电锅炉辅助火电机组孤网运行的控制策略研究

刘 超，司瑞才，柳春晖，李 明

（1.国能双辽发电有限公司，吉林 四平 136400；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021）

0 引言

随着新型电力系统建设的推进，新能源装机占比逐渐上升，火电机组占比逐渐下降，由于新能源发电的不确定性，电力系统调节能力明显不足，电力系统运行稳定机理复杂，难以保障在极端天气、系统扰动等复杂情况下的电网安全运行。电锅炉储热装置因调节能力快、储能能力强，被广泛应用于火电灵活性改造的研究和应用中，国家能源局自2016年开展火电机组灵活性改造试点项目以来，北方地区已有30多家电厂配置了电锅炉储热系统。然而，电锅炉储热装置作为一种灵活性较高的用电负载，可以在电网线路故障时，快速参与协同调节，维持锅炉、汽轮机的功率与负载平衡，使机组孤网带电、热负荷运行，避免机组停机，提高机组快速并网和供热经济性的价值并未得到充分认识，同时在解除故障后机组快速并网等方面的研究和应用尚未开展。

本文从带电锅炉运行的机组负荷平衡系统、机组孤网运行决策、负荷切换、汽轮机控制和锅炉控制等方面进行研究，实现电锅炉辅助火电机组孤网运行的控制功能，保障机组在电网故障时，能够稳定转入孤网运行状态，有效保障居民供热和快速恢复电网供电。

1 带电锅炉运行的机组负荷平衡系统

某发电厂为响应国家火电灵活性改造政策要求和地区供热发展需要，提高新能源消纳能力、机组供热期深度调峰能力和供热能力，配置了可实现快速降负荷和宽范围变负荷的蓄热式电锅炉。通过对机组及电锅炉控制策略的设计，使电锅炉系统拥有常规调峰运行模式和辅助火电机组孤网运行模式。

1.1 常规调峰运行模式

常规调峰运行模式，主要是通过电锅炉消耗机组发电机出口的电功率，减少上网负荷，在原有供热机组降负荷速率的基础上消耗了部分原来应该上网的负荷，实现快速降负荷。利用电锅炉产生蒸汽弥补供热机组减少的供热蒸汽，保证供热稳定，解耦了机组部分必发电量，降低了供热机组的发电下限，从而实现宽范围降负荷。配置电锅炉后机组系统结构见图1。

图1 配置电锅炉后机组系统结构

1.2 孤网辅助运行模式

孤网辅助运行模式，实质上是将电锅炉作为一个大容量可控负荷，其功率部件能大量消耗电能，能够在控制部件的控制下快速变负荷。当电锅炉的容量与电网中的负荷冲击容量相当时，其实时性控制在300 ms以内，电负荷平衡系统能够平衡内部电网中的负荷冲击。电负荷平衡系统对火电机组孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差进行计算，生成电锅炉投入或切除逻辑，实现电锅炉的最优运行组合，从而实现机组带电锅炉及厂用电负荷孤岛运行。

2 电锅炉辅助火电机组孤网运行的控制策略

当因极端天气、系统扰动等复杂情况引起火电机组孤网运行时，电锅炉等储热装置辅助火电机组孤网运行决策控制系统使机组主动脱离大电网进行自主运行，实现内部机组出力和电锅炉负载供需平衡且稳定运行，从而实现在电网故障时，机组稳定转入孤网运行状态，有效保障居民供热和快速恢复电网供电的功能。整个过程主要分为：孤网运行决策模块、负荷切换控制模块、锅炉控制模块和汽轮机控制模块。

2.1 孤网运行决策模块

孤网运行决策模块包括线路侧开关状态位置检测判断、主变压器线路参数检测判断和机组运行状态监测判断3个回路。孤网运行决策模块，采用某厂K系列控制器，该系列控制器从信号采集、运算、控制信号输出总时间不大于40 ms，满足孤网运行决策模块对快速性的要求［1］。

该系统通过实时检测电厂与外电网连接开关的位置状态及厂内2条配电线路主变压器的电压、电流、功率，根据孤网判据，自动判断电厂是否处于孤网状态。当2条供电线路均出现故障时，触发孤网运行信号，使火电机组主动断开电厂与外电网的联络开关，并根据孤网前机组出力情况自动匹配电锅炉运行方式，使火电机组能够稳定地带“电锅炉及厂用电负荷”孤岛运行，从而有效保障居民供热和快速恢复电网供电的功能［2］。

通过孤网运行决策模块，判断电厂是否处于孤网状态，判断触发孤网模式后，并将触发信号送至机组汽轮机数字电液控制系统（digital electric hydraulic control system，DEH）、分散控制系统（distributed control system，DCS）和电锅炉控制系统。孤网触发由以下3个条件判定。

1）条件1：线路侧开关状态位置检测判断回路（以下条件相“与”）。线路甲线开关处于分闸位置；线路乙线开关处于分闸位置。

2）条件2：主变压器线路参数检测判断回路（以下条件相“与”）。甲、乙线功率突变量均大于启动定值；甲、乙线电流突变量均大于启动定值；线路故障前0.2 s，甲、乙线功率和大于有线路在运行状态下的功率判定值，且功率方向均为正；线路故障后甲、乙线功率和小于2条线路均停运状态下的功率判定值；甲、乙线均有两相或三相电流值小于2条及以上线路停运状态下的电流判定值；甲、乙线均有两相或三相电流20 ms内突变量大于2条及以上线路电流突变电流判定值。

3）条件3：机组运行状态判断回路（以下条件相“与”）。油开关闭合；主蒸汽门全开；锅炉主保护未动作。

条件1与条件2相“或”，再与条件3相“与”后，即输出孤网触发，孤网触发信号通过硬接线的方式送至机组DEH、DCS和电锅炉控制系统。孤网触发逻辑见图2。

图2 孤网触发逻辑

2.2 负荷切换控制模块

负荷切换控制模块主要是为电锅炉运行模式判断回路。该控制回路对火电机组孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差进行计算，通过机组出力和厂用负载的偏差，生成电锅炉投入或切除逻辑，实现电锅炉的最优运行组合，从而实现机组带电锅炉及厂用电负荷孤岛运行。具体情况如下。

1）孤网前电锅炉均未运行的模式下，若火电机组孤网前出力大于电锅炉等厂用负载，联锁启动所有电锅炉。

2）孤网前电锅炉均未运行的模式下，若火电机组孤网前出力小于电锅炉等厂用负载，在保持机组出力略大于电锅炉等厂用负载的前提下，联锁启动部分电锅炉。

3）孤网前电锅炉均运行的模式下，若火电机组孤网前出力大于电锅炉等厂用负载，电锅炉保持现状运行；若火电机组孤网前出力小于电锅炉等厂用负载，在保持机组出力略大于电锅炉等厂用负载的前提下，联锁停运部分电锅炉。

4）孤网前电锅炉未均运行的模式下，若火电机组孤网前出力大于电锅炉等厂用负载，在保持机组出力略大于电锅炉等厂用负载的前提下，联锁启动部分电锅炉；若火电机组孤网前出力小于电锅炉等厂用负载，在保持机组出力略大于电锅炉等厂用负载的前提下，联锁停运部分电锅炉。

2.3 锅炉控制模块

锅炉控制模块主要是为锅炉燃烧系统快速调整控制回路。根据火电机组孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差，该控制回路可以实现锅炉燃料的精准控制，从而保证热力系统的工质平衡［3］。

机组DCS接收到孤网触发信号后，切除机组锅炉主控自动，同时燃料主控的指令切换为厂用负载所对应的燃料量，并根据火电机组孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差增加燃料主控的前馈回路，从而实现燃料量的快速精准控制；孤网发生后，增加给水控制系统火电机组孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差前馈回路，防止因燃料的迅速变化造成的煤水比失调。

2.4 汽轮机控制模块

汽轮机控制模块，主要包括2个回路，分别为孤网运行转速及一次调频控制回路和汽轮机孤网精准前馈控制回路。机组在孤网触发后，DEH切除远方DCS遥控，汽轮发电机由功率控制立即转为转速控制方式。由于机组带负荷和空负荷运行时，被控对象特性存在较大不同，需要增设孤网运行转速及一次调频控制回路。同时根据孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差，生成汽轮机精准前馈量，从而确保整个过渡过程的转速变化在允许范围内，并在过渡过程结束后维持转速稳定［4］。

孤网运行转速及一次调频控制回路分为转速控制回路和一次调频控制回路。孤网发生的瞬间，汽轮机由功率控制转为转速控制，由于DEH 自带转速控制回路整定的控制参数只适用于机组带空负荷运行，所以须增设适用于孤网带负荷控制的转速回路，同时为确保可以对机组转速能够快速稳定控制，还须在转速控制回路上增加一次调频控制。目前火电机组一次调频高限值为10%的机组额定负荷，当因极端天气、系统扰动等复杂情况引起火电机组孤网运行时，若火电机组孤网前出力与电锅炉等厂用负载偏差大于10%机组额定负荷时，一次调频功能无法满足单机带孤网运行的调整幅度要求。因此，将一次调频回路按照5%转速不等率设置一次调频量修正函数，并放开一次调频修正函数高限值，综合考虑机组出力和厂用负载的偏差以及调门迅速关闭对锅炉安全运行带来的影响，将一次调频修正函数低限值设置为35%。

汽轮机孤网精准前馈控制回路，主要是根据孤网前机组阀位指令、孤网前机组出力以及孤网前机组出力与电锅炉等厂用负载偏差，计算出汽轮机控制回路的前馈量，通过引入汽轮机精准前馈，减少机组孤网对转速控制带来的不利影响。

3 电锅炉实例分析

为模拟电锅炉辅助机组孤网运行时的动态特性，利用本文的控制策略，基于Matlab／Simulink平台建立了完整的带电锅炉负载的300 MW 机组动态仿真模型。其中汽轮机采用原动机调速系统模型，锅炉模型采用含辅机故障减负荷功能的典型模型，励磁系统为三机励磁模型，电力系统静态稳定器（power system stabilizer，PSS）采用PSS2A模型，发电机采用电磁暂态模型。通过仿真得出，当电网故障时，电锅炉能够及时根据机组出力与厂用及电锅炉负载的偏差进行投切。当机组出力大于厂用和电锅炉负载时，在投切的瞬间，存在转速的小幅度飞升，但均未达到超速保护的动作条件；当机组出力小于厂用和电锅炉负载时，在投切的瞬间，存在转速的小幅度降低，但经过短时间调整后，机组频率均能维持50 Hz稳定运行。仿真结果，验证了电锅炉辅助火电机组孤网运行的可行性，为此技术在电力系统中的广泛推广应用奠定了基础［5］。

4 结论

针对因极端天气、系统扰动等复杂情况引起火电机组孤网运行，电网失稳的难题，引入电锅炉辅助火电机组孤网运行的负荷平衡系统，设计机组孤网运行决策、机组负荷切换控制策略，优化汽机和锅炉控制策略，实现了电锅炉辅助火电机组孤网运行的控制功能，保障了机组在电网故障时，能够稳定转入孤网运行状态，具备良好的抗负荷冲击能力，在各种事故工况下，均能够安全准确调整和动作，保证了电网安全稳定运行。