本文以300MW機組為例，研究不同的蓄熱裝置配置方案對機組一次調頻能力的影響，旨在分析火電機組靈活性改造推廣后，在提高電力系統調峰能力的同時對系統一次調頻能力產生的影響。研究成果對火電靈活性改造影響分析、電力系統一次調頻缺口評估具有積極的借鑒意義。


研究背景

　　高比例可再生能源接入給電力系統穩定性帶來巨大挑戰，同時知識經濟時代對供電電能質量提出更高的要求，因此電力系統調頻問題將逐漸凸顯。

　　火電機組配置蓄熱裝置是解決供熱火電機組調峰能力不足的有效方式，“十三五”期間，僅“三北”地區熱電機組靈活性改造約1.33億千瓦。火電機組目前作為我國主力電源，其配置蓄熱裝置對系統調峰能力的影響已有較多的理論研究和實踐驗證，但現有研究均未針對供熱機組配置蓄熱裝置開展一次調頻能力研究。

論文所解決的問題及意義

　　本文以300MW機組為例，研究不同的蓄熱裝置配置方案對機組一次調頻能力的影響，旨在分析火電機組靈活性改造推廣后，在提高電力系統調峰能力的同時對系統一次調頻能力產生的影響。研究成果對火電靈活性改造影響分析、電力系統一次調頻缺口評估具有積極的借鑒意義。

論文重點內容

　　為實現供熱機組熱電解耦，在電源側通常配置兩類蓄熱裝置：蓄熱水罐和蓄熱電鍋爐。

　　以北方某300MW抽汽供熱機組為例，搭建抽汽式汽輪發電機組模型、調速器模型及一次調頻模型。本文將在火電機組配置不同的蓄熱裝置情況下，設定蓄熱裝置運行方式，與火電機組協同運行滿足用戶的熱負荷和電負荷需求。

　　設定配置蓄熱水罐運行方式為：電負荷低谷、發生棄風棄光時機組減少抽汽、降低出力（假設出力180MW、抽汽270t/h的工況處于機組熱電特性曲線上），熱負荷缺口由蓄熱水罐供熱補充；電負荷高峰、非棄風棄光時，抽汽供熱機組出力不變、增加抽汽（經校核應符合機組實際熱電特性），并將富余抽汽熱量存儲于蓄熱水罐中。其中，蓄熱水罐蓄熱16個小時，對外供熱8小時，蓄熱效率95%。

　　設定配置蓄熱電鍋爐運行方式為：電負荷低谷、發生棄風棄光時抽汽供熱機組出力不變、以與棄風棄光功率同等大小的廠用電啟動蓄熱電鍋爐蓄熱/供熱；電負荷高峰、非棄風棄光時，蓄熱電鍋爐只對外供熱。其中，蓄熱電鍋爐一天中8小時蓄熱、連續24小時對外恒功率供熱，熱效率97%。

　　配置蓄熱裝置后，按比例分攤至機組的棄風棄光都能夠被消納。結合上述運行方式，設置不同的仿真試驗工況。由仿真結果可知，對于抽汽供熱機組配置蓄熱水罐的方案，發生棄風棄光時蓄熱水罐放熱，能夠增強機組一次調頻能力，有利于可再生能源高比例滲透；不發生棄風棄光時，蓄熱水罐蓄熱，減弱增強機組一次調頻能力，而此時由于可再生能源出力占比較小，系統的一次調頻需求相對較小。對于抽汽供熱機組配置蓄熱電鍋爐的方案，各個時段均能夠增強機組一次調頻能力，但是增強效果不如配置蓄熱水罐的方案。

各仿真試驗工況下機組一次調頻能力



　　以北方某300MW抽汽供熱機組為例，分析采暖期典型日機組配置不同蓄熱裝置的一次調頻效果。其中將配置蓄熱裝置后的火電機組的抽汽量、發電功率實時數據作為模型輸入，仿真得到三種方案在典型日某時段的一次調頻動態響應曲線,經做差處理，得到機組配置不同的蓄熱裝置后與未配置蓄熱裝置時在典型日的一次調頻調整功率偏差曲線，如圖所示。

典型日機組一次調頻調整功率偏差曲線



　　通過分析，電網頻率偏差超過死區時，機組能夠迅速進行一次調頻動作。相同的頻率偏差下，在棄風棄光時段，配置蓄熱水罐的機組一次調頻負荷調整幅度最大，配置蓄熱電鍋爐的機組次之；在非棄風棄光時段，配置蓄熱電鍋爐的機組一次調頻負荷調整最大，而配置蓄熱水罐的機組最小。其中，棄風棄光時頻率波動更迅速、一次調頻動作頻繁變向，因此機組一次調頻負荷調整幅度反而小于非棄風棄光時段。

研究結論

　　本文對抽汽供熱機組無蓄熱、配置蓄熱水罐、配置蓄熱電鍋爐三種配置方案進行分析，確立不同配置方案下機組的運行方式，進行機組一次調頻動態仿真，探討不同蓄熱裝置配置方案對機組一次調頻性能的影響。仿真結果表明，不同配置方案在不同時段對火電機組一次調頻能力的影響不同，其中，配置蓄熱水罐在發生棄風棄光時能夠增強機組一次調頻能力，非棄風棄光時段略微減弱機組的一次調頻能力；配置蓄熱電鍋爐無論在棄風棄光時段還是非棄風棄光時段都能夠略微增加機組的一次調頻能力。該研究對火電靈活性改造影響分析、電力系統一次調頻缺口評估具有積極的借鑒意義。

主要作者介紹

　　第一作者：宋崇明，男，碩士，工程師，從事促進可再生能源消納相關研究。

　　E-mail: songchm_001@163.com。

　　第二作者：田雪沁，男，碩士，高級工程師，從事促進可再生能源消納相關研究。

　　E-mail: tianxueqin@chinasperi.sgcc.com.cn。

團隊介紹

　　新能源及綜合能源技術中心（簡稱“新能源中心”）作為國網經濟技術研究院有限公司業務部門之一，主要從事新能源與可再生能源、分布式能源、熱電聯產、儲能等網源協調領域的規劃、設計與咨詢業務。現有技術骨干30余名，專業涵蓋了熱能工程、電力系統自動化、可再生能源、技術經濟、政策研究等，其中高級工程師16名，具備項目經理能力人員22名，構建了國內外一流的專家隊伍，與國內外主要能源研究機構、發電公司、設備制造廠等建立了較好的合作關系。新能源中心總結多年的科研、項目經驗，近五年申請專利近20項，申請軟著4項，發表論文20余篇。