摘要：目前，我国发电方式正在发生巨大变化，传统发电方式所占比例正在逐步减少，而新能源电力已经成为我国电力的主要组成部分。虽然新能源电力具备可再生、环保等一系列优点，但是在并网过程中因其受环境因素影响较大，不能像传统发电方式那般稳定，而随着其所占比例的加大，新能源电力消纳成为了供电系统的难题。本文也将针对这个问题进行分析，并对燃煤电厂通过加强弹性运行控制措施以协助新能源电力消纳进行探讨。
关键词：新能源；电力；消纳；燃煤电厂；弹性运行；分析
引言：燃煤机组的弹性（flexibility）运行控制，是指通过先进的控制技术实现机组的快速、深度变负荷控制。传统意义上，燃煤机组的运行控制重点关注安全、高效和环保等指标，而运行弹性是电力系统为适应当前和未来新能源电力规模化接入电网对燃煤机组提出的更高要求。“弹性”的核心在于机组变负荷的深度性与快速性，要求包括：可实现机组最低负荷运行、输出功率灵活可变等。提升燃煤机组的弹性运行能力，对于实现规模化新能源电力的消纳、提升电力系统运行的安全性与稳定性具有极为重要的意义。
1.新能源电力消纳中燃煤电厂弹性运行的意义
长久以来，热力发电都是人们获取电力的主要途径，而我国则主要通过燃煤来进行发电，遍布各地的燃煤电厂也是我国电力的主要来源。以往燃煤电厂的工作重点都是提高发电效率、减少能源浪费以及污染排放，不过随着电力系统组成的变化，燃煤电厂的弹性运行控制逐渐受到人们的重视。这是由于随着科技的进步，新能源发电技术日益完善，新能源电力也逐渐成为电力系统中一股不可忽视的力量。以德国为例，德国以往的主要电力由核电站提供，但是随着其风力、太阳能发电技术的发展以及发电装置的普及，目前德国由这两种新能源提供的电力已经占到全国总供电量的37.6%，而且德国还计划进一步提升这一比例，在未来做到全面弃核，由新能源电力承担主要发电任务。
而我国新能源发电技术起步较晚，技术基础也较为薄弱，目前新能源电力在电力系统中的占比仍然较低。但是我国幅员辽阔，风能、太阳能以及水能资源丰富，发展新能源发电具有得天独厚的优势，而目前我国风力、太阳能发电量的增速也是世界第一。目前我国新能源发电发展迅速，主要的发电方式为水力发电、风力发电以及太阳能发电三种。而水力发电随时间波动较小，因此不存在消纳问题。而我国目前风力发电及光伏发电技术都处于领先地位，年发电量也是逐步攀升。自2004年至今，我国风力发电量增长了200倍，光伏发电并网容量更是增加了1200倍。截至目前，我国风电并网容量已达到15000万kw，太阳能发电量7800万kw，已经成为我国电网的主要供电来源。除了三种传统的发电方式外，目前我国还在开发其他新能源发电方式，例如地热能发电以及潮汐能发电，虽然近几年在这两项技术上进展缓慢，但是目前此两种发电方式的年发电量也已经达到了30000kw左右，发展潜力巨大。除了加强对于自然能源的利用，目前我国也在利用焚烧垃圾等方式发电，这些新能源发电方式不仅节约了能源，还大大缓解了环境污染问题，未来也将取代传统化石能源发电成为我国的主要发电方式。虽然新能源电力具有种种优势，但是新能源发电受到环境因素的影响较大，发电量很不稳定，其发电波动造成的发电量差甚至可以达到90%以上。
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2.燃煤电厂弹性运行控制策略
2.1智能协调控制策略
传统的燃煤发电机组一般通过协调控制系统（coordinated control system，CCS）完成电网调度的自动发电控制AGC（automatic generation control）。其基本原则是通过锅炉燃烧率和汽机调门的协调控制来完成机组负荷与主蒸汽压力的调整。目前典型的控制方式有炉跟机（BF）方式、机跟炉（TF）方式、直接能量平衡（DEB）方式等等，不同机组可根据对变负荷速率或压力波动等的实际需求选择不同的控制方式。采用先进的智能控制方法可以实现CCS的优化控制，并在一定程度上提升机组的弹性运行能力。此外，反馈线性化、预测控制、内模控制、自适应控制等智能控制方法都可以在一定程度上提升机组的弹性运行能力。协调控制系统从本质上看正是利用了机组锅炉侧的蓄热，通过快速动作主调门来快速改变作功蒸汽的流量，达到快速响应机组负荷变化的目的。但协调控制系统受限于锅炉侧的大迟延特性及机组的蓄热容量，变负荷性能难以大幅改善；此外，调门动作还会引起节流损失及锅炉侧的不完全燃烧，影响机组运行的经济性。因此，探索一种异于锅炉侧蓄热利用的新的变负荷手段势在必行。燃煤机组作为大的热力系统，其内部储存了大量的热量，例如容器蓄热、金属蓄热、蒸汽蓄热等等，通过改变作功工质的流量或焓降等方式均可以释放系统的蓄热，从而达到变负荷的目的。而且，从容量和成本等来看，蓄热要远比蓄电（储能）优越的多。因此，充分发掘并深度利用燃煤机组的蓄热，将会显著提升机组的弹性运行性能。以下将重点阐述几项关键技术。
2.2凝汽器冷却工质节流调节
凝汽器冷却工质节流调节（cold source throttling）的基本原理是通过改变进入凝汽器内冷凝乏汽的冷却工质的流量，使得机组背压发生变化进而影响机组负荷发生变化。根据乏汽冷却工质的不同，可将机组分为湿冷机组与空冷机组。我国大多数湿冷机组及间接空冷机组一般采用定速循环水泵为凝汽器提供循环冷却水，但由于其无法实现冷却工质的连续调节，该方案暂时无法在现场适用。而直接空冷机组一般采用变频风机为凝汽器提供冷却风，其冷却工质流量可实现连续调节，因此，空冷机组可通过变频风机转速的闭环调节来实现机组负荷的弹性控制。以下的凝汽器冷却工质节流调节将以直接空冷机组为例进行说明。增大乏汽冷却工质的流量，可以降低机组背压增大机组出力，但变频风机的耗功也同时增大，这就存在一个平衡计算的问题，只有当机组出力增量大于风机耗功增量的时候，其收益是最大的，此时的风机转速为最佳转速，机组背压为最佳背压。因此，当机组处于稳态工况运行时，可以通过定义功率收益最大计算获得空冷风机的最佳转速，并将其反馈至空冷风机的执行机构实现闭环调节，保证机组运行的经济性。
总结：随着新能源发电技术的进步以及发电装置的普及，新能源电力消纳问题亟待解决。而在这种新形势下，供电系统的结构也受到冲击，需要进行重组，燃煤电厂的工作任务也发生了变化。燃煤电厂需要加强信息系统建设，及时掌握电网供电变化，通过优化CCS协调控制系统，引入凝结水节流控制等新型控制措施，提升弹性运行能力，更好地完成当前的供电工作。
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论文作者:尹诗豪
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/27
标签：机组论文; 新能源论文; 燃煤论文; 工质论文; 电力论文; 蓄热论文; 弹性论文; 《电力设备》2018年第35期论文;