郭 濤，秦 睿，馬呈霞，張世才，陳 強(qiáng)，郭鈺鋒

(1.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

隨著化石燃料的逐漸枯竭和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，全世界都在大力發(fā)展可替代清潔能源。風(fēng)力發(fā)電因清潔無(wú)污染、資源分布廣而受到人們的廣泛關(guān)注［1－2］。然而，由于風(fēng)能的間歇性，不可控、不可調(diào)性，造成風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)性，勢(shì)必會(huì)給電力系統(tǒng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［3－7］。早期對(duì)風(fēng)電特性的研究得到了較完備的風(fēng)速概率分布和頻譜的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)特性，為風(fēng)能資源評(píng)估、風(fēng)電建設(shè)和風(fēng)電場(chǎng)仿真模擬提供了依據(jù)，但難以應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和調(diào)度。

在不增加系統(tǒng)裝機(jī)容量的前提下，為保證電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，占系統(tǒng)發(fā)電份額最多的火電機(jī)組的一次調(diào)頻回路主要承擔(dān)風(fēng)電快變分量所帶來(lái)的波動(dòng)。汽輪機(jī)參與一次調(diào)頻實(shí)質(zhì)上是通過(guò)調(diào)節(jié)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的位置，來(lái)改變汽輪機(jī)的功率，使其轉(zhuǎn)速基本保持不變。但當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開(kāi)度已達(dá)到極限時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮其他方法增加發(fā)電功率，本文重點(diǎn)研究回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽效應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響。

再熱式汽輪機(jī)采用多級(jí)給水回?zé)峒訜?，即從汽輪機(jī)的中間級(jí)抽出一部分蒸汽，在給水加熱器中對(duì)鍋爐給水進(jìn)行加熱。當(dāng)回?zé)崞魍度脒\(yùn)行時(shí)，其回?zé)崞魅莘e內(nèi)便儲(chǔ)存了一定容積的蒸汽和疏水，這部分蒸汽和疏水對(duì)汽輪機(jī)的動(dòng)態(tài)特性具有明顯影響。負(fù)荷突然增加時(shí)，汽輪機(jī)進(jìn)汽閥開(kāi)大，進(jìn)汽量增加，抽汽點(diǎn)壓力升高，汽水飽和溫度升高，疏水溫度低于汽側(cè)溫度，回?zé)岢槠縿?dòng)態(tài)過(guò)量增加，一方面平衡給水量增加所需的加熱量增加，一方面提供疏水的附加吸熱;而當(dāng)負(fù)荷突然間降低，進(jìn)汽閥關(guān)小，進(jìn)汽量減少，抽汽點(diǎn)壓力降低，則凝結(jié)水由飽和水變成過(guò)熱水，這樣就會(huì)蒸發(fā)出蒸汽，回?zé)岢槠縿?dòng)態(tài)過(guò)量降低?；?zé)岢槠繉?duì)汽輪機(jī)功率的影響是明顯的，通常切除高加抽汽會(huì)使汽輪機(jī)的功率增加10%左右?；?zé)岢槠康淖兓瘯?huì)影響汽輪機(jī)功率，所以，減少回?zé)崞鞒槠山档推啓C(jī)的頻率變化。

文獻(xiàn)［8－11］中，對(duì)高風(fēng)電滲透電網(wǎng)，如何提高火電機(jī)組的發(fā)電能力都有了不少研究成果，但目前現(xiàn)有的研究尚未考慮在高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開(kāi)度達(dá)到極限時(shí)，通過(guò)改變回?zé)嵯到y(tǒng)的抽汽量來(lái)調(diào)節(jié)頻率。本文基于以上文獻(xiàn)的研究成果，通過(guò)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響展開(kāi)研究，對(duì)再熱式汽輪機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行仿真，重點(diǎn)研究了高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開(kāi)度達(dá)到極限的工作情況下，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽效應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響。

1 風(fēng)功率波動(dòng)特性分析

選取我國(guó)某地風(fēng)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，將風(fēng)電功率數(shù)據(jù)用小波分解的方法分為分鐘級(jí)以下及分鐘級(jí)以上多個(gè)尺度。風(fēng)電功率分鐘級(jí)以下波動(dòng)分量主要由電力系統(tǒng)一次調(diào)頻來(lái)平抑。將風(fēng)功率的平均值提取出來(lái)，用風(fēng)電功率分鐘級(jí)以下波動(dòng)成分的標(biāo)準(zhǔn)差除以平均功率即可得到對(duì)應(yīng)于任一平均功率其特定波動(dòng)成分所占的比重。圖1為分鐘級(jí)以下波動(dòng)量隨著風(fēng)電功率的增加所產(chǎn)生的變化，圖1中兩根曲線(xiàn)分別代表單機(jī)風(fēng)功率和風(fēng)場(chǎng)風(fēng)功率輸出特性。由圖1可以看出單臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)功率波動(dòng)與其平均功率相比波動(dòng)較大，在額定功率附近其波動(dòng)量大概占13%左右;對(duì)于風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)功率輸出特性，其分鐘級(jí)以下波動(dòng)分量所占比重明顯減小，在額定功率附近其波動(dòng)分量大概占2%左右。即隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，在電力系統(tǒng)中加入XMW的風(fēng)電功率時(shí)，其分鐘級(jí)以下風(fēng)電波動(dòng)量將達(dá)到0.02 XMW。在電力系統(tǒng)負(fù)荷高峰區(qū)，當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥的開(kāi)度已達(dá)到極限時(shí)，為了平抑風(fēng)功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)的影響，可以考慮發(fā)揮回?zé)嵯到y(tǒng)的儲(chǔ)能效應(yīng)，調(diào)節(jié)汽輪發(fā)電機(jī)組的抽汽量提高發(fā)電功率。

圖1 風(fēng)功率波動(dòng)特性分析圖

2 用于仿真分析的數(shù)學(xué)模型

2.1 回?zé)岢闅庀到y(tǒng)工作原理

圖2 回?zé)崞飨到y(tǒng)工作簡(jiǎn)圖

圖2為表面式加熱器的回?zé)嵯到y(tǒng)工作簡(jiǎn)圖。文獻(xiàn)［12］詳細(xì)介紹了回?zé)岢槠到y(tǒng)的工作原理，并以表面式加熱器為例建立了回?zé)崞飨到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

圖2中，Dms為上級(jí)組流量;D'ms為下級(jí)組流量; Dri為第i級(jí)回?zé)崞鞒槠髁?Dwi為第i級(jí)回?zé)崞鹘o水流量;Dci為第i級(jí)回?zé)崞髂Y(jié)水流量;PT為汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力;Pbi為第i級(jí)回?zé)崞鞒槠c(diǎn)壓力;Pri為第i級(jí)回?zé)崞鲏毫?αri為第i級(jí)回?zé)崞鞒槠蓊~系數(shù)，αri=Dri0/D'ms0。所有變量下角標(biāo)“0”均表示相應(yīng)量的額定值;下角標(biāo)i對(duì)應(yīng)1、2;高加，除氧器及低加1，2的符號(hào)表示分別為GJ、CY、DJ1、DJ2。

2.2 抽氣逆止閥可控的回?zé)岢槠到y(tǒng)模型

文獻(xiàn)［12］根據(jù)給水回?zé)嵯到y(tǒng)的工作流程及以上建模思路，已研究出傳遞函數(shù)形式的逆止閥全開(kāi)時(shí)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為了配合風(fēng)電發(fā)電功率的變化對(duì)火電機(jī)組發(fā)電量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，在抽汽逆止閥處添加控制信號(hào)用于控制回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量，得到如圖3所示的抽汽逆止閥可控的回?zé)岢槠到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型。模型中，αri為抽汽份額系數(shù)，Wi(s)為回?zé)崞鱾鬟f函數(shù)，βi為抽汽逆止閥前后壓損系數(shù)，Ci為級(jí)組功率系數(shù)。

圖3 逆止閥開(kāi)關(guān)可調(diào)的回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.3 多機(jī)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

研究電網(wǎng)頻率的長(zhǎng)周期行為時(shí)(如一次調(diào)頻，二次調(diào)頻)，可以認(rèn)為電網(wǎng)頻率是統(tǒng)一的，各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均相等，這樣的假定實(shí)際上是忽略了發(fā)電機(jī)之間的相對(duì)搖擺，認(rèn)為發(fā)電機(jī)之間嚴(yán)格地保持同步運(yùn)行。

在本文所用仿真模型中，取再熱式汽輪機(jī)、水輪機(jī)組的發(fā)電份額占整個(gè)電網(wǎng)的發(fā)電份額分別為50%、30%，風(fēng)電機(jī)組發(fā)電份額為20%。

3 控制回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量平抑風(fēng)電波動(dòng)

以圖4所示的系統(tǒng)為例在MATLAB中進(jìn)行仿真，比較分析在回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥不同開(kāi)度的工況下對(duì)電網(wǎng)頻率變化的影響，結(jié)果如圖5所示。仿真中取給定轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值為1，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速在仿真時(shí)間50 s左右降低，造成風(fēng)場(chǎng)功率降低5%。

圖4 用于二次調(diào)頻控制回路設(shè)計(jì)分析的M臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型

圖5 回?zé)嵯到y(tǒng)逆止閥開(kāi)關(guān)對(duì)電網(wǎng)頻率的影響

圖5中對(duì)汽輪機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開(kāi)度達(dá)到極限的工作情況下，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥在不同開(kāi)度工況下對(duì)電網(wǎng)頻率變化進(jìn)行對(duì)比分析。回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥全開(kāi)時(shí)回?zé)崞鲏毫轭~定值，而抽汽逆止閥半開(kāi)時(shí)回?zé)崞鲏毫β杂邢陆担槠嬷归y全關(guān)時(shí)，回?zé)崞鲏毫?huì)由額定值逐漸減小到0。隨著回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥開(kāi)度的變化會(huì)影響火電機(jī)組的發(fā)電功率，當(dāng)逆止閥開(kāi)度由全開(kāi)到半開(kāi)時(shí)，電網(wǎng)頻率標(biāo)幺值的超調(diào)量由－1.8%減小至－0.8%，即隨著逆止閥開(kāi)度減小，抽汽量減小，所提高的火電機(jī)組的發(fā)電量是不容忽視的。因此，在汽輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，如遇到高負(fù)荷運(yùn)行，主汽閥開(kāi)度達(dá)到極限的工作情況，即可考慮回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽效應(yīng)對(duì)汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響，以增大功率輸出，從而減小電網(wǎng)頻率變化，保證電網(wǎng)運(yùn)行安全。

4 結(jié)論

本文研究了在高風(fēng)電滲透率的電力系統(tǒng)中，風(fēng)速波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響。在負(fù)荷高峰且風(fēng)電欠發(fā)時(shí)，根據(jù)汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)工作原理，發(fā)揮回?zé)嵯到y(tǒng)蓄熱效應(yīng)，控制回?zé)岢槠嬷归y開(kāi)度調(diào)節(jié)回?zé)岢槠酷尫拍芰?。考慮已有的汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)靜態(tài)參數(shù)，得到了帶有回?zé)嵯到y(tǒng)的汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)模型，建立了用于分析調(diào)頻問(wèn)題的含有風(fēng)電及火電機(jī)組的電力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，增加了抽汽逆止閥的控制回路，通過(guò)仿真分析比較了汽輪機(jī)在并網(wǎng)條件下，當(dāng)風(fēng)電波動(dòng)引起頻率周波擾動(dòng)時(shí)，高負(fù)荷運(yùn)行的工作情況下，回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥不同開(kāi)度狀態(tài)對(duì)汽輪機(jī)頻率調(diào)節(jié)的影響。用仿真結(jié)果證明了在以上工作情況下，與打開(kāi)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥相比，適當(dāng)關(guān)閉回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽逆止閥，汽輪機(jī)功率會(huì)明顯增加，從而會(huì)對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定起到積極作用。因此，調(diào)整回?zé)岢槠渴且环N能夠提高汽輪機(jī)調(diào)峰調(diào)頻出力的可行方法。

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