘肃省经济发展提供有力支撑。甘肃省能源发展面临的矛盾是各类能源之间发展的不平衡、不充分。在能源转型的过程中，消费性能源的增速下降，实现能源稳定发展的不确定因素增多。风电和光伏发电的内在波动性、间歇性问题给电力系统的稳定运行带来了不确定性。凸显了调峰能力的短板和电力系统缺乏灵活性的特点弊端。亟需协调的是新能源大规模开发和输送消纳之间的关系。

2 高比例新能源消纳的影响

相较于光电，风电的随机性和波动性更强，风电场输出功率也具有随机性和波动性，大规模风电并网后，系统的暂态稳定、保护防御体系、有功功率控制、无功电压等都会因风力发电的穿透率而受到影响［2］。

2.1 暂态稳定问题

随着新能源装机容量规模的增长，风电机组的并网和切除会严重影响系统的稳定性，加剧有功功率失衡。针对这一问题，对风机低压穿越的技术要求越来越高。当系统因故障而导致电压快速下降时，准备切除的风机不但不能退出运行，还要向系统注入无功电流，来帮助系统恢复，维持系统的稳定。系统的抗扰动能力和稳定能力，在极大程度上取决于风机低压穿越的能力。

2.2 对继电保护及相关保护防御策略性能的影响

新能源在普及应用的过程中，远距离输送是关键环节。由于风速受季节及时间影响存在不确定的波动性，并网时输电线路中可能出现双向流动的潮流，潮流给电力系统继电保护造成巨大压力。风电机组的结构和特性异于常规的同步发电机组，结构的差异会导致风电机组大量并网时造成系统临界切除时间变短、暂态稳定性变差等突出问题。风电机组规模增加后，由于原有系统的继电保护配置整定不能满足新的风电机组规模，若短路发生时，短路电流、电压特性受到潮流影响而变得不明显，同时，受到临界切除时间变短和风机低压穿越能力的影响，造成继电保护系统不动作或误动作，使系统存在巨大的潜在风险。经过综合分析，对继电保护系统造成影响的扰动因素包括：（1）不同类型的风机稳定性不同，例如变速风机的暂态稳定性优于定速风机；（2）风能的波动性和不可控性使风电场动态与系统动态的相互影响；（3）并网电流波动使以电流速断保护为主的线路保护性能下降，故障后动作不可靠；（4）我国电网经常采用的三段电流保护，以及分布式电源的容量大小、接入位置不同及类型差异的影响；（5）季节影响及源荷模式等。以上这些扰动因素均会在不同程度上导致继电保护装置的不正确动作。因此，为保证系统的稳定性，需对原有系统的保护策略进行修改，深入分析特定节点与重要馈线的稳态和暂态响应，根据现实情况提出新的低频减载策略，设置频率偏移继电保护整定参数［3］。

2.3 有功平衡问题

风电受季节、气压、温度等影响，在日内、日间都有不同，其波动特性会随着时间两级尺度的加大而改变，一般时间尺度越大，波动越明显。这对系统有功平衡的实现提出了更高要求。有效的调峰、调频能够提高系统对新能源的消纳能力。以分钟量级的风速波动，会对系统的频率调节造成影响；以小时量级的风速波动会对功率的经济调度产生影响；日以上量级的时间尺度会对机组的启停计划造成影响。在风电机组扩大规模时，系统中提供备用功率的机组不变，高渗透率的新能源电能导致系统的频率问题突出，调频难度加大［4］。若高比例新能源不参与系统的调压、调频，则会导致系统整体的转动惯量下降，抗扰动能力下降，造成联锁事故的概率大为提升。电力电网中，若只依靠同步发电机组控制频率，会大幅增加系统的频率变化率，超出范围的频率变化率数值，可能使系统的频率响应特性变差，引发同步发电机组切机，进而引发大量切负荷动作，使系统面临崩溃的风险。

2.4 无功电压问题

风电并网时，小型风电场与大型风电场的接入方式不同。小型风电场直接接入地区的配电网，并网时主要是电能质量问题。大型风电场则采用接入高压输电网的形式并网，大型风电场并网带需要考虑的主要问题是电压稳定问题。制约新能源并网容量的重要因素是电压稳定问题，在大型风场接入高压电网时，若进行大功率远距离传输，吸收的无功功率多，局部电网电压预留裕度不足，无法满足风场出力对无功调节速度的要求。风电的无功电压波动问题主要是由风机的特性引起的，需配置动态无功补偿装置来解决远距离传输时的局部裕量不足问题［5］。配置无功补偿装置时，要考虑风电接入电压等级、电网地区无功裕度、风场规模大小等因素。

3 新能源消纳下系统深度调峰特性分析

3.1 火电机组深度调峰对环境的影响

“双碳”背景下，新能源的优势越发凸显，2022年冬奥会上对绿色能源的使用已彰显我国大力发展和推广普及新能源的能力和决心。随着电网接入新能源电能的比例不断加大，调峰的压力也随之增大。在多种形式电力能源并存的地区，各类机组共同分担新能源接入电网时的调峰压力。但是甘肃省地处西北，主要的发电形式以火电为主，在大力发展新能源的当下，缓解调峰压力的主要任务由火电承担。酒钢宏晟电热公司的火电机组承担了嘉酒地区的新能源消纳，根据酒钢集团公司“十四五”期间新能源发展的战略规划，在未来一段时期内，宏晟电热公司的火电机组要承担更高比例的新能源消纳。利用火电机组进行消纳，在调峰过程中会消耗大量的煤炭能源，煤炭燃烧时会产生大量污染物，这与清洁能源环境保护的宗旨是相矛盾的。因此，必须对火力发电机组深度调峰的策略上进行改进和优化，找到新能源消纳和煤炭消耗的平衡点，来降低煤炭的消耗量，进而减少污染物的产生。

3.2 火电机组深度调峰对新能源消纳的影响

新能源消纳的比例是由火电机组的调峰容量决定的。根据《甘肃省“十四五”能源发展规划》统计数据，“弃风”“弃光”在最严重时可达43%和30%，造成了巨大的资源浪费。通过优化系统配置有效改善火电机组的调峰能力，是打破瓶颈，提高新能源消纳比例的关键环节。

3.3 深度调峰对火电机组的影响

根据火电机组的能耗特性和运行状态，可以通过常规调峰（regular peak regulation，RPR）、不投油深度调峰（deep peak regulation without oil，DPR）、投油深度调峰（deep peak regulation with oil，DPRO）三种方式进行调峰。假设用Pa代表DPR 的最低稳定出力，Pb代表DPRO 的稳燃极限出力，Pmax表示火电机组的最大运行出力，Pmin表示机组的最小运行出力［6］。四者之间的关系可以表示为图1。

图1 火力发电机组调峰阶段示意图

酒钢宏晟电热公司的发电机组共有12 台，其中包括6 台350 MW、4 台300 MW、2 台125 MW。300 MW及以上火电机组在设计时，考虑了新能源消纳问题，带有一定的调峰能力。但是125 MW 小容量火电机组建造的时间较早，受技术、机组容量等多方面因素限制，并不具备深度调峰的能力。因此，新能源消纳的任务主要由300 MW 和350 MW 的机组承担。随着新能源规模的不断增大，调峰深度也不断增大，为配合甘肃省对新能源消纳的统一调度，需增加机组调峰的灵活性，因此，机组处于不同的调峰阶段的运行成本也会发生改变。首先增加的是火电机组的煤耗成本，其次是油耗成本，第三是对机组自身的损坏。

3.3.1 深度调峰的煤耗成本

宏晟电热公司的动力煤来源主要是广汇煤、哈动煤及其他劣质煤种，主要采用优质煤和劣质煤掺烧的模式。通过煤耗查定实验，对机组在不同负荷率下进行供电煤耗测量，根据火电机组煤耗特性参数［4］，得到第i 台火电机组在t 时刻的煤耗成本如式（1）所示：

式中：P——实际输出功率；

Scoal——原煤的采购价格，元/t；

a、b、c——机组的煤耗特性参数。

在深度调峰的过程中，需要对机组的运行状态和输出进行调整，大大低于设计功率，低负荷状态使机组的煤耗成本增大。

3.3.2 深度调峰的油耗成本

宏晟电热公司的发电机组在经过微油点火项目改造后，柴油用量大大降低，但是，在新能源消纳的投油深度调峰DPRO 阶段，深度调峰使得燃烧不稳定，通过投油进行燃烧调整，保护机组稳定出力，第i台火电机组在第t时刻投油成本如式（2）所示。

式中：h′(Pi，t)——第i台机组在DPRO阶段的运行时间；

costoil——单台机组在DPRO 阶段的每小时投油吨数；

Soil——每吨的油价。

3.3.3 机组自身损耗

在深度调峰时，需主动压低火电机组的整体出力，这将导致火电机组转子的热应力过大，进一步带来蠕变损耗和低周疲劳寿命损耗，严重时将会导致主机本体变形或断裂，降低了使用寿命。通过统计发现，降低火电机组的出力来进行新能源消纳，会受到多种条件的限制，主要包括：机组设计为非调峰机组，参与深度调峰会影响设备的安全稳定运行；受制于锅炉不投油最低稳燃负荷的限制；受制于脱硝入口温度的限制；受制于汽轮机低压缸最小出力的限制；受制于电网参与调峰稳定性的限制等。而深度调峰背景下对主机所造成的损耗主要包括：对锅炉的影响主要体现在低负荷下燃烧的稳定性降低，水动力的稳定行降低，受热面超温，承压部件金属产生疲劳裂纹等；对汽轮机的影响主要体现在快速变负荷会引起温度剧烈变化，汽轮机动静部分变形甚至碰磨，抽汽回热系统效率降低，低压缸小流量运行问题凸显等。对发电机的影响主要体现在定子铁芯温差增加、加剧绝缘老化，定子线圈槽内松动、匝间绝缘磨损，氢气温度压力波动、造成漏氢量增加，低负荷下脱硝系统的稳定性；端部线圈发热损伤可能性增大，转子高应力区加快疲劳，氢气密封元件老化加快，机内进油等。这些问题的产生都会影响发电机组的实际使用寿命，处理不当还可能造成非计划停机，影响产量和经济效益。

4 火电机组快速调峰的策略研究

通过上述分析，结合宏晟电热公司火力发电机组的特点和嘉酒地区新能源建设的规划，为提调峰能力，可以针对提升变负荷能力，对火电机组进行升级改造，使火电机组可以在短时间内快速调整出力，利用变负荷运行抑制新能源消纳过程中产生的波动性。这个方法的缺点是投资较大，需要专业的团队对机组改造进行设计，这是当下火力发电占主导地位的前提下最安全可行的方案。除此之外，还可以通过提高气象预测精度，预测风电出力的波动性和随机性，预测精度的提高，将会大大减少火电机组及电力系统功率调度的复杂性［6］。