电力市场环境下凝结水辅助调频控制策略研究及实施

夏 荣，陶 鑫，陈欢乐，杨 康

（1.国家电投集团江苏电力有限公司，南京 210000；2.国家电投集团协鑫滨海发电有限公司，江苏 盐城 224500；3.上海明华电力科技有限公司，上海 200090）

0 引言

随着当前能源结构变化和电力辅助服务（调频）市场的发展，提高国内现役发电机组效率，保证电网的安全经济运行，提高电网和并网电厂之间的网源协调能力，成为当前电力行业面临的挑战之一[1]。如今，大容量超（超）临界燃煤发电机组已成为区域电网的主力机组，但超（超）临界机组受锅炉系统能量生产过程的大延迟惯性和锅炉可利用蓄能相对不足的影响，在电网快速大幅负荷响应工况下和电力辅助服务市场化背景下，其实际变负荷响应性能较难满足厂网要求[2]。

江苏省电力现货市场于2020年7月开展辅助服务调频（AGC）市场建设，目前调频辅助服务市场在保障电网频率稳定，优化调频资源配置，促进电源侧调频能力提升以及培育主体市场意识等方面凸显重要作用。当前江苏电力市场在运行结算中仍然采用发电侧“零和”模式，发电企业在辅助服务市场中的利润由辅助服务收入减去辅助服务分摊费用得到。按照《江苏电力辅助服务（调频）市场交易规则》规定，调频市场中根据“七日综合调频性能指标/调频报价”由高到低进行排序出清，且最终调频调用补偿由调频里程、调频性能和调频报价乘积决定。因此，可以看出调频性能对火电机组在调频市场中的收益起决定性作用，如何提升发电机组调频性能，如何在电力调频辅助服务市场中获取更高的调频效益，已经成为摆在发电企业面前的重要课题[3]。

本文研究凝结水辅助调频控制策略，在机组原有AGC调频控制基础上，通过判断机组运行工况和在调频市场中的实际调频需求，利用回热系统蓄能辅助提升机组AGC调频响应能力，提升机组调频性能指标，帮助机组获取更多的调频市场收益。

1 火电机组调频市场现状

1.1 江苏省调频性能指标计算方法

目前，江苏省调频性能指标的计算由省电力调度中心负责。机组调频性能指标Kp主要涉及AGC调节速度和调节精度两个方面，单次AGC指令的调频性能指标计算方法为：

燃煤火电机组调频报价依据是“七日综合调频性能指标”，综合调频性能指标计算方法为：

式（2）中：K ip为机组i的综合调频性能指标；D+i,j为机组i第j次AGC指令的正向调频里程；n为机组i运行期间内被AGC调用的次数。

1.2 典型火电机组调频现状

以江苏电网内某1000MW超超临界燃煤发电机组为研究对象，分析其日常参与调频市场运行状况。该机组正常参与江苏调频辅助服务市场运营，AGC变负荷速率能够满足1.5%Pe（额定负荷）/min要求。根据式（1）可知，该变负荷速率下的理论最佳调频性能指标为4。但限于机组锅炉整体蓄能不足，以及劣质煤掺烧、锅炉壁温的超温干预等因素影响，对机组参与AGC调频过程完整评价下，机组综合调频性能指标较低。其综合调频性能指标在辅助服务（调频）市场中标的情况下为3.6左右，不中标时为3.1左右。该机组2021年11月22日～29日的每日综合调频性能数据如图1所示。且随着调频市场深入实施，机组AGC调频调用补偿逐月减少，中标的天数及价格也愈来愈低，甚至出现调频调用补偿小于分摊而造成“亏损”的状况。

图1 1000MW机组每日综合调频性能数据Fig.1 1000MW Unit daily comprehensive frequency modulation performance

为增加发电机组在调频辅助服务市场中的整体收益，需要进一步提升机组AGC调频性能指标。其中，回热系统存储有部分可利用蓄能，可以作为机组功率变化的补充手段。本文考虑将回热系统蓄能应用至AGC调频控制中，利用回热系统蓄能加快AGC调频响应速度，提升机组综合调频响应性能和整体调频收益。

2 凝结水辅助调频控制

利用回热系统蓄能参与发电机组一次调频控制已有相关研究和应用，但AGC调节与一次调频调节存在较大差异，凝结水辅助参与AGC调频控制中如何解决AGC指令频繁变化、锅炉蓄能与回热系统蓄能高效协同控制，以及回热系统AGC调频过程中如何维持安全控制等问题成为研究和应用实施关键点。通过研究凝结水辅助调频控制策略解决上述控制难题，提升机组在调频辅助服务市场中的整体调频性能。

2.1 凝结水调频控制原理

以锅炉出口主蒸汽为基准点，其一部分能量将在汽轮机内做功转换为电能，一部分将在凝汽器内成为冷源损失被循环水带走，而另一部分流回汽轮机回热加热系统，转变为给水焓被循环利用，凝结水调频利用的即是这部分能量。通过改变凝结水流量，利用加热器热平衡特性，间接改变加热器的抽汽流量，从而快速改变机组功率输出[4]。

凝结水辅助调频有别于传统CBF协调控制系统和基于凝结水调负荷的节能协调控制系统[5]，其在不改变机组原有协调控制框架基础上，增设凝结水辅助调频控制功能；完善协调控制系统，使AGC调频控制系统与凝结水辅助调频协同配合，实现机组调频响应性能最大化，其控制原理如图2所示。

图2 凝结水辅助调频控制原理图Fig.2 Condensed water auxiliary AGC control schematic diagram

2.2 凝结水辅助调频控制

火电机组参与AGC调频市场运行时，以利用锅炉蓄能调频控制为主，通过判断机组能量状态和AGC调频响应需求，按需利用机组低压回热系统蓄能辅助参与调频控制。当机组能量状态无法满足调频响应需求时，触发辅助调频请求，凝结水辅助调频系统快速改变凝结水流量，改变低压回热系统抽汽流量，辅助改变汽轮机功率输出，辅助提升机组调频响应性能。判断条件如下所示：①AGC单方向连续指令变化幅度超过阈值，发生大幅AGC调频工况；②锅炉能量状态偏离机组调频响应需求：AGC加负荷工况下，锅炉初始能量状态偏低；AGC减负荷工况下，锅炉初始能量状态偏高；③大幅AGC单向调节后的反方向AGC调节。

预估机组锅炉能量状态无法满足快速调频需求时，触发凝结水辅助调频请求信号。将调频指令折算成凝结水流量设定值偏置，通过除氧器上水调阀对除氧器水位控制回路作用，快速改变凝结水流量，间接改变低压回热系统抽汽流量，快速改变汽轮机功率输出。其中，调频加负荷需求时，凝结水流量设定值偏置为负，除氧器上水调阀关小，凝结水流量降低；调频减负荷需求时，凝结水流量设定值偏置为正，除氧器上水调阀开大，凝结水流量增加。

图3 凝结水系统调频控制策略Fig.3 Condensed water system AGC control strategy

当机组功率输出达到AGC指令响应需求，或者除氧器水位、凝结水流量、凝结水压力等参数达到安全边界时，凝结水辅助调频功能退出。其中，机组功率输出达到调频响应需求工况下，凝结水系统的调频指令按照预设的速率恢复至0，凝结水辅助调频功能逐步退出，后续调频功率输出由机组机炉系统提供；除氧器水位、凝结水流量、凝结水压力等参数达到安全边界时，凝结水辅助调频功能直接退出。

2.3 凝结水辅助调频安全控制

凝结水参与机组AGC辅助调频控制过程中，导致凝结水流量大幅且快速地变化，将直接影响到除氧器、低加和凝汽器等凝结水系统和设备的安全稳定运行[6]，为此需要针对性开展保护控制。

1）对低加常疏、危疏、疏水泵控制逻辑进行优化，包括增加凝结水流量至低加常疏的前馈环节，优化常疏、危疏调门的PID参数，修改低加疏水泵变频设定等。此外，需对低加的保护、控制定值进行梳理和调整，以实现低加水位在凝水流量大幅波动时的平稳控制，避免危疏开启和低加保护动作。

2）凝结水系统平衡控制。凝结水辅助调频过程是凝结水流量在除氧器和凝汽器间工质转移的过程，虽然除氧器和凝汽器水位波动较大，但凝结水系统总的凝结水量基本保持不变。因此，为了防止凝结水调频过程中凝汽器水位的暂态降低，引起补水阀动作，而增加系统总水量，采用除氧器和凝汽器水位平衡控制方式，凝汽器补水阀将控制除氧器与凝汽器的加权水位，维持凝结水系统总的凝结水量平衡。

3 凝结水辅助调频控制实施

以上述1000MW超超临界机组为试验对象，开展凝结水辅助AGC调频控制策略的优化实施。

为实现凝结水辅助调频功能，需对高中低负荷工况下除氧器上水调阀对机组负荷变化的特性进行摸底试验。其中，750MW负荷工况下的凝结水调频特性试验曲线如图4所示。

图4 凝结水系统功率响应特性Fig.4 Condensed water system power response characteristics

由图4可知，通过改变凝结水流量可以实现机组功率的大幅变化，验证了凝结水参与负荷调节的可行性。基于不同负荷工况下的凝结水系统负荷调节特性，实施凝结水辅助AGC调频控制策略，凝结水辅助参与AGC调频控制曲线如图5所示。

图5 凝结水辅助AGC调频控制曲线Fig.5 Condensed water auxiliary AGC control curve

由图5可知，由于凝结水系统参与调频，使得变负荷初期的机组实际功率响应加快，实际出力能够很好地跟随负荷指令变化，缓解了机组功率滞后于指令变化较多的情况，机组的AGC调频性能得到一定程度的提高。凝结水辅助调频控制系统投运后，机组参与调频辅助服务市场的综合调频响应性能得到大幅提升，评价指标达到4.5左右，大幅提升机组在调频市场中的经济收益。实施后的综合调频响应性能指标情况如图6所示。

4 结论

当前能源变革潮流下，新能源发电装机占比快速增加。为应对新能源发电的随机性和波动性，电网调度对火电机组的调频性能提出了更高要求，并采用电力调频辅助服务市场的方式来促进火电机组不断提升自身调频性能以保障新型电力系统的调频安全。但火电机组能量生产的大惯性延迟和自身锅炉系统蓄能不足等问题，导致火电机组调频性能受限。

为进一步提升火电机组在电力市场环境下的整体调频性能，借助机组回热系统蓄能，采用凝结水辅助调频的控制方式，基于机组调频需求和能量状况协同调用机组锅炉系统和回热系统的蓄能参与调频控制。在保证凝结水系统安全稳定运行的前提下，机组在调频市场中的综合调频响应性能得到较大提升，增加机组在电力市场中的调频收益，为提高电网频率安全稳定控制能力提供助力。