引用本文

马士全, 丁进良. 面向可再生能源消纳的火电机组控制结构综合与分析. 自动化学报, 2025, 51(11): 2412−2426 doi: 10.16383/j.aas.c230210

Ma Shi-Quan, Ding Jin-Liang. Syntheses and analyses of control structure for coal-fired power plants oriented to renewable energy accommodation. Acta Automatica Sinica, 2025, 51(11): 2412−2426 doi: 10.16383/j.aas.c230210

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c230210

关键词

可再生能源消纳，机炉协调，控制方案，协同控制，火电机组

摘要

增加可再生能源在电网中的占比, 使能源结构更合理, 是加快能源转型、实现低碳可持续发展的有效途径. 电网中占主导地位的火电辅助消纳可再生能源的能力对提高可再生能源在电网中的占比起到重要作用. 为提高火电机组辅助消纳能力, 根据当前系统控制方案, 分析影响机组灵活性与调峰深度的因素, 包括机炉协调、局部反馈策略下的锅炉控制、系统稳态工作点的规划等. 详细阐述基于补偿方案的协调策略限制机组对具有随机性和间歇性的可再生能源的补偿能力, 局部反馈策略下的锅炉控制只是实现等效热效应的反馈, 以及非额定工况下的稳态工作点关系到辅助可再生能源消纳的能耗和排放指标等. 最后, 给出进一步的机炉动态协调控制和非额定工况下系统多目标优化等方面的研究内容.

文章导读

“十四五”期间, 我国以绿色低碳为目标, 力争在2030年前实现碳排放达峰, 2060年实现碳中和. 碳中和即碳排放量等于碳汇量与碳信用量的总和. 为实现该目标, 电力的低碳化是先决条件. 我国火电煤炭消费占一次能源总量的一半以上, 如2021年为56%. 随着可再生能源技术越来越成熟, 风力、光伏和光热等分布式、环境友好的可再生能源在整体电源中所占的比例越来越高. 完成新的能源结构调整对传统电源——火电提出挑战. 火电机组, 作为一个执行机构, 可根据电网调度方的需要作为基荷电源(电网调度手动模式)、峰荷电源和腰荷电源(电网调度自动模式), 如图1所示. 可见, 火电机组向电网提供电量的同时还提供供需平衡调节服务, 以保证供电量和供电品质. 由于分布式电源具有随机性和间歇性, 若要充分吸纳可再生能源, 电网不但要为其提供电量容量, 还要调节其带来的扰动. 由于我国当前电网平衡调节能力有限, 造成可再生能源在电力能源结构中的比例不能大幅提高(2021年风光发电量占比11.7%), 迫使大规模弃风、弃光. 如2017年全国的弃风量高达41.9 TWh, 局部区域弃风率达33%和29%[1]. 美国有丰富的页岩气, 在提高风光可再生能源占比的同时, 增加燃气发电规模(燃气轮机负荷变动速率快, 可以短时间启停), 以提高电网的负荷平衡能力. 而我国负荷调节性能优良的水电机组容量占比有限, 且与风光能源存在时空不匹配的矛盾(风光资源丰富的地区为西部和北部, 而水电资源丰富的地区为南部夏秋季节). 建设大规模抽蓄储能电站只能因地制宜, 其他形式的大规模储能技术尚不成熟. 立足于我国当前电力能源结构和一次能源的现实, 应充分利用煤炭消费转型升级的机遇(我国煤炭的储采比为30 ~ 40年), 发挥电力保供兜底作用、先立后破, 实现有序替代. 推进我国构建以新能源为主体的新型电力系统稳步发展的基本方略, 决定了火电机组由基荷电源向调节性电源角色的转变. 为此, 我国目前有序开放辅助电力服务市场[2], 将负荷调节能力作为市场化的资源, 由市场引导供电企业竞购. 这意味着传统火电机组收益模式由纯电量收益, 转变为电量加辅助服务收益. 对火电机组来说实质上是综合性能的竞争. 度电煤耗越低, 电量电价就越有市场竞争力. 负荷变动速率越快, 变化范围越宽, 辅助服务市场竞得的电量越多, 得到的回报也就越高. 这对火电机组的能耗、排放和控制性能提出更高的要求.

图1  电网供需平衡示意图

本文围绕火电机组配合消纳可再生能源问题, 通过对其控制结构进行综合与分析, 剖析影响其灵活性及调峰深度的原因, 为寻求加速系统灵活性和深化调峰深度的控制方案以及优化系统节能降耗指标提供参考. 同时, 还指出当前控制方案下配合消纳可再生能源所面临的问题, 分析火电在电力系统中供需平衡的调节作用. 最后, 指出我国火电机组控制性能的提升是配合可再生能源消纳减少储能和电力调节基础设施投资的有效手段.

本文的内容结构安排如下: 第1节论述火电机组的控制结构; 第2节对控制方案进行分析; 第3节和第4节分析了当前控制方案在当代电力系统发展中所面临的问题; 第5节进行总结, 并提出愿景和展望.

图2  炉跟随为基础的协调控制递阶总体结构

图3  汽机负荷跟踪控制

根据火电机组控制方案, 本文分析其在辅助消纳可再生能源过程中面临的两个关键问题.

在协调控制层面, 机组动态响应能力存在明显不足. 由于燃烧、传热过程具有大惯性特性, 当前控制方案将机炉系统解耦为两个响应特性差异显著的单回路, 仅通过抑制汽机快速响应来匹配锅炉慢过程, 导致整体负荷响应速率受限(目前不超过额定负荷的2%/min), 且未能充分利用调度系统提供的15 min前瞻性负荷预测信息.

在锅炉控制层面, 局部反馈与运行优化存在显著短板. 现有控制仅采用等效热效应反馈, 尚未实现真正的闭环控制, 更未达到优化控制水平. 这导致缺乏在低负荷工况下同时满足燃烧稳定、效率优良和排放达标的控制方案, 也缺少覆盖全负荷范围的给水控制策略. 同时, 由于调峰机组长期运行在非额定工况, 系统稳态工作点未能得到有效优化, 从而增加了新能源消纳的能耗与排放成本.

随着电力辅助服务市场的逐步开放, 我国煤电机组既面临技术升级压力, 也处在发挥保障作用的关键时期. 未来需要通过提升机组协调控制水平和锅炉控制性能, 稳步提高可再生能源占比, 降低碳排放强度, 为实现碳中和目标以及制造强国战略提供支撑.

作者简介

马士全

东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室博士研究生. 2011年获得吉林化工学院学士学位. 2014年获得东北电力大学硕士学位. 主要研究方向为微机测控系统、复杂工业过程优化与控制. E-mail: msq_scholar_ex@163.com

丁进良

东北大学教授. 主要研究方向为生产全流程运行优化, 智能优化和工业智能及应用. 本文通信作者.E-mail: jlding@mail.neu.edu.cn