利用回热抽汽控制参与风电系统调频方法研究

郭 涛，秦 睿，马呈霞，张世才，陈 强，郭钰锋

(1.甘肃电力科学研究院，甘肃 兰州 730050;2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

随着化石燃料的逐渐枯竭和环境污染问题的日益严峻，全世界都在大力发展可替代清洁能源。风力发电因清洁无污染、资源分布广而受到人们的广泛关注［1－2］。然而，由于风能的间歇性，不可控、不可调性，造成风力发电出力的随机性，势必会给电力系统的安全性、可靠性和经济性带来严峻挑战［3－7］。早期对风电特性的研究得到了较完备的风速概率分布和频谱的长期统计特性，为风能资源评估、风电建设和风电场仿真模拟提供了依据，但难以应用于电力系统实时控制和调度。

在不增加系统装机容量的前提下，为保证电网的频率稳定，占系统发电份额最多的火电机组的一次调频回路主要承担风电快变分量所带来的波动。汽轮机参与一次调频实质上是通过调节汽轮机进汽阀的位置，来改变汽轮机的功率，使其转速基本保持不变。但当汽轮机进汽阀的开度已达到极限时，应当考虑其他方法增加发电功率，本文重点研究回热系统抽汽效应对汽轮机频率调节的影响。

再热式汽轮机采用多级给水回热加热，即从汽轮机的中间级抽出一部分蒸汽，在给水加热器中对锅炉给水进行加热。当回热器投入运行时，其回热器容积内便储存了一定容积的蒸汽和疏水，这部分蒸汽和疏水对汽轮机的动态特性具有明显影响。负荷突然增加时，汽轮机进汽阀开大，进汽量增加，抽汽点压力升高，汽水饱和温度升高，疏水温度低于汽侧温度，回热抽汽量动态过量增加，一方面平衡给水量增加所需的加热量增加，一方面提供疏水的附加吸热;而当负荷突然间降低，进汽阀关小，进汽量减少，抽汽点压力降低，则凝结水由饱和水变成过热水，这样就会蒸发出蒸汽，回热抽汽量动态过量降低。回热抽汽量对汽轮机功率的影响是明显的，通常切除高加抽汽会使汽轮机的功率增加10%左右。回热抽汽量的变化会影响汽轮机功率，所以，减少回热器抽汽可降低汽轮机的频率变化。

文献［8－11］中，对高风电渗透电网，如何提高火电机组的发电能力都有了不少研究成果，但目前现有的研究尚未考虑在高负荷运行，主汽阀开度达到极限时，通过改变回热系统的抽汽量来调节频率。本文基于以上文献的研究成果，通过对风电并网对电力系统频率的影响展开研究，对再热式汽轮机并网运行进行仿真，重点研究了高负荷运行，主汽阀开度达到极限的工作情况下，回热系统抽汽效应对汽轮机频率调节的影响。

1 风功率波动特性分析

选取我国某地风场实际测量数据，将风电功率数据用小波分解的方法分为分钟级以下及分钟级以上多个尺度。风电功率分钟级以下波动分量主要由电力系统一次调频来平抑。将风功率的平均值提取出来，用风电功率分钟级以下波动成分的标准差除以平均功率即可得到对应于任一平均功率其特定波动成分所占的比重。图1为分钟级以下波动量随着风电功率的增加所产生的变化，图1中两根曲线分别代表单机风功率和风场风功率输出特性。由图1可以看出单台风机的风功率波动与其平均功率相比波动较大，在额定功率附近其波动量大概占13%左右;对于风场的风功率输出特性，其分钟级以下波动分量所占比重明显减小，在额定功率附近其波动分量大概占2%左右。即随着风力发电的发展，在电力系统中加入XMW的风电功率时，其分钟级以下风电波动量将达到0.02 XMW。在电力系统负荷高峰区，当汽轮机进汽阀的开度已达到极限时，为了平抑风功率波动对系统带来的扰动的影响，可以考虑发挥回热系统的储能效应，调节汽轮发电机组的抽汽量提高发电功率。

图1 风功率波动特性分析图

2 用于仿真分析的数学模型

2.1 回热抽气系统工作原理

图2 回热器系统工作简图

图2为表面式加热器的回热系统工作简图。文献［12］详细介绍了回热抽汽系统的工作原理，并以表面式加热器为例建立了回热器系统的动态数学模型。

图2中，Dms为上级组流量;D'ms为下级组流量; Dri为第i级回热器抽汽流量;Dwi为第i级回热器给水流量;Dci为第i级回热器凝结水流量;PT为汽轮机的进汽压力;Pbi为第i级回热器抽汽点压力;Pri为第i级回热器压力;αri为第i级回热器抽汽份额系数，αri=Dri0/D'ms0。所有变量下角标“0”均表示相应量的额定值;下角标i对应1、2;高加，除氧器及低加1，2的符号表示分别为GJ、CY、DJ1、DJ2。

2.2 抽气逆止阀可控的回热抽汽系统模型

文献［12］根据给水回热系统的工作流程及以上建模思路，已研究出传递函数形式的逆止阀全开时回热加热系统的数学模型，为了配合风电发电功率的变化对火电机组发电量进行自动调整，在抽汽逆止阀处添加控制信号用于控制回热系统抽汽量，得到如图3所示的抽汽逆止阀可控的回热抽汽系统数学模型。模型中，αri为抽汽份额系数，Wi(s)为回热器传递函数，βi为抽汽逆止阀前后压损系数，Ci为级组功率系数。

图3 逆止阀开关可调的回热加热系统数学模型

2.3 多机系统数学模型

研究电网频率的长周期行为时(如一次调频，二次调频)，可以认为电网频率是统一的，各发电机转速均相等，这样的假定实际上是忽略了发电机之间的相对摇摆，认为发电机之间严格地保持同步运行。

在本文所用仿真模型中，取再热式汽轮机、水轮机组的发电份额占整个电网的发电份额分别为50%、30%，风电机组发电份额为20%。

3 控制回热系统抽汽量平抑风电波动

以图4所示的系统为例在MATLAB中进行仿真，比较分析在回热系统抽汽逆止阀不同开度的工况下对电网频率变化的影响，结果如图5所示。仿真中取给定转速标幺值为1，风场风速在仿真时间50 s左右降低，造成风场功率降低5%。

图4 用于二次调频控制回路设计分析的M台同步发电机并列运行的数学模型

图5 回热系统逆止阀开关对电网频率的影响

图5中对汽轮机高负荷运行，主汽阀开度达到极限的工作情况下，回热系统抽汽逆止阀在不同开度工况下对电网频率变化进行对比分析。回热系统抽汽逆止阀全开时回热器压力为额定值，而抽汽逆止阀半开时回热器压力略有下降，抽汽逆止阀全关时，回热器压力会由额定值逐渐减小到0。随着回热系统抽汽逆止阀开度的变化会影响火电机组的发电功率，当逆止阀开度由全开到半开时，电网频率标幺值的超调量由－1.8%减小至－0.8%，即随着逆止阀开度减小，抽汽量减小，所提高的火电机组的发电量是不容忽视的。因此，在汽轮机实际运行中，如遇到高负荷运行，主汽阀开度达到极限的工作情况，即可考虑回热系统抽汽效应对汽轮机频率调节的影响，以增大功率输出，从而减小电网频率变化，保证电网运行安全。

4 结论

本文研究了在高风电渗透率的电力系统中，风速波动对电力系统频率的影响。在负荷高峰且风电欠发时，根据汽轮机回热系统工作原理，发挥回热系统蓄热效应，控制回热抽汽逆止阀开度调节回热抽汽量释放能量。考虑已有的汽轮机回热系统静态参数，得到了带有回热系统的汽轮机动态模型，建立了用于分析调频问题的含有风电及火电机组的电力系统数学模型，增加了抽汽逆止阀的控制回路，通过仿真分析比较了汽轮机在并网条件下，当风电波动引起频率周波扰动时，高负荷运行的工作情况下，回热系统抽汽逆止阀不同开度状态对汽轮机频率调节的影响。用仿真结果证明了在以上工作情况下，与打开回热系统抽汽逆止阀相比，适当关闭回热系统抽汽逆止阀，汽轮机功率会明显增加，从而会对电网频率稳定起到积极作用。因此，调整回热抽汽量是一种能够提高汽轮机调峰调频出力的可行方法。

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